簡介:第二章半導體中的雜質(zhì)和缺陷,理想半導體1、原子嚴格周期性排列,具有完整的晶格結構。2、晶體中無雜質(zhì),無缺陷。3、電子在周期場中作共有化運動,形成允帶和禁帶電子能量只能處在允帶中的能級上,禁帶中無能級。?本征半導體晶體具有完整的(完美的)晶格結構,無任何雜質(zhì)和缺陷。由本征激發(fā)提供載流子。,實際半導體,實際半導體中原子并不是靜止在具有嚴格周期性的晶格位置上,而是在其平衡位置附近振動;實際半導體并不是純凈的,而是含有雜質(zhì)的;實際的半導體晶格結構并不是完整無缺的,而是存在著各種形式的缺陷,點缺陷,線缺陷,面缺陷;,雜質(zhì)和缺陷可在禁帶中引入能級,從而對半導體的性質(zhì)產(chǎn)生了決定性的作用,主要內(nèi)容,,1淺能級雜質(zhì)能級和雜質(zhì)電離;2淺能級雜質(zhì)電離能的計算;3雜質(zhì)補償作用4深能級雜質(zhì)的特點和作用,1、等電子雜質(zhì);2、Ⅳ族元素起兩性雜質(zhì)作用,§21元素半導體中的雜質(zhì)能級,§23缺陷能級,§22化合物半導體中的雜質(zhì)能級,點缺陷對半導體性能的影響,§21SI、GE晶體中的雜質(zhì)能級1、雜質(zhì)與雜質(zhì)能級雜質(zhì)半導體中存在的與本體元素不同的其它元素。,雜質(zhì)的來源,{,有意摻入無意摻入,根據(jù)雜質(zhì)在能級中的位置不同,{,替位式是雜質(zhì)間隙式雜質(zhì),在金剛石型晶體中,晶胞中原子的體積百分數(shù)為34,說明還有66是空隙。SI中的雜質(zhì)有兩種存在方式,A間隙式雜質(zhì)特點雜質(zhì)原子一般較小,鋰元素B替位式雜質(zhì)特點雜質(zhì)原子的大小與被替代的晶格原子大小可以相比,價電子殼層結構比較相近,Ⅲ和Ⅴ族元素在SI,GE中都是替位式,以硅為例說明,單位體積中的雜質(zhì)原子數(shù)稱為雜質(zhì)濃度,B替位式→雜質(zhì)占據(jù)格點位置。大小接近、電子殼層結構相近,SIR0117NMBR0089NMPR011NM,LI0068NM,A間隙式→雜質(zhì)位于間隙位置。,LI,N型半導體,P型半導體,復合中心,陷阱,,,,,,,雜質(zhì)分類,淺能級雜質(zhì),深能級雜質(zhì),雜質(zhì)能級位于禁帶中,淺能級,淺能級,1VA族的替位雜質(zhì)施主雜質(zhì),在硅SI中摻入P,,,磷原子替代硅原子后,形成一個正電中心P+和一個多余的價電子,束縛態(tài)未電離離化態(tài)電離后,2、元素半導體的雜質(zhì),(A)電離態(tài)(B)中性施主態(tài),,過程1形成共價鍵后存在正電中心P;2多余的一個電子掙脫束縛,在晶格中自由動;雜質(zhì)電離3P成為不能移動的正電中心;,雜質(zhì)電離,雜質(zhì)電離能,施主雜質(zhì)(N型雜質(zhì)),施主能級,電離的結果導帶中的電子數(shù)增加了,這即是摻施主的意義所在。,1施主處于束縛態(tài),2施主電離3施主電離后處于離化態(tài),能帶圖中施主雜質(zhì)電離的過程,電離時,P原子能夠提供導電電子并形成正電中心,施主雜質(zhì)。,施主雜質(zhì)施主能級,被施主雜質(zhì)束縛的電子的能量比導帶底EC低,稱為施主能級,ED。施主雜質(zhì)少,原子間相互作用可以忽略,施主能級是具有相同能量的孤立能級.,ED,施主濃度ND,,施主電離能△ED弱束縛的電子擺脫雜質(zhì)原子束縛成為晶格中自由運動的電子(導帶中的電子)所需要的能量,,EC,,ED,,△EDEC-ED,施主電離能,,EV,,,束縛態(tài),離化態(tài),,施主雜質(zhì)的電離能小,在常溫下基本上電離。,含有施主雜質(zhì)的半導體,其導電的載流子主要是電子N型半導體,或電子型半導體,定義,施主雜質(zhì)V族元素在硅、鍺中電離時能夠釋放電子而產(chǎn)生導電電子并形成正電中心,稱此類雜質(zhì)為施主雜質(zhì)或N型雜質(zhì)。施主電離施主雜質(zhì)釋放電子的過程。施主能級被施主雜質(zhì)束縛的電子的能量狀態(tài),記為ED,施主電離能量為ΔED。N型半導體依靠導帶電子導電的半導體。