半导杂质和缺陷.pptx
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1、学学时:32(周周4 4学学时)主主讲教教师:关玉琴关玉琴(理学院物理系理学院物理系)半半导体物理体物理 Semiconductor Physics 第一章第一章 半半导体中公有化体中公有化电子的能量状子的能量状态第二章第二章 半半导体中的体中的杂质和缺陷状和缺陷状态第三章第三章 半半导体中的平衡体中的平衡载流子流子第四章第四章 半半导体中的体中的电迁移迁移现象象第五章第五章 半半导体中的非平衡体中的非平衡载流子流子第六章第六章 半半导体表面和界面体表面和界面第七章第七章 半半导体的体的强电场效效应 课程内容课程内容 半半导体材料体材料举例例:Ge,Si,GaAs,InP,GaN,SiC,Te
2、CdHg。什么是半导体?什么是半导体?半导体的基本特性半导体的基本特性:(1)导电性处于金属和绝缘体之间导电性处于金属和绝缘体之间(见下图见下图)。(2)电阻率与温度的关系很大电阻率与温度的关系很大,而且电阻率一般具有而且电阻率一般具有负温度系数负温度系数。(3)电阻率与掺杂电阻率与掺杂 (杂质种类和浓度杂质种类和浓度)有很大关系。有很大关系。(4)存在有两种存在有两种 (正、正、负电荷荷)载流子。流子。(5)存在有比金属要高的温差存在有比金属要高的温差电动势率和率和HallHall系数。系数。(6)具有具有较高的光高的光电导等光敏性。等光敏性。(7)半半导体与金属接触体与金属接触,或者半或者
3、半导体体p-np-n结,具有非具有非线性性电流流-电压关系关系,并且可以有整流特性。并且可以有整流特性。(8)具有明具有明显的表面的表面电场效效应。各种物各种物质的的电阻率范阻率范围 10-610-410-210010210410610810101012101410161018(.cm)SiGeGaAsNi-CrAg石英玻璃石英玻璃玻璃玻璃硬橡胶硬橡胶金属金属半导体半导体绝缘体绝缘体半导体的共价键结构半导体的共价键结构硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构价电子是我们要研究的对象价电子是我们要研究的对象硅晶体的硅晶体的空间排列空间排列本征半导体本征半导体本征半导体
4、本征半导体完全纯净、结构完整的半导体晶体。完全纯净、结构完整的半导体晶体。纯度:纯度:99.9999999%,“九个九个9”它在物理结构上呈单晶体形态。它在物理结构上呈单晶体形态。常用的本征半导体常用的本征半导体Si+142 8 4Ge+322 8 18 4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4价带价带导带导带禁带禁带EG外电场外电场E本征半导体的两种载流子本征半导体的两种载流子1.1.本征半导体中有两种载流子本征半导体中有两种载流子自由电子和空穴自由电子和空穴2.2.在外电场的作用下,产生电流在外电场的作用下,产生电流 电子流和空穴流电子流和空穴流电子流电子流自由电子作定向运动形成的与外电
5、场方自由电子作定向运动形成的与外电场方向相反,自由电子始终在导带内运动;向相反,自由电子始终在导带内运动;空穴流空穴流价电子递补空穴形成价电子递补空穴形成的与外电场方向相同的与外电场方向相同始终在价带内运动;始终在价带内运动;空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。用用空空穴穴移移动动产产生生的的电电流流代代表表束束缚缚电电子子移动产生的电流。移动产生的电流。电子浓度电子浓度ni =空穴浓度空穴浓度pi杂质半导体杂质半导体杂质半导体杂质半导体掺入杂质的本征半导体。掺入杂质的本征半导体。掺杂后半导体的导电率大为提高掺杂后半导体的导电率大为提高掺入三
6、价元素如掺入三价元素如B、Al、In等,形等,形成成P型半导体,也称空穴型半导体型半导体,也称空穴型半导体掺入五价元素如掺入五价元素如P、Sb等,形成等,形成N型半导体,也称电子型半导体型半导体,也称电子型半导体N型半导体型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5+5本征半导体中掺入五价元素如本征半导体中掺入五价元素如P。自由电子是多子自由电子是多子 空穴是少子空穴是少子杂质原子提供杂质原子提供由热激发形成由热激发形成由于五价元素很容易贡献电由于五价元素很容易贡献电子,因此将其称为子,因此将其称为施主杂质。施主杂质。施主杂质因提供自由电子而施主杂质因提供自由电子而带正电荷成为带正电荷成为
7、正离子正离子P型半导体型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3+3本征半导体中掺入三价元素如本征半导体中掺入三价元素如B。自由电子是少子自由电子是少子空穴是多子空穴是多子杂质原子提供杂质原子提供由热激发形成由热激发形成因留下的空穴很容易俘因留下的空穴很容易俘获电子,使杂质原子成获电子,使杂质原子成为为负离子。负离子。三价杂质三价杂质 因而也称为因而也称为受主杂质受主杂质。理想半理想半导体:体:1 1、原子、原子严格地周期性排列,晶体具有完整的晶格格地周期性排列,晶体具有完整的晶格结构。构。2 2、晶体中无、晶体中无杂质,无缺陷。,无缺陷。3 3、电子在周期子在周期场中作共有化运中作共有
