半导体低维物理讲义之二
刘恩科 半导体物理第二章 讲义
2.1.3.受主杂质 受主能级
空穴
B-
负电中心
Si中的受主杂质
13
受主能级和受主电离
束缚态
电离
离化态
Eg EA ΔEA
－
－
负电中心
(不能移动)
空穴（导电）
受主杂质能级EA : 被受主杂质束缚的空穴能量状态
注意：
1. 能带图中表示空穴的能量是越向下越高。
2. 受主电离实际是电子从价带跃迁到EA ，价带中产生导电空穴,
原子大小与基质原子接近， 且价电子壳层相近
7
2.1.2. 施主杂质 施主能级
剩余电子
可挣脱束缚在晶体中自
P＋
由运动
正电中心 (不能移动)
Si中的施主杂质
正电中心对剩余电子的束缚作用比共价键弱很多
8
类氢模型
Si
Si
Si
Si
Si
\
Si
P+
Si
Si
Si
Si
Si Si
9
施主杂质和施主能级
束缚态
ED ΔED Eg
EC 0.54
EA ED
0.29 0.35 EV
36
1、深能级杂质含量极少，且杂质能级深，室温
下不易电离，不显著影响 载流子浓度，但对载 流子的复合作用较强，常称这类杂质为复合中 心。制造高速开关器件时，有意掺入金以提高 器件速度。
2、采用深能级瞬态谱(Deep-level transient spectroscopy, DLTS)测量杂质的深能级
E0
=
E
∞－E1＝
m0q 4
8ε
2 0
h
2
＝13.6
(eV )
半导体物理第二章ppt课件
引进有效质量，半导体中的电子所受的外力与
加速的关系和牛顿第二定律类似。
3、引进有效质量的意义：
由
a= f
m
* n
可以看出有效质量概括了半导体内
部势场的作用，使得在解决半导体中电子在
外力作用下的运动规律时，可以不涉及半导
体内部势场的作用。
课堂练习：习题3（P58)
2.6.3 状态密度、态密度有效质量、电导有效质量
近出现了一些空的量子状态，在外电场的作用下， 停留在价带中的电子也能够起导电的作用，把价带 中这种导电作用等效于把这些空的量子状态看做带 正电荷的准粒子的导电作用，常称这些空的量子状 态为空穴
2.3.2 金属、半导体、绝缘体的能带
2.4 半导体的带隙结构
间接能隙结构—即价带的最高 点与导带的最低点处于K空间 的不同点
3、 测不准关系
当微观粒子处于某一状态时，它的力学量（坐 标、动量、能量等）一般不具有确定的数值。
如： p g xh 同 一 粒 子 不 可 能 同 时 确 定 其 坐 标 和 动 量
测不准原理告诉我们,对微观粒子运动状态分 析，需用统计的方法。
4、 波函数
波函数 r ,t 描述量子力学的状态
= hk m
h2k 2 E
2m
对于波矢为k的运动状态，自由电子的能量E和动
量P，速度v均有确定的数值，因此，波矢量 k可
用以描述自由电子的运动状态，不同的k值标致
自由电子的不同状态。
6、 单原子电子
电子的运动服从量子力学，处于一系列特定的 运动状态---量子态，要完全描述原子中的一个电 子的运动状态，需要四个量子数。
氧的电子组态表示的意思：第一主轨道上有两个电子 ，这两个电子的亚轨道为s，（第一亚层）；第二主轨 道有6个电子，其中有2个电子分布在s 亚（第一亚层） 轨道上，有4个电子分布在p亚轨道上（第二亚层）
半导体物理学 第二章_半导体中的杂质和缺陷PPT课件
浅能级
Ec
Ei
受主杂质 受主能级 Ev
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10
2、元素半导体的杂质
(1)VA族的替位杂质——施主杂质
在硅Si中掺入P
Si
Si
Si
磷原子替代硅原
子后，形成一个 正电中心P＋和一 个多余的价电子
Si
P+
Si
Si
Si
Si
束缚态—未电离 离化态—电离后
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（a）电离态 •
（b）中性施主态
a：间隙式杂质
特点：杂质原子一般较小，锂元素
b：替位式杂质
特点：杂质原子的大小与被替代的晶格原子大小 可以相比，价电子壳层结构比较相近，Ⅲ和Ⅴ族元 素在Si，Ge中都是替位式
单位体积中的杂质原子数称为杂质浓度
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6
A: 间隙式→杂质位于间隙
位置。
Si
