半导体物理第章.ppt

第2章 半导体中杂质和缺陷能级 要求 掌握锗、硅晶体中的杂质能级， Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的杂质能级。 理解点缺陷。 杂质 (impurity)：在半导体晶体中引入的新的原子或离子 缺陷 (defect)：晶体按周期性排列的结构受到破坏 实际半导体晶体 掺杂工艺 在单晶生长过程中掺入杂质 在高温下通过杂质扩散的工艺掺入杂质 离子注入杂质 在薄膜外延工艺过程中掺入杂质 用合金工艺将杂质掺入半导体中 Diffusion Process Ion Implantation 掺杂浓度(施主杂质ND，受主杂质NA) 掺杂浓度：单位体积中掺入杂质的数目。 1014~1020cm－3 硅晶体中：5x1022cm－3个原子 请估算杂质原子与Si原子的比例。 为什么极微量的杂质和缺陷，能够对半导体材料的物理、化学性质产生决定性影响？ 杂质和缺陷的存在，会使周期性势场受到破坏，有可能在禁带中引入允许电子具有的能量状态（即能级），从而对半导体的性质产生决定性影响。 杂质、缺陷能级位于禁带之中 2.1.1替位式杂质、间隙式杂质 替位式杂质:取代晶格原子 杂质原子的大小与晶体原子相似 III、V族元素在硅、锗中均为替位式杂质 间隙式杂质:位于晶格原子间隙位置 杂质原子小于晶体原子 杂质浓度：单位体积内的杂质原子数 元素周期表 2.1.2施主杂质、施主能级 施主杂质 V族元素在硅、锗中电离时能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心，称此类杂质为施主杂质或n型杂质。 施主电离 施主杂质释放电子的过程。 施主能级 被施主杂质束缚的电子的能量状态，记为ED，施主电离能量为ΔED。 n型半导体 依靠导带电子导电的半导体。 N型半导体 2.1.3受主杂质、受主能级 受主杂质 III族元素在硅、锗中电离时能够接受电子而产生导电空穴并形成负电中心，称此类杂质为受主杂质或p型杂质。 受主电离 受主杂质释放空穴的过程。 受主能级 被受主杂质束缚的空穴的能量状态，记为EA。受主电离能量为ΔEA p型半导体 依靠价带空穴导电的半导体。 P型半导体 浅能级杂质 电离能小的杂质称为浅能级杂质。 所谓浅能级，是指施主能级靠近导带底，受主能级靠近价带顶。 室温下，掺杂浓度不很高的情况下，浅能级杂质几乎可以全部电离。 五价元素磷（P）、锑在硅、锗中是浅施主杂质 三价元素硼（B）、铝、镓、铟在硅、锗中为浅受主杂质。 浅能级杂质电离能比禁带宽度小得多，杂质种类对半导体的导电性影响很大。 在N型半导体中，电子浓度大于空穴浓度，电子称为多数载流子，空穴称为少数载流子。 在P型半导体中，空穴浓度大于电子浓度，空穴称为多数载流子，电子称为少数载流子。 施主杂质与受主杂质比较 1）杂质的带电性 ?未电离 ： ?电离后： 2）杂质能级的电子占据 ?未电离： ?电离后： 3）对载流子数的影响 ?掺入施主后： ?掺入受主后： 2.1.4 浅能级杂质电离能简单计算 类氢模型 氢原子中电子能量 n=1,2,3……，为主量子数，当n=1和无穷时 氢原子基态电子的电离能 考虑到1、正、负电荷处于介电常数ε=ε0εr的介质中 2、电子不在空间运动，而是处于晶格周期性势场中运动 施主杂质电离能 受主杂质电离能 估算结果与实际测量值有相同数量级 2.1.5杂质的补偿作用 假如半导体中，同时存在着施主和受主杂质，半导体是n型还是p型呢？ 这要看哪一种杂质浓度大，因为施主和受主杂质之间有互相抵消的作用 通常称为杂质的补偿作用 杂质的补偿作用 杂质的补偿作用 当NDNA时 ND-NA 为有效施主浓度 当NDNA时 NA-ND为有效受主浓度 当NDNA时 n= ND-NA ≈ ND，半导体是n型的 当NDNA时 p= NA-ND ≈ NA，半导体是p型的 当ND≈NA时 杂质的高度补偿 有效杂质浓度 补偿后半导体中的净杂质浓度。 杂质的补偿作用的应用 利用杂质的补偿作用，根据扩散或离子注入的方法来改变半导体某一区域的导电类型，制成各种器件。 在一块 n 型半导体基片的一侧掺入较高浓度的受主杂质，由于杂质的补偿作用，该区就成为ｐ型半导体。 2.1.6深能级杂质 非III、V族元素在硅、锗的禁带中产生的施主能级距离导带底和价带顶较远，形成深能级，称为深能级杂质。 特点 不容易电离，对载流子浓度影响不大 深能级杂质能够产生多次电离，每次电离均对应一个能级。 能起到复合中心作用，使少数载流子寿命降低 2.2 III-V族化合物中的杂质能级 III族元素：硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)、铊(Tl) V族元素：氮(N)、磷(P)、砷(As)、锑(Sb)、铋(Bi) 1、I族元素 一般在砷化镓