8、化运动,形成允,形成允带和禁和禁带电子能量只能子能量只能处在允在允带中的能中的能级上,禁上,禁带中无能中无能级。由本征激。由本征激发提供提供载流子。流子。第二章第二章 半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级实际材料中实际材料中1、总是有杂质、缺陷,使周期场破坏,在杂质或缺陷、总是有杂质、缺陷,使周期场破坏,在杂质或缺陷周围引起局部性的量子态周围引起局部性的量子态对应的能级常常处在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。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。、杂质电离提供载流子。2.1 硅、硅、锗晶体中的晶体中的杂质能能级 一个晶胞中包含有八个硅
9、原子,若近似地把原子看成一个晶胞中包含有八个硅原子,若近似地把原子看成是半径是半径为r的的圆球,球,则可以可以计算出算出这八个原于占据晶八个原于占据晶胞空胞空间的百分数如下:的百分数如下:2.1.1 2.1.1 替位式杂质替位式杂质替位式杂质替位式杂质 间隙式杂质间隙式杂质间隙式杂质间隙式杂质说明,在金刚石型晶体中一个晶胞内的说明,在金刚石型晶体中一个晶胞内的8 8个原子只占个原子只占有晶胞体积的有晶胞体积的34%,还有,还有66%是空隙。是空隙。金金刚石型晶体石型晶体结构中的两种空隙如构中的两种空隙如图2-1所示。所示。这些些空隙通常称空隙通常称为间隙位置。隙位置。杂质原子原子进入半入半导体
10、硅后,以两种方式存在:一种方体硅后,以两种方式存在:一种方式是式是杂质原子位于晶格原子原子位于晶格原子间的的间隙位置,常称隙位置,常称为间隙式隙式杂质(A)。)。SiSiSiSiASiSiSiSiSiSiSiSiSi另一种方式是杂质原子取代晶格原子而位于晶格点另一种方式是杂质原子取代晶格原子而位于晶格点另一种方式是杂质原子取代晶格原子而位于晶格点另一种方式是杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处,常称为处,常称为处,常称为处,常称为替位式替位式替位式替位式杂质杂质杂质杂质(B B)SiSiSiSiBSiSiSiSiSiSiSiSi两种两种杂质特点:特点:间隙式隙式杂质原子一般比原子一般比较小,如:
11、小,如:锂离子,离子,0.068nm。替位式替位式杂质:杂质原子的大小与被取代的晶格原子的大小比原子的大小与被取代的晶格原子的大小比较相相近;价近;价电子壳子壳层结构比构比较相近如:相近如:-族元素。族元素。2.1.2 施主施主杂质 施主能施主能级杂质电离:离:上述上述电子脱离子脱离杂质原子的束原子的束缚成成为导电电子的子的过程。程。杂质电离能:离能:使多余的价使多余的价电子子挣脱束脱束缚成成为导电电子所需要的能量称子所需要的能量称为。施主施主杂质电离后成离后成为不可移不可移动的的带正正电的施主离子,的施主离子,同同时向向导带提供提供电子,使半子,使半导体成体成为电子子导电的的n型型半半导体体
12、。以硅中掺磷以硅中掺磷以硅中掺磷以硅中掺磷P P为例:为例:为例:为例:磷原子占据硅原子的磷原子占据硅原子的磷原子占据硅原子的磷原子占据硅原子的位置,磷原子有五个位置,磷原子有五个位置,磷原子有五个位置,磷原子有五个价电子,其中四个价价电子,其中四个价价电子,其中四个价价电子,其中四个价电子与周围的四个硅电子与周围的四个硅电子与周围的四个硅电子与周围的四个硅原于形成共价键,还原于形成共价键,还原于形成共价键,还原于形成共价键,还剩余一个价电子。剩余一个价电子。剩余一个价电子。剩余一个价电子。族杂质在硅、锗中电离时,能够释放电子而产生导族杂质在硅、锗中电离时,能够释放电子而产生导电电子并形成正电
13、中心,称它们为电电子并形成正电中心,称它们为施主杂质施主杂质或或n型杂质型杂质。SiSiSiSiP+SiSiSiSiSiSiSiSiSi中的施主杂质中的施主杂质这个多余的价个多余的价电子就子就束束缚在正在正电中心中心P的的周周围。价。价电子只要很子只要很少能量就可少能量就可挣脱束,脱束,成成为导电电子子在晶格在晶格中自由运中自由运动,这时磷原磷原子就成子就成为少了一个价少了一个价电子的磷离子子的磷离子P,它,它是一个不能移是一个不能移动的的正正电中心中心。SiSiSiSiP+SiSiSiSiSiSiSiSiSi中的施主杂质中的施主杂质施主施主杂质的的电离离过程,可以用能程,可以用能带图表示:表
14、示:如下如下图所示。当所示。当电子得到能量后,就从施主的束子得到能量后,就从施主的束缚态跃迁到迁到导带成成为导电电子,所以子,所以电子被施主子被施主杂质束束缚时的能量比的能量比导带底底 低低 ,将被施主,将被施主杂质束束缚的的电 子的能子的能量状量状态称称为施主施主能能级,记为 ,所以施主能所以施主能级位位于离于离导带底很近底很近的禁的禁带中。中。满带满带空带空带施主能级施主能级能带结构:能带结构:2.1.3 受主受主杂质 受主能受主能级族族杂质在硅、在硅、锗中能中能够接受接受电子而子而产生生导电空穴,空穴,并形成并形成负电中心,所以称它中心,所以称它们为受主受主杂质或或p型型杂质。以硅中掺磷
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