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1、,第二章,半导体中杂质和缺陷能级,、杂质的类型,杂质：半导体中存在的与本体元素不同的其它元素。杂质在半导体中的分布状况（1）替位式杂质：杂质原子与被替代的晶格原子的大小比较相近，而且其价电子层结构也比较相近（2）间隙式杂质：通常这种杂质的原子半径是比较小的（3）杂质浓度：单位体积中的杂质原子数,举例：Si中掺磷P（Si：P）,2.1.2 施主杂质、施主能级,施主杂质对半导体材料提供导电电子的杂质,称为施主杂质或者N型杂质,杂质电离价电子脱离杂质原子成为自由电子的过程称为杂质电离。,2.1.2 施主杂质、施主能级,在Si单晶中，V族施主替位杂质两种荷电状态的价键图（a）电离态（b）中性施主态,杂
2、质电离能：是使被俘获的电子摆脱束缚，从而可以成为导电电子所需的能量ED=EC-ED,ED=EC-ED,EC,ED,EV,施主能级：将被施主杂质束缚的电子的能量状态称为施主能级电子浓度n0空穴浓度p0,2.1.3 受主杂质、受主能级,举例：Si中掺硼B（Si：B）,受主杂质B在晶体中而产生导电空穴，被称为受主杂质或者P型杂质,杂质电离受主杂质接受一个电子，在晶体中产生一个空穴的过程，称为杂质电离。,在Si单晶中，族受主替位杂质两种荷电状态的价键图（a）电离态（b）中性受主态,EA=EA-EV,空穴浓度p0电子浓度n0,受主能级：把被受主杂质所束缚的空穴的能量状态称为受主能级。,受主电离能：是使被
3、俘获的空摆脱束缚，从而可以参与传导电流所需的能量EA=EA-EV,杂 质 半 导 体,1、n 型半导体：特征：a、施主杂质电离，导带中出现施主提供的电子 b、电子浓度n空穴浓度p2、p 型半导体：特征：a、受主杂质电离，价带中出现受主提供的空穴 b、空穴浓度p电子浓度n,杂质能级位于禁带之中,Ec 杂质能级 Ev,上述杂质的特点：施主电离能ED Eg受主电离能 EA Eg,浅能级杂质,杂质的双重作用：1、改变半导体的电阻率 2、决定半导体的导电类型,即：杂质在半导体禁带中产生的能级距带边较近,2.1.4 浅能级杂质电离能的简单计算,（1）用类氢原子模型估算浅能级杂质的电离能,浅能级杂质=杂质离
4、子+束缚电子（空穴）,（2）氢原子基态电子的电离能,氢原子电子满足：,解得电子能量：,氢原子基态能量：,氢原子的电离能：,故基态电子的电离能：,2.1.4 浅能级杂质电离能的简单计算,正、负电荷所处介质：,估算结果与实际测 量值有相同数量级,Ge：ED 0.0064 eVSi:ED 0.025 eV,2.1.5、杂 质 的 补 偿 作 用,1、本征激发与本征半导体（1）本征激发：在纯净半导体中，载流子的产生必须依靠价带中的电子激发到导带，它的特点是每产生一个导带电子就相应在价带中产生一个空穴，即电子和空穴是成对产生的。这种激发称为本征激发。,即：n0=p0=ni（ni为本征载流子浓度）,（2）
5、本征半导体：不含杂质的半导体就是 本征半导体。ni=ni（T）,电子浓度,空穴浓度,n0=p0=ni,在室温（RT=300K）下：ni（Ge）2.41013cm-3 ni（Si）1.51010cm-3 ni（GaAs）1.6106cm-3,ni本征载流子浓度,（3）n型半导体与p型半导体,(A)如施主浓度NDni n型半导体,(B)如受主浓度NAni p型半导体,当半导体中掺入一定量的浅施主或浅受主时，因其离化能ED或 EA很小（RT下的kT=0.026eV）,所以它们基本上都处于离化态。,UESTC Nuo Liu,(4)杂质的补偿,既掺有施主又掺有受主,（A）ND(施主浓度）NA（受主浓度
6、）时,所以：有效的施主浓度 ND*=ND-NAni,因 EA 在 ED 之下，ED上的束缚电子首先填充EA上的空位，即施主与受主先相互“抵消”，剩余的束缚电子再电离到导带上。,补偿半导体,n型半导体,ED,EA,（B）NAND时,ED,EA,所以：有效的受主浓度 ND*=ND-NAni,p型半导体,因 EA 在 ED 之下，ED上的束缚电子首先填充EA上的空位，即施主与受主先相互“抵消”，剩余的束缚空穴再电离到价带上。,（C）NAND时,杂质的高度补偿,就实际而言：半导体的最重要的性质之一，就是能够利用施主和受主杂质两种杂质进行参杂，并利用杂质的补偿作用，根据人们的需要改变半导体中某一区域的导
