半导体物理课件1-7章(第二章)

n NA ND ND（n型半导体）
基态（T=0K）
电离态 (T=300K)
B、弱补偿 NA ND 施主向受主能级发射电子，填充部分受主能级，
剩余的受主杂质向价带发射空穴。 若杂质全部电离，有效杂质浓度， p NA ND NA （P型半导体）
ED Ec EA E
C、高度补偿 NA ND
Ⅲ、Ⅴ族元素掺入Ⅳ族的Si或Ge中形成替位式杂质，用单 位体积中的杂质原子数，也就是杂质浓度来定量描述杂质 含量多少，单位为cm-3 。
★两种杂质特点：
•间隙式杂质：杂质原子小于晶体原子，如：锂离 子，0.068nm
•替位式杂质：
1）杂质原子的大小与被取代的晶格原子的大小比 较相近
2）价电子壳层结构比较相近，如：III、V族元素 在硅、锗中均为替位式杂质
故
ED
mn* m0
E0
2 r
0.12 13.6 162
0.00637eV
对于Si，ml＝0.98m0 , mt =0.19m0, r =12 代入可得mn* 0.26m0
故
ED
mn* m0
E0
2 r
0.26 13.6 122
0.025eV
•Si、Ge和GaAs的能带结构 •第二章、硅和锗中的杂质能级 •杂质的种类：间隙式/替位式 •施主/受主杂质、施主/受主能级 •n型半导体/p型半导体
存在着各种形式的缺陷，点缺陷，线缺陷，面缺 陷；
极微量的杂质和缺陷，会对半导体材料的物 理性质和化学性质产生决定性的影响，同时 也严重影响半导体器件的质量。
1个B原子/105个Si原子，在室温下电导率提 高 103 倍
Si单晶器件的位错密度要求低于 103cm2
1、杂质和缺陷破坏周期场，在杂质或缺陷周 围引起局部性的量子态——对应的能级常常处 在禁带中，对半导体的性质起着决定性的影响。 2、杂质电离提供载流子。
(3)、III族元素和V族元素 III族、V族元素掺入不是由其本身形成的III-V
族化合物半导体时，III族原子替代III族格点原子， V族原子替代V族格点原子，一般为电中性态，不产 生杂质能级。
★等电子杂质效应： 杂质原子替代同族原子（等电子杂质）后，再
俘获电子或空穴带电，称为等电子效应，形成的 带（负/正）电中心称为等电子陷阱。
半导体物理
一．半导体中的电子状态 二．半导体中杂质和缺陷能级 三．半导体中载流子的统计分布 四．半导体的导电性 五．非平衡载流子 六．pn结 七．金属和半导体的接触 八．半导体表面与MIS结构
第2章、半导体中杂质和缺陷能级
★理想状ห้องสมุดไป่ตู้下
1、原子严格地周期性排列，晶体具有完整的晶格 结构。
2、晶体中无杂质，无缺陷。 3、电子在周期场中作共有化运动，形成允带和禁
• 被施主杂质束缚的电子（●）能量状态称为施主能级，ED。 • 使多余的价电子挣脱束缚成为导电电子所需要的最小能量称为 施主电离能，施主电离能为ΔED • 施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子，同时向导 带提供更多电子，形成电子导电的n型半导体。
施主杂质的电离能小，在常温下基本上电离
含有施主杂质的半导体，其导电的载流子主要 是电子——N型半导体，或电子型半导体
带——电子能量只能处在允带中的能级上，禁 带中无能级。由本征激发提供载流子
本征半导体——晶体具有完整的（完美的）晶 格结构，无任何杂质和缺陷。
★实际情况
• 实际半导体中原子并不是静止在具有严格周期性 的晶格位置上，而是在平衡位置附近的热振动；
• 实际半导体并不是纯净的，而是含有杂质的； • 实际的半导体晶格结构并不是完整无缺的，而是
Ec
Ec
ED
ED
EA
EA
E
E
施主释放的电子基本全部填充受主能级，导带电子
浓度和价带空穴浓度很低。
有效杂质浓度，N NA ND 0 ,为赝本征半导体。
利用杂质补偿，通过半导体工艺，选择性改变半导体 芯片局部区域导电类型或导电能力，制作半导体器件。
2.1.6 深能级杂质
深能级杂质：非Ⅲ、Ⅴ族杂质在Si、Ge的禁带 中产生的施主能级远离导带底，受主能级远离 价带顶。
Ga
Ga
P
Ga
Zn、O原子处于相邻格点时， Zn-O络合物俘获电子带负电， 称为等电子络合物。
Ga
O替代Ｐ
负电性：P=2.1，O=3.5，Zn=1.6，Ga=1.6，As=2.0
(4)、IV族元素碳、硅、锗、锡、铅
例、GaAs掺杂Si
Si
Si As
Ga
Ⅳ族杂质. 既可以取代Ⅲ族晶格原子起施主作用，又 可以取代Ⅴ族晶格原子起受主作用。硅、锗和锡在砷 化镓中，硅在磷化镓中均表现出这种双性行为。
★杂质原子的空间位置：
Ⅲ族或V族原子
Ⅲ族或V族原子
杂质原子
T
替位式
间隙式