,3、受主能級舉例SI中摻硼B(yǎng),在SI單晶中,Ⅲ族受主替位雜質(zhì)兩種電荷狀態(tài)的價鍵(A)電離態(tài)(B)中性受主態(tài),,價帶空穴電離受主B,2、受主能級舉例SI中摻硼B(yǎng),過程1形成共價鍵時,從SI原子中奪取一個電子,SI的共價鍵中產(chǎn)生一個空穴;2當空穴掙脫硼離子的束縛,形成固定不動的負電中心B,受主電離,受主電離能,受主雜質(zhì)(P型雜質(zhì)),受主能級,電離的結果價帶中的空穴數(shù)增加了,這即是摻受主的意義所在,1受主處于束縛態(tài),2,受主電離3,受主電離后處于離化態(tài),能帶圖中受主雜質(zhì)電離的過程,在SI中摻入B,B具有得到電子的性質(zhì),這類雜質(zhì)稱為受主雜質(zhì)。受主雜質(zhì)向價帶提供空穴。,B獲得一個電子變成負離子,成為負電中心,周圍產(chǎn)生帶正電的空穴。,B-,,,,,,,,,,,+,B-,EA,受主濃度NA,受主電離能和受主能級,受主電離能△EA空穴擺脫受主雜質(zhì)束縛成為導電空穴所需要的能量,,,束縛態(tài),離化態(tài),,,受主雜質(zhì)的電離能小,在常溫下基本上為價帶電離的電子所占據(jù)空穴由受主能級向價帶激發(fā)。,含有受主雜質(zhì)的半導體,其導電的載流子主要是空穴P型半導體,或空穴型半導體。,定義,受主雜質(zhì)III族元素在硅、鍺中電離時能夠接受電子而產(chǎn)生導電空穴并形成負電中心,稱此類雜質(zhì)為受主雜質(zhì)或P型雜質(zhì)。受主電離受主雜質(zhì)釋放空穴的過程。受主能級被受主雜質(zhì)束縛的空穴的能量狀態(tài),記為EA。受主電離能量為ΔEAP型半導體依靠價帶空穴導電的半導體。,施主和受主濃度ND、NA,施主DONOR,摻入半導體的雜質(zhì)原子向半導體中提供導電的電子,并成為帶正電的離子。如SI中摻的P和AS受主ACCEPTOR,摻入半導體的雜質(zhì)原子向半導體提供導電的空穴,并成為帶負電的離子。如SI中摻的B,小結,,,,等電子雜質(zhì),N型半導體特征,A施主雜質(zhì)電離,導帶中出現(xiàn)施主提供的導電電子,B電子濃度N〉空穴濃度P,P型半導體特征,A受主雜質(zhì)電離,價帶中出現(xiàn)受主提供的導電空穴,B空穴濃度P〉電子濃度N,N型和P型半導體都稱為極性半導體,P型半導體價帶空穴數(shù)由受主決定,半導體導電的載流子主要是空穴??昭槎嘧?,電子為少子。,N型半導體導帶電子數(shù)由施主決定,半導體導電的載流子主要是電子。電子為多子,空穴為少子。,多子多數(shù)載流子少子少數(shù)載流子,雜質(zhì)向導帶和價帶提供電子和空穴的過程(電子從施主能級向導帶的躍遷或空穴從受主能級向價帶的躍遷)稱為雜質(zhì)電離或雜質(zhì)激發(fā)。具有雜質(zhì)激發(fā)的半導體稱為雜質(zhì)半導體,雜質(zhì)激發(fā),3雜質(zhì)半導體,電子從價帶直接向導帶激發(fā),成為導帶的自由電子,這種激發(fā)稱為本征激發(fā)。只有本征激發(fā)的半導體稱為本征半導體。,本征激發(fā),N型和P型半導體都是雜質(zhì)半導體,施主向導帶提供的載流子1016~1017/CM3本征載流子濃度,雜質(zhì)半導體中雜質(zhì)載流子濃度遠高于本征載流子濃度,SI的原子濃度為1022~1023/CM3,摻入P的濃度/SI原子的濃度106,例如SI在室溫下,本征載流子濃度為1010/CM3,,上述雜質(zhì)的特點,施主雜質(zhì),受主雜質(zhì),,淺能級雜質(zhì),雜質(zhì)的雙重作用,改變半導體的導電性決定半導體的導電類型,雜質(zhì)能級在禁帶中的位置,4淺能級雜質(zhì)電離能的簡單計算,淺能級雜質(zhì)雜質(zhì)離子束縛電子(空穴),類氫模型,玻爾原子電子的運動軌道半徑為,N1為基態(tài)電子的運動軌跡,玻爾能級,玻爾原子模型,類氫模型氫原子中電子能量N1,2,3,為主量子數(shù),當N1和無窮時,,氫原子基態(tài)電子的電離能考慮到正、負電荷處于介電常數(shù)ΕΕ0ΕR的介質(zhì)中,且處于晶格形成的周期性勢場中運動,所以電子的慣性質(zhì)