单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,.,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,UESTC Nuo Liu,.,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,UESTC Nuo Liu,.,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,UESTC Nuo Liu,.,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,UESTC Nuo Liu,.,*,第二章,半导体中杂质和缺陷能级,.,.,2.1.1,、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,E,D,=E,C,-E,D,E,D,=E,C,-E,D,E,C,E,D,E,V,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,n,0,空穴浓度,p,0,.,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,.,E,A,=E,A,-E,V,E,C,E,A,E,V,空穴浓度,p,0,电子浓度,n,0,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：,是使被俘获的空摆脱束缚，从而可以参与传导电流所需的能量,E,A,=E,A,-E,V,.,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,p,2、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,E,D,Eg,受主电离能,E,A,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：,E,D,0.0064 eV,Si:,E,D,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：,n,0,=p,0,=n,i,（n,i,为本征载流子浓度）,（2）本征半导体：,不含杂质的半导体就是,本征半导体。,n,i,=n,i,（T）,电子浓度,空穴浓度,n,0,=p,0,=n,i,.,在室温（,RT=300K）,下：,n,i,（,Ge）2.410,13,cm,-3,n,i,（,Si）1.510,10,cm,-3,n,i,（,GaAs）1.610,6,cm,-3,n,i,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,N,D,n,i,n,型半导体,(,B),如,受主浓度,N,A,n,i,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,E,D,或,E,A,很小（,RT,下的,kT=0.026eV）,所以它们基本上都处于离化态。,.,(4)杂质的补偿,既掺有施主又掺有受主,（,A）N,D,(,施主浓度,）,N,A,（受主浓度,）,时,所以：有效的施主浓度,N,D,*,=,N,D,-N,A,n,i,因,E,A,在,E,D,之下，,E,D,上的束缚电子首先填充,E,A,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,E,D,E,A,UESTC Nuo Liu,.,（,B）N,A,N,D,时,E,D,E,A,所以：有效的受主浓度,N,D,*,=,N,D,-N,A,n,i,p,型半导体,因,E,A,在,E,D,之下,，,E,D,上的束缚电子首,先填充,E,A,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）N,A,N,D,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电类型，以制成各种器件。,.,2.1.6,深能级杂质,（1）浅能级杂质,（2）深能级杂质,E,D,Eg,E,A,Eg,E,A,E,D,E,D,E,A,Ec,Ec,Ev,Ev,E,D,Eg,E,A,Eg,杂质在半导体禁带中产生的能级距带边较远,UESTC Nuo Liu,.,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）Au,0,（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,+,：,Au,0,e Au,+,E,Eg,E,C,E,V,E,D,失去唯一的价电子，产生施主能级,E,D,。,.,（2）Au,一：,Au,0,+e Au,一,E,A1,E,C,E,A,E,V,Au,接受一个电子后变成,Au-,，产生受主能级,E,A1,.,（3）Au,二：,Au,一,+,e Au,二,E,C,E,A2,E,A1,E,V,E=,E,Au,接受两个电子后变成,Au=,，产生受主能级,E,A2,.,（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,E,A3,.,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。,E,C,E,V,E,A,E,D,.,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，接受第三个对比第二个大，所以,E,A3,E,A2,E,A1,。,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,空穴陷阱,。,N,N,P,.,(3),束缚激子,例：,GaP：N,N,P,+e N,P,-,（,等电子陷阱）,之后,N,P,-,+,h,N,P,-,+,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,Si,As,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,）,.,