7、电类型，以制成各种器件。,UESTC Nuo Liu,2.1.6 深能级杂质,（1）浅能级杂质,（2）深能级杂质E DEgEAEg,EA,E D,E D,EA,Ec,Ec,Ev,Ev,EDEg,EAEg,杂质在半导体禁带中产生的能级距带边较远,深能级杂质的特征,1、浅能级施主能级靠近导带，浅能级受主能级靠近价带；深能级施主则主要位于禁带中线下，深能级受主主要位于禁带中线上。,例1：Au（族）在Ge中,Au在Ge中共有五种可能的状态：（1）Au+；（2）Au0（3）Au一（4）Au二（5）Au三。,2、多重能级特性：一些深能级杂质产生多次电离，导致多重能级特性。,（1）Au+：Au0 e Au+
8、,E,Eg,EC,EV,ED,失去唯一的价电子，产生施主能级ED。,（2）Au一：Au0+e Au一,EA1,Au接受一个电子后变成Au-，产生受主能级EA1,（3）Au二：Au一+e Au二,Au接受两个电子后变成Au=，产生受主能级EA2,（4）Au三：Au二+e Au三,Au接受三个电子后变成Au三，产生受主能级EA3,Au在Si中既可作施主，又可作受主，称为两性杂质；如果在Si中掺入Au的同时又掺入浅受主杂质，Au呈施主作用；反之，若同时掺入施主杂质，则Au呈受主作用。,EC,EV,EA,ED,由于电子间的库仑排斥力的作用，Au从价带接受第二个电子所需的电离能比接受第一个电子时要大，接
9、受第三个对比第二个大，所以EA3EA2EA1。深能级杂质在半导体中以替位式的形态存在，一般情况下含量极少，它们对半导体中的导电电子浓度，导电空穴浓度和材料的导电类型的影响没有浅能级杂质显著，但对载流子的复合作用比浅能级杂质强得多。,2.4-族化合物中德尔杂质能级,（1）等电子杂质特征：a、与本征元素同族但不同原子序数 例：GaP中掺入族的N或Bi b、以替位形式存在于晶体中，基本上 是电中性的。,（2）等电子陷阱,等电子杂质（如N）占据本征原子位置（如GaAsP中的P位置）后，即,存在着由核心力引起的短程作用力，它们可以吸引一个导带电子（空穴）而变成负（正）离子，前者就是电子陷阱，后者就是空穴
10、陷阱。,N,NP,(3)束缚激子,例：GaP：N NP+e NP-（等电子陷阱）之后 NP-+h NP-+h 束缚激子 即等电子陷阱俘获一种符号的载流子后，又因带电中心的库仑作用又俘获另一种带电符号的载流子，这就是束缚激子。,(4)两性杂质,举例：GaAs中掺Si（族）Ga：族 As：族,两性杂质：在化合物半导体中，某种杂质在其 中既可以作施主又可以作受主，这 种杂质称为两性杂质。,Si Ga,受主,SiAs,施主,两性杂质,2.4 缺 陷 能 级,2.4.1 点缺陷,空位：指本体原子缺位；间隙：指不应有原子的地方加入了一个原子,1、空位、间隙的产生与消失,（1）由体内产生：在较高温度下，极少
11、数的原子热运动特别激烈，克服周围原子化学键束缚而脱离格点，形成间隙原子，原先所处的位置成为空位。这时空位和间隙原子成对出现弗仑克尔缺陷。,（2）由表面产生：在表面空位和间隙原子都可以单独的产生，然后扩散到体内。这时空位和间隙原子的数目也是独立变化的。,（3）消失过程：空位和间隙原子的产生过程都可以倒过来进行。在温度保持一定条件下，产生和消失可以达到相对的平衡，这时空位和间隙原子的浓度将保持相对稳定.以上两种由温度决定的点缺陷又称为热缺陷.,2、位错能级（主要指线缺陷）,如图，在位错所在处，有一个不成对的电子成为不饱和的共价键：若这一不饱和键获得一个电子，起受主作用；而当原子E失去一个价电子，则起施主作用。一般情况下位错倾向于得到电子，起受主作用，而且产生的受主能级是深能级。,位错周围的晶格发生畸变，引起能带结构的变化。一般情况下，在晶格伸张区，材料的禁带宽度减小；而在晶格压缩区，材料的禁带宽度变大。,利用半导体的杂质补偿效应，可以改变半导体的（）类型A、漂移 B、热运动 C、迁移率 D、导电,硅、锗，砷化镓的能带结构的基本特征,4、砷化镓锗的能带结构,（1）的负温度特性,（3）直接能隙结构即价带的最高点与导带的最低点处于K空间的同一点,（2）,