量要用有效質(zhì)量代替,,類氫模型計算束縛電子或空穴運動軌道半徑及電離能,運動軌道半徑,電離能,施主雜質(zhì)電離能受主雜質(zhì)電離能,,,對于SI中的P原子,剩余電子的運動半徑約為244?,SIA54?,剩余電子本質(zhì)上是在晶體中運動,SIR117?,施主能級靠近導帶底部,對于SI、GE摻P,估算結果與實測值有相同的數(shù)量級,對于SI、GE摻B,5雜質(zhì)的補償作用,1ND>NA,半導體中同時存在施主和受主雜質(zhì),施主和受主之間有互相抵消的作用,此時半導體為N型半導體,,有效施主濃度NNDNA,EA,2NDNA時NNDNA≈ND,半導體是N型的當NDNA時PNAND≈NA,半導體是P型的當ND≈NA時補償半導體有效雜質(zhì)濃度補償后半導體中的凈雜質(zhì)濃度。,6深雜質(zhì)能級,根據(jù)雜質(zhì)能級在禁帶中的位置,雜質(zhì)分為,淺能級雜質(zhì)→能級接近導帶底EC或價帶頂EV,電離能很小,深能級雜質(zhì)→能級遠離導帶底EC或價帶頂EV,電離能較大,,EC,,ED,,EV,,EA,,,EG,,EC,,EA,,EV,,ED,,,,,EG,,,,,深能級雜質(zhì),非III、V族元素(52頁圖28/9)特點多為替位式雜質(zhì)硅、鍺的禁帶中產(chǎn)生的施主能級距離導帶底和價帶頂較遠,形成深能級,稱為深能級雜質(zhì)。深能級雜質(zhì)能夠產(chǎn)生多次電離,每次電離均對應一個能級。有的雜質(zhì)既能引入施主能級,又能引入受主能級。,例1AU(Ⅰ族)在GE中,AU在GE中共有五種可能的狀態(tài)(1)AU;(2)AU0;(3)AU一;(4)AU二;(5)AU三。,在GE中摻AU可產(chǎn)生3個受主能級,1個施主能級,,,AU,GE,GE,GE,GE,,AU,AU0,AU,AU2,AU3,1AU失去一個電子施主,,,AU+,,,,,,,EC,EV,,ED,EDEV004EV,,,EC,EV,,ED,,EA1,,,AU-,,,,,,,2AU獲得一個電子受主,EA1EV015EV,3AU獲得第二個電子,,,EC,EV,,ED,,EA1,,,AU2-,,,,,,,EA2EC02EV,,EA2,,4AU獲得第三個電子,,,EC,EV,,ED,,EA1,EA3EC004EV,,EA2,,EA3,,,AU3-,,,,,,,,,深能級雜質(zhì)特點不容易電離,對載流子濃度影響不大;一般會產(chǎn)生多重能級,甚至既產(chǎn)生施主能級也產(chǎn)生受主能級。能起到復合中心作用,使少數(shù)載流子壽命降低。,§22化合物半導體中的雜質(zhì)能級,Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體中的雜質(zhì),理想的GAAS晶格價鍵結構含有離子鍵成分的共價鍵結構,,,,,,,GA,AS,GA,GA,AS,GA,AS,GA,AS,,,施主雜質(zhì)替代Ⅴ族元素,受主雜質(zhì)替代III族元素,,,,兩性雜質(zhì)III、Ⅴ族元素,等電子雜質(zhì)同族原子取代,●等電子雜質(zhì),等電子雜質(zhì)是與基質(zhì)晶體原子具有同數(shù)量價電子的雜質(zhì)原子.替代了同族原子后,基本仍是電中性的。但是由于共價半徑和電負性不同,它們能俘獲某種載流子而成為帶電中心。帶電中心稱為等電子陷阱。,例如,N取代GAP中的P而成為負電中心,電子陷阱,空穴陷阱,●束縛激子,等電子陷阱俘獲一種符號的載流子后,又因帶電中心的庫侖作用又俘獲另一種帶電符號的載流子,形成束縛激子。,●兩性雜質(zhì),舉例GAAS中摻SI(Ⅳ族)GAⅢ族ASⅤ族SIGA施主兩性雜質(zhì)SIAS受主,,,兩性雜質(zhì)在化合物半導體中,某種雜質(zhì)在其中既可以作施主又可以作受主,這種雜質(zhì)稱為兩性雜質(zhì)。,§23氮化鎵、氮化鋁、碳化硅中的雜質(zhì)能級,點缺陷空位、間隙原子線缺陷位錯面缺陷層錯、晶界,1、缺陷的類型,§24缺陷能級,2元素半導體中的缺陷,1空位,原子的空位起受主作用。