半导体物理北交经典课件考研必备-第二章

第二章半导体中的杂质和缺陷实际半导体晶格偏离理想情况杂质缺陷原子在平衡位置附近振动杂质和缺陷原子的周期性势场受到破坏在禁带中引入能级决定半导体的物理和化学性质杂质：半导体中存在的与本体元素不同的其它元素。浅能级杂质：能级接近导带底Ec或价带顶Ev；深能级杂质：能级远离导带底Ec或价带顶Ev。缺陷点缺陷，如空位、间隙原子等线缺陷，如位错等面缺陷，如层错、晶粒间界等§2.1半导体中的浅能级杂质和缺陷一、杂质存在的方式和缺陷类型1.存在方式(1)间隙式杂质：杂质位于组成半导体的元素或离子的格点之间的间隙位置。金刚石结构中，一个晶胞内的原子占晶体原胞的34%，空隙占66%。间隙式杂质原子较小，如Li、HSi：r=0.117nmLi：r=0.068nmP：r=0.11nm(2)替位式杂质：杂质占据格点的位置。=Si=Si=Si=‖　　　‖　　　‖=Si=P+●=Si=‖　　　‖　　　‖=Si=Si=Si=‖　　　‖　　　‖SiP●Li杂质出现在半导体中时，产生的附加势场使严格的周期性势场遭到破坏。杂质能级位于禁带之中EcEv杂质能级2.缺陷的类型(1)空位和间隙=Si=Si=Si=‖　　　︱　　‖=Si－〇－Si=　　　　　‖　　　︱　　　‖=Si=Si=Si=‖　　　‖　　　‖=Si=Si=Si=‖‖‖=Si=Si=Si=‖Si‖‖=Si=Si=Si=‖‖‖ABABBAAAABAB化合物半导体:A、B两种原子组成(2)替位原子BA二、元素半导体的杂质和缺陷1.ⅤA族的替位杂质(1)在硅Si中掺入P=Si=Si=Si=‖‖‖=Si=P+●=Si=‖‖‖=Si=Si=Si=‖‖‖正电中心氢原子中的电子的运动轨道半径为：222nqmhrooHn=1为基态电子的运动轨迹Si中受正电中心P+束缚的电子的运动轨道半径：Aqmhroo6514.01222电子基态的运动半径为：12)(Sir22*2()rSioehrnmq0*1.0mme●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●Si●P对于Si中的P原子，剩余电子的运动半径：r~65ÅSi的晶格常数为5.4Å○对于Ge中的P原子，r85ÅP原子中这个多余的电子的运动半径远远大于其余四个电子，所受到的束缚最小，极易摆脱束缚成为自由电子。施主杂质:束缚在杂质能级上的电子被激发到导带Ec成为导带电子，该杂质电离后成为正电中心（正离子）。这种杂质称为施主杂质。施主杂质具有提供电子的能力。导带电子电离施主P+(2)施主电离能n=1→基态，电子的能量为E1n=∞→电离态，电子的能量为E∞对氢原子氢原子中电子的能量2220408nhqmEneV6.138224hqmEooH氢原子中的电子的电离能为：1EEE电子从稳定的基态到电离态所需要的能量就是电子的电离能△E：设施主杂质能级为ED施主杂质的电离能△ED：即弱束缚的电子摆脱束缚成为晶格中自由运动的电子（导带中的电子）所需要的能量。施主的电离能施主电离能：△ED=EC-ED△ED=EC-EDECEDEgEVDCHrerereDEEEmmhqmmmhqmE20*2204020*22024*1818对于Si、Ge掺P**000.26,0.12eSieGemmmm==100,16,122rrGerSiEcEv施主能级靠近导带底部EDDCDEEEeVeVGeD,SD,064.0,04.0EEi在Si中，掺P：△ED=0.044eVAs：△ED=0.049eVSb：△ED=0.039eV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。价带导带（1）在Si中掺入B2.元素半导体中ⅢA族替位杂质的能级B获得一个电子变成负离子，成为负电中心，周围产生带正电的空穴。B－＋B－受主杂质：束缚在杂质能级上的空穴被激发到价带Ev成为价带空穴，该杂质电离后成为负电中心（负离子）。