Li：0.068nm
B:替位式→杂质占据格点 Si
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氢原子基态电子的电离能
E0EE18m 002qh42 1.36eV
考虑到正、负电荷处于介电常数 ε=ε0εr的介质中，且处于晶格形成的 周期性势场中运动，所以电子的惯性质 量要用有效质量代替
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类氢模型：计算束缚电子或空穴运动轨道
半径及电离能
运动轨道半径：
r
roh2 m * q2
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2、受主能级：举例： Si中掺硼B
价带空穴
电离受主 B-
过程：1.形成共价键时， 从Si 原子中夺取一个电子， Si 的共价键中产生一个空 穴；
2.当空穴挣脱硼离子的束 缚，形成固定不动的负电 中心B-
第二章 半导体物理基础2
1、硅、锗原子的简化模型
• 半导体元素：均为四价元素
半导体结构的描述
• 两种理论体系
– 共价键 结构 – 能级能带 结构
共价键结构（平面图）
2、半导体中的载流子
• 载流子(Carrier) 指半导体结构中获得运动能 量的带电粒子。 • 有温度环境就有载流子。 • 绝对零度（-2730C）时晶体中无自由电子。
• 其中 Pp≈Na（受主杂质浓度）Fra bibliotek得出结论
• 杂质半导体少子浓度 – 主要由本征激发（Ni2）决定的（和温度 有关） • 杂质半导体多子浓度 – 由搀杂浓度决定（是固定的）
2.1.4 半导体中的电流
• 半导体中有 两种电流 – 漂移电流 漂移电流(Drift Current) – 扩散电流(Diffusion Current) 扩散电流(Diffusion
§2.2 PN结与半导体二极管
• PN结是构成半导体器件的 核心结构 核心结构。 • PN结是指使用半导体工艺使N型和P型半导 体 结合处所形成的 特殊结构。 特殊结构 • PN结是半导体器件的 心脏。
2.2.1 PN结的形成
• PN结形成“三步曲 三步曲” 三步曲
（1）多数载流子的 扩散运动 扩散运动。 （2）空间电荷区和少数载流子的 漂移运动 漂移运动。 （3）扩散运动与漂移运动的 动态平衡 动态平衡。
其中 CTO ------外加电压 v=0 时的CT
n ----- 系数（决定于材料的杂质分布，一般取
Vr---- --1/2~1/3）。 PN结内建电压
势垒电容CT原理（图）
（2）扩散电容 CD 扩散电容
• PN结外加正向偏置时，引起 扩散 浓度梯度变化 出现的电容（电荷） 效应。
半导体物理学第二章
2.1.4浅能级杂质电离能的简单计算
•
氢原子
E0
m0q 4
2(4 0 )2 2
,
• 替换 mn* m0 , r 0 0
• 类氢杂质
ED
mn*q 4
2(4 r 0 )2 2
mn* E0
m0 r 2
E0=13.6eV(氢基态)， m0电子惯性质量，
r相对介电常数
• 氢原子玻尔轨道半径为 r0 hq22m00Å，0根.5据3杂 质类氢模型将 代替，r以0 代替0 ，可m得n* 杂
B
P型半导体
EA
受主能级
EC
EA EV
半导体的掺杂
• Ⅲ、Ⅴ族杂质在Si、Ge晶体中分别为受
主和施主杂质，它们在禁带中引入了能
级；受主能级比价带顶高
E
，施主能级
A
比导带底低 E D，均为浅能级，这两种
杂质称为浅能级杂质。
• 杂质处于两种状态：中性态和离化态。 当处于离化态时，施主杂质向导带提供 电子成为正电中心；受主杂质向价带提 供空穴成为负电中心。
2r1 3ar 3a
4
8
硅、锗晶体中的间隙
例：如图所示为一晶格常数为a的Si晶胞，求：
（a）Si原子半径
（b）晶胞中所有Si原子占据晶胞的百分比
解：（a）
r1(1 3a) 3a
24
8
（b）
84r3
3
3 0.34
a3
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间隙式杂质、替位式杂质
• 杂质原子位于晶格原子间的间隙位置， 该杂质称为间隙式杂质。
2.1.2施主杂质、施主能级
• 在纯硅中掺入5价的磷P，磷的5个价电子中的4个形成了 共价鍵，剩余一个价电子+多余一个正电荷中心P+。