,2填隙,SI,間隙原子缺陷起施主作用,●反結構缺陷GAAS受主ASGA施主,3GAAS晶體中的點缺陷,●空位VGA、VASVGA受主VAS施主,●間隙原子GAI、ASIGAI施主ASI受主,E,4Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體的缺陷,Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體離子鍵結構,A負離子空位,產(chǎn)生正電中心,起施主作用,,,電負性小,,B正離子填隙,產(chǎn)生正電中心,起施主作用,,,,,,產(chǎn)生負電中心,起受主作用,,C正離子空位,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,電負性大,,產(chǎn)生負電中心,起受主作用,D負離子填隙,,,,,,負離子空位,產(chǎn)生正電中心,起施主作用,正離子填隙,,正離子空位,負離子填隙,,產(chǎn)生負電中心,起受主作用,第二章半導體中的雜質(zhì)和缺陷能級1什么叫淺能級雜質(zhì)它們電離后有何特點2什么叫施主什么叫施主電離施主電離前后有何特征試舉例說明之,并用能帶圖表征出N型半導體。3什么叫受主什么叫受主電離受主電離前后有何特征試舉例說明之,并用能帶圖表征出P型半導體。4摻雜半導體與本征半導體之間有何差異試舉例說明摻雜對半導體的導電性能的影響。5兩性雜質(zhì)和其它雜質(zhì)有何異同6深能級雜質(zhì)和淺能級雜質(zhì)對半導體有何影響7何謂雜質(zhì)補償雜質(zhì)補償?shù)囊饬x何在,1、解淺能級雜質(zhì)是指其雜質(zhì)電離能遠小于本征半導體的禁帶寬度的雜質(zhì)。它們電離后將成為帶正電(電離施主)或帶負電(電離受主)的離子,并同時向導帶提供電子或向價帶提供空穴。2、解半導體中摻入施主雜質(zhì)后,施主電離后將成為帶正電離子,并同時向導帶提供電子,這種雜質(zhì)就叫施主。施主電離成為帶正電離子(中心)的過程就叫施主電離。施主電離前不帶電,電離后帶正電。例如,在SI中摻P,P為Ⅴ族元素。本征半導體SI為Ⅳ族元素,P摻入SI中后,P的最外層電子有四個與SI的最外層四個電子配對成為共價電子,而P的第五個外層電子將受到熱激發(fā)掙脫原子實的束縛進入導帶成為自由電子。這個過程就是施主電離。,3、解半導體中摻入受主雜質(zhì)后,受主電離后將成為帶負電的離子,并同時向價帶提供空穴,這種雜質(zhì)就叫受主。受主電離成為帶負電的離子(中心)的過程就叫受主電離。受主電離前帶不帶電,電離后帶負電。例如,在SI中摻B,B為Ⅲ族元素,而本征半導體SI為Ⅳ族元素,P摻入B中后,B的最外層三個電子與SI的最外層四個電子配對成為共價電子,而B傾向于接受一個由價帶熱激發(fā)的電子。這個過程就是受主電離。,4、解在純凈的半導體中摻入雜質(zhì)后,可以控制半導體的導電特性。摻雜半導體又分為N型半導體和P型半導體。例如,在常溫情況下,本征SI中的電子濃度和空穴濃度均為15X1010CM3。當在SI中摻入10X1016CM3的P后,半導體中的電子濃度將變?yōu)?0X1016CM3,而空穴濃度將近似為225X104CM3。半導體中的多數(shù)載流子是電子,而少數(shù)載流子是空穴。5、解兩性雜質(zhì)是指在半導體中既可作施主又可作受主的雜質(zhì)。如ⅢⅤ族GAAS中摻Ⅳ族SI如果SI替位Ⅲ族AS,則SI為施主;如果SI替位Ⅴ族GA,則SI為受主。所摻入的雜質(zhì)具體是起施主還是受主與工藝有關。6、解深能級雜質(zhì)在半導體中起復合中心或陷阱的作用。淺能級雜質(zhì)在半導體中起施主或受主的作用。7、當半導體中既有施主又有受主時,施主和受主將先互相抵消,剩余的雜質(zhì)最后電離,這就是雜質(zhì)補償。利用雜質(zhì)補償效應,可以根據(jù)需要改變半導體中某個區(qū)域的導電類型,制造各種器件。,第二章習題,1P64習題72設計一個實驗首先將一塊本征半導體變成N型半導體,然后再設法使它變成P型半導體。,
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上傳時間:2024-01-06
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