★相关实验结果（以GaAs为例）：
(1)、I族元素 I族元素（Au，Ag，Cu，Li等），一般在砷化
镓中引入受主能级，起受主作用。
(2)、II族元素 II族元素（Be，Mg，Zn，Cd）比III族镓原子
少1个价电子，倾向替位取代镓原子，获得一个电 子形成共价键，产生浅受主能级(电离能较小)，所 以II族元素是III-V族化合物半导体的P型掺杂剂。
2、一般会产生多重能级，甚至既产生施主能级 也产生受主能级。
3、能级位置利于促进载流子的复合，其复合作 用比浅能级杂质强，使少数载流子寿命降低， 称这些杂质为复合中心杂质。（在第五章详 细讨论）。
4、深能级杂质电离后对载流子起散射作用，使 载流子迁移率减少，导电性能下降。
2.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的杂质
EA
E
★多能级杂质：
杂质多次电离，每次电离相应一个能级，称为 多能级杂质。
EA3
Ec
EA2
Ei
EA1
E
★双性杂质：
同种杂质在同一半导体的晶格位置上，既可释放电子 形成施主能级，又可接受电子形成受主能级。
EA3
Ec
EA2
Ei
EA1
ED E
★深能级的形成： •Ⅵ族杂质： 两个价电子被两个正电荷的杂质中心 束缚，类似于一个氦原子，其每个电子平均受到大 于一电子电荷的正电中心的作用，从而深能级杂质 的电离能比浅能级杂质要大。Ⅵ族杂质在硅锗中一 般产生两重甚至多重施主能级，如：锗中的硒、碲, 各产生两个受主能级。
束缚空穴 B-
B-
这时B原子就成为多了一个价电子的磷离子B－（●），它是 一个不能移动的负电中心。 空穴束缚在负电中心B－的周围。空穴只要很少能量就可挣脱 束缚，成为导电空穴在晶格中自由运动
受主杂质释放空穴的过程称为受主电离 使空穴（〇），挣脱束缚成为导电空穴（〇）所需要 的最小能量称为受主电离能，记为ΔEA 空穴被受主杂质束缚时的能量状态称为受主能级，EA
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。
2.1.3 受主杂质、受主能级
★以硅中掺硼B为例：（替位式） B原子占据硅原子的位置。硼原子有三个价电子。与周围的 四个硅原于形成共价键时还缺一个电子，就从别处夺取价电子， 这就在Si形成了一个空穴。
En
m0q4
2(40 )2
2n2
E0 E E1 13.6V
施主杂质电离能表示为
电子有效质量
1 ＝1[ 1 2 ] mn* 3 ml mt
ED
mn*q4
32
2
02
2 r
2
mn* m0
E0
r2
ml , mt分别表示纵向和横向有效质量
对于Ge，ml＝1.64m0 , mt =0.0819m0, r =16 代入可得mn* 0.12m0
•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（Sb）在 硅、锗中是浅受主杂质，三价元素硼（B）、铝 （Al）、镓（Ga）、铟（In）在硅、锗中为浅受主 杂质。
2.1.4 浅能级杂质电离能的简单计算
•★利用类氢原子模型，以锗、硅为例，计算施主杂 质电离能
解：氢原子基态电离能
•Ⅱ族杂质：与Ⅵ族杂质情况类似，可以产生两重或 者多重受主能级。如：铍、锌、汞在锗中，产生两 个受主能级，镉在锗中产生两个施主能级，在硅中 产生4个受主能级。
•Ⅰ族杂质. 一方面可以失去唯一价电子产生 一个施主能级，另一方面也能依次接受三个 电子与周围四个近邻原子形成共价键，相应 产生三个由浅到深的受主深能级。
•原则上Ⅰ族杂质能产生三重受主能级，但是 较深的受主能级有可能处于允带之中，某些 Ⅰ族杂质受主能级少于三个。
★金在锗半导体的能级：
电中性的金原子的一个价电子可以电离释放到导带，形 成施主能级ED,形成带一个正电荷单重电离的金离子；
中性金原子与周围四个锗原子形成共价键，还可以依次 由价带再接受三个电子，形成EA1，EA2，EA3三个受主能级，由 于电子之间存在库伦斥力相互作用， EA1>EA2>EA3
2.1.5 杂质的补偿作用
杂质补偿：半导体中存在施主杂质和受主杂质 时，它们的共同作用会使载流子减少，这种作 用称为杂质补偿。在制造半导体器件的过程中， 通过采用杂质补偿的方法来改变半导体某个区 域的导电类型或电阻率。 杂质补偿的种类： 弱补偿： 高度补偿：
A、弱补偿 ND NA
施主释放的电子填满全部受主能级，余下的电 子跃迁到导带。若杂质全部电离，半导体有效杂 质浓度，
杂质电离能大，能够产生多次电离，每次 电离都对应着一个特定的能级。在禁带中引入 多个能级。
具有两重性，既能电离提供电子又能电离 提供空穴，所以既能引入施主能级又能引入受 主能级。