半导体物理第2章
和硅、锗晶体一样，当杂质进入 III-V族化合物后，或者是处于晶格原 子间隙中的间隙式杂质，或者成为取
代晶格原子的替位式杂质，不过具体
情况比硅、锗更复杂。
1、I族元素
一般在砷化镓中引入受主能级。 如：锂。
2、II族元素
如：铍、镁、锌、镉、汞。 它们的价电子比III族元素少一个，有获得一个电子形 成共价键的倾向，表现为受主杂质，引入浅受主能级。 常用掺锌或镉以获得III-V族化合物的p型材料。
为施主杂质，并引入施主能级。
2.4 缺陷能级
缺陷的种类：
1. 点缺陷：空位、间隙原子等 2. 线缺陷：位错等 3. 面缺陷：层错、晶粒间界等 在半导体晶体中的作用：
受主 施主 深能级
2.4.1 点缺陷
点缺陷的种类：
•热缺陷 •偏离化学比缺陷 •替位原子
热缺陷：由于原子热运动所形成的缺陷
肖特基缺陷： 晶体中只有晶格原子空位 间隙原子缺陷：
只有间隙原子而无原子空位
弗仑克耳缺陷： 原子空位和间隙原子同时存在
A、空位
B、 填隙原子
Si Si Si
Si
Si
Si
Si
Si Si Si
热缺陷特点：
热缺陷的数目随温度升高而增加
热缺陷中以肖特基缺陷为主（即原子空位为主）。原 因：三种点缺陷中形成肖特基缺陷需要的能量最小。 （可参阅叶良修《半导体物理学》p24和p94） 淬火后可以“冻结”高温下形成的缺陷。 退火后可以消除大部分缺陷。半导体器件生产工艺中， 经高温加工（如扩散）后的晶片一般都需要进行退火 处理。离子注入形成的缺陷也用退火来消除。
施主杂质与受主杂质比较
1）杂质的带电性 •未电离 ： 均为电中性 •电离后：
《半导体》 讲义
《半导体》讲义一、什么是半导体在我们的日常生活中，半导体扮演着至关重要的角色。
从智能手机、电脑到汽车、家电，几乎所有的现代电子设备都离不开半导体。
那么，究竟什么是半导体呢？简单来说，半导体是一种导电性介于导体和绝缘体之间的材料。
导体，比如金属，具有良好的导电性，而绝缘体，如塑料、橡胶等，则几乎不导电。
半导体的独特之处在于，它的导电性可以通过控制杂质的含量和施加外部条件（如电场、光照、温度等）来改变。
常见的半导体材料有硅（Si）、锗（Ge）等。
其中，硅是目前应用最广泛的半导体材料，这是因为它在地球上的储量丰富，且具有良好的物理和化学性质。
二、半导体的特性半导体具有一些独特的特性，正是这些特性使得它们在电子领域得到了广泛的应用。
1、热敏特性半导体的电阻会随着温度的变化而发生显著的改变。
利用这一特性，可以制成热敏电阻，用于温度测量、温度控制等方面。
2、光敏特性在光照的作用下，半导体的导电性会增强。
基于这一特性，我们有了光电二极管、太阳能电池等器件。
3、掺杂特性通过向纯净的半导体中掺入少量的杂质元素，可以显著改变其导电性。
例如，在硅中掺入磷元素可以形成 N 型半导体，掺入硼元素则形成 P 型半导体。
三、半导体的制造工艺要将半导体材料制成可用的电子器件，需要经过一系列复杂的制造工艺。
1、晶圆制备首先，需要从硅矿石中提炼出高纯度的硅，并将其制成单晶硅锭。
然后，通过切割等工艺将硅锭加工成薄而圆的晶圆。
2、光刻这是半导体制造中非常关键的一步。
通过在晶圆表面涂上光刻胶，然后用紫外线透过掩膜版对光刻胶进行曝光，未曝光的光刻胶会被去除，从而在晶圆表面形成所需的图案。
3、蚀刻利用化学或物理方法，将未被光刻胶保护的部分去除，从而在晶圆上形成电路的微观结构。
4、掺杂通过离子注入等方法，向晶圆中掺入杂质，形成不同类型的半导体区域。
5、封装将制造好的芯片进行封装，以保护芯片并提供与外部电路的连接接口。
四、半导体在集成电路中的应用集成电路是半导体技术的重要应用领域。
西北大学 半导体物理 课件02
Part 1
第二章
第二章
2.1杂质和杂质能级
2.2缺陷及其作用
一、杂质的类型
一、杂质的类型杂质的类型
二、浅能级杂质
1.浅施主杂质
导带电子导电的半导体称为电子型或n型半导体。
二、浅能级杂质
2.浅受主杂质
把主要依靠空穴导电的半导体称为空穴半导体或P型半导体。
三、浅能级杂质电离能的计算—类氢模型
四、杂质的补偿作用
四、杂质的补偿作用
五、深能级杂质
五、深能级杂质著，但对载流子的复合作用比浅能级杂质强得多。
六、III-V族化合物中的杂质能级
一、点缺陷
一、点缺陷
1、空位、间隙的产生与消失
(b)缺陷。
一、点缺陷
二、线缺陷——位错。