这种杂质称为受主杂质。受主杂质具有得到电子的性质，向价带提供空穴。价带空穴电离受主B－电离的结果：价带中的空穴数增加了，这即是掺受主的意义所在。受主能级EAHroPAEmmE2*1VAAEEEEcEvEA受主能级靠近价带顶部(2)受主电离能和受主能级oPmm1.0~05.0*Si、Ge中Ⅲ族杂质的电离能△EA（eV）晶体杂质BAlGaInSi0.0450.0570.0650.16Ge0.010.010.0110.011受主能级EA受主杂质的电离能小，在常温下基本上为价带电离的电子所占据（空穴由受主能级向价带激发）。杂质电离或杂质激发：杂质向导带和价带提供电子和空穴的过程（电子从施主能级向导带的跃迁或空穴从受主能级向价带的跃迁）。本征激发：电子从价带直接向导带激发，成为导带的自由电子，这种激发称为~。只有本征激发的半导体称为本征半导体。所需要的能量称为杂质的电离能。例如：Si在室温下，本征载流子浓度为1010/cm3，掺入P：P的浓度/Si原子的浓度=10-6Si的原子浓度为1022～1023/cm3施主P向导带提供的载流子=1016～1017/cm3＞＞本征载流子浓度掺施主的半导体的导带电子数主要由施主决定，半导体导电的载流子主要是电子（电子数空穴数），对应的半导体称为N型半导体。称电子为多数载流子，简称多子，空穴为少数载流子，简称少子。掺受主的半导体的价带空穴数由受主决定，半导体导电的载流子主要是空穴（空穴数电子数），对应的半导体称为P型半导体。空穴为多子，电子为少子。N型和P型半导体都称为极性半导体EcED电离施主电离受主Ev3.杂质的补偿作用(1)ND＞NA半导体中同时存在施主和受主杂质，施主和受主之间有互相抵消的作用此时为n型半导体n=ND-NAEAEcEDEAEv电离施主电离受主(2)NDNA此时为p型半导体p=NA-ND(3)ND≈NA杂质的高度补偿EcEvEAED不能向导带和价带提供电子和空穴4.元素半导体中的缺陷(1)空位=Si=Si=Si=‖︱‖=Si－〇－Si=‖︱‖=Si=Si=Si=‖‖‖原子的空位起受主作用(2)间隙SiSiSiSiSiSiSiSiSiSi间隙原子缺陷起施主作用(1)杂质理想的GaAs晶格为=Ga-=As+=Ga-=‖‖‖=As+=Ga-=As+=‖‖‖=Ga-=As+=Ga-=‖‖‖1.Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体中的杂质和缺陷三、化合物半导体中的杂质和缺陷●施主杂质Ⅵ族元素(Se、S、Te)在GaAs中通常都替代Ⅴ族元素As原子的晶格位置。Ⅵ族杂质在GaAs中一般起施主作用，为浅施主杂质。●受主杂质Ⅱ族元素（Zn、Be、Mg、Cd、Hg）在GaAs中通常都取代Ⅲ族元素Ga原子的晶格位置。Ⅱ族元素杂质在GaAs中通常起受主作用，均为浅受主杂质。●中性杂质Ⅲ族元素（B、Al、In）和Ⅴ族元素（P、Sb）在GaAs中通常分别替代Ga和As，由于杂质在晶格位置上并不改变原有的价电子数，因此既不给出电子也不俘获电子而呈电中性，对GaAs的电学性质没有明显影响。●两性杂质Ⅳ族元素杂质（Si、Ge、Sn、Pb）在GaAs中的作用比较复杂，可以取代Ⅲ族的Ga，也可以取代Ⅴ族的As，甚至可以同时取代两者。Ⅳ族杂质不仅可以起施主作用和受主作用，还可以起中性杂质作用。在掺Si浓度小于1×1018cm-3时，Si全部取代Ga位而起施主作用，这时掺Si浓度和电子浓度一致；而在掺Si浓度大于1018cm-3时，部分Si原子开始取代As位，出现补偿作用，使电子浓度逐渐偏低。例如：（2）GaAs晶体中的点缺陷当T＞0K时：●空位VGa、VAs●间隙原子GaI、AsI●反结构缺陷—Ga原子占据As空位，或As原子占据Ga空位，记为GaAs和AsGa。化合物晶体中的各类点缺陷可以电离，释放出电子或空穴，从而影响材料的电学性质。●当Ga的位置被As取代后，多出一个电子，相当于施主；●当As的位置被Ga取代后，少一个电子，相当于受主。实际晶体中，由于各种缺陷形成时所需要的能量不同，他们浓度会有很大差别。GaAs曾认为VAs、VGa是比较重要的。最近发现，主要缺陷是VAs、AsI。VGa、VAs、AsI是起施主还是起受主作用，尚有分歧。较多的人则采用VAs、AsI为施主、VGa是受主的观点来解释各种实验结果。2.Ⅱ－Ⅵ族化合物半导体的杂质和缺陷Ⅱ－Ⅵ族化合物半导体是典型的离子键化合物。●掺Ⅶ族：N型●掺Ⅴ族：P型●掺Ⅲ族：N型●掺Ⅰ族：P型(1)杂质（2）Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体中的缺陷主要是离子键起作用，正负离子相间排列组成了非常稳定的结构，所以外界杂质对它们性能的影响不显著。其导电类型主要是由它们自身结构的缺陷（间隙离子或空格点）所决定，这类缺陷在半导体中常起施主或受主作用。○-—负离子●+—正离子○-　　●+　　○-　　●+　　○-●+　　○-　　●+　　○-　　●+○-　　●+　　○-　　●+　　○-●+　　○-　　●+　　○-　　●+○-●+○-●+○-●+○-●+○-●+○-●+-●+○-●+○-●+○-●+●原子失去电子后○-●+○-●+○-●+○-●+○-●+○-●+●+○-●+○-●+○-●+a.负离子空位产生正电中心，起施主作用电负性小○-●+○-●+○-●●+○-●+○-●+○-●+○-●+○-●+○-●+○-●+●原子失去电子后：○-●+○-●+○-●+●+○-●+○-●+○-●+○-●+○-●+○-●+○-●+b.正离子填隙产生正电中心，起施主作用○-●+○-●+○-●+○-●+○-●+○○-●+○-●+○-●+○-●+○原子得到电子后：○-●+○-●+○-●+○-●+○-●+○-○-●+○-●+○-●+○-●+c.正离子空位产生负电中心，起受主作用电负性大○-●+○-●+○-○●+○-●+○-●+○-●+○-●+○-●+○-●+○-●+○原子得到电子后：○-●+○-●+○-○-●+○-●+○-●+○-●+○-●+○-●+○-●+○-●+d.负离子填隙产生负电中心，起受主作用负离子空位产生正电中心，起施主作用正离子填隙正离子空位负离子填隙产生负电中心，起受主作用§2-2半导体中的深能级杂质在Ge中掺Au：Au的电子组态是：5s25p65d106s1Ge‖Ge—Au—Ge︱Ge1.Au失去一个电子—施主Ge︱Ge—Au+—Ge︱Ge电离过程为:Au=Au++(－e)↑EgED=Ev+0.04eVEcEvED2.Au获得一个电子—受主Ge‖Ge=Au－—Ge︱GeEcEvEDEA1Au+(－e)=Au－EA1=Ev+0.15eV3.Au获得第二个电子Ge‖Ge=Au2-—Ge‖GeAu-+(－e)=Au--EA2=Ec－0.2eVEcEvEDEA1EA2EA34.Au获得第三个电子Ge‖Ge=Au---=Ge‖GeEA3=Ec－0.04eV深能级一般作为复合中心对载流子和导电类型影响较小深能级瞬态谱仪测量杂质的深能级自学：等电子陷阱束缚激子位错元素半导体的杂质和缺陷:ⅤA族的替位杂质—施主,其能级ED靠近导带底ⅢA族的替位杂质—受主,第二章小结受主能级EA靠近价带原子的空位起受主作用间隙原子缺陷起施主作用施主杂质的电离能EC-ED受主杂质的电离能EA-EV正离子填隙将产生一个正电中心，起施主作用正离子空位将产生一个负电中心，起受主作用负离子空位将产生一个正电中心，起施主作用Ⅱ－Ⅵ族化合物半导体的缺陷负离子填隙将产生一个负电中心，起受主作用ⅡI－V族化合物半导体的杂质和缺陷VI族（Se,S,Te）－施主杂质II族（Zn,Be,Mg,Hg）－受主III族（B,Al,In）－中性杂质IV族（Si,Ge,Sn,Pb）－两性杂质缺陷AsGa－