第二章-半導體中雜質和缺陷能級.第一頁，共28頁。22.1.1間隙式雜質和替位式雜質2.1Si、Ge晶體中的雜質能級實際半導體中并不是完美的一種原子的晶體結構。存在著一定數目的缺陷和雜質。即使微量的雜質，對半導體的導電能力會帶來巨大的影響----半導體的特性。雜質：與本體原子不同元素的原子。只有替位雜質才能被激活。正如一般電子為晶體原子所束縛的情況，電子也可以受雜質的束縛，形成雜質能級。電子也具有確定的能級，這種雜質能級處于禁帶（帶隙）之中，它們對實際半導體的性質起著決定性作用。第二頁，共28頁。32.1.1間隙式雜質和替位式雜質半導體中間隙式雜質和替位式雜質按照球形原子堆積模型，金剛石型晶體的一個原胞中的8個原子只占該晶胞體積的34％，還有66％是空隙。A－間隙式雜質原子：原子半徑比較小B－替位式雜質原子：原子的大小與被取代的晶體原子大小比較相近雜質濃度：單位體積中的雜質原子數第三頁，共28頁。42.1.2施主雜質施主能級第四頁，共28頁。5施主能級ED被施主雜質束縛的多余的一個價電子狀態對應的能量。2.1.2施主雜質施主能級第五頁，共28頁。62.1.2施主雜質施主能級施主雜質施主電離束縛態中性態VA族雜質在硅、鍺中電離時，能夠釋放電子而產生導電電子并形成正電中心。釋放電子的過程。施主雜質未電離時電中性的狀態離化態電離后成為正電中心。施主雜質電離能ED多余的一個價電子脫離施主雜質而成為自由電子所需要的能量。第六頁，共28頁。72.1.3受主雜質、受主能級硼摻入硅中,硼只有三個價電子,與周圍的四個硅原子成鍵時，產生一個空穴。其它成鍵電子很容易來填補這個空穴。填補時，空穴激發到價帶（空穴電離，能量升高），同時硼原子成為負電中心。這一過程很容易發生，意味著空穴電離能較小。第七頁，共28頁。82.1.3受主雜質、受主能級等價表述受主雜質電離能受主雜質電離硼原子看成是一個負電中心束縛著一個空穴,空穴很容易電離到價帶,同時在硼原子處成為一個負電中心。空穴掙脫受主雜質束縛的過程。使空穴掙脫受主雜質束縛成為導電空穴所需要的能量。P型半導體第八頁，共28頁。如何計算、分析半導體中，雜質的能級。這里介紹一種最簡單的、實際上也是最重要的一類雜質能級──類氫雜質能級。在Si、Ge元素半導體和Ⅲ－Ⅴ族化合物半導體等最重要的半導體材料中發現：加入多一個價電子的元素，如在Si、Ge中加入P、As、Sb，或在Ⅲ－Ⅴ族化合物中加入Ⅵ族元素，這些摻入的雜質將成為施主；加入少一個價電子的元素，如在Si、Ge中加入Al、Ga、In，或在Ⅲ－Ⅴ族化合物中加入Ⅱ族元素，這些摻入的雜質將成為受主；2.1.4、淺能級雜質電離能的簡單計算第九頁，共28頁。加入多一個價電子的替位式雜質原子，在填滿價帶（飽和周圍成鍵原子的共價鍵）之外尚多余一個電子，同時，相比原來的原子，雜質原子也多一個正電荷，多余的正電荷正好束縛多余的電子，類似氫原子的情形。加入少一個價電子的替位式雜質原子，在與近鄰4個原子形成共價鍵時，缺少了一個電子，這樣就使得此處的共價鍵中相比原來缺少了一個電子。其它價鍵中的電子很容易來填補這個空缺。這樣一來，雜質處多了一個負電荷，同時滿帶處取去了一個電子，亦即多一個空穴。如同這個空穴可以被雜質負電荷所束縛，并類似氫原子的情形，只有正負電荷對調了，這樣一個束縛的空穴相當于一禁帶中一個空的受主能級。第十頁，共28頁。112.1.4、淺能級雜質電離能的簡單計算氫原子電子滿足：可以解出能量本征值：基態氫原子的電離能Ei:a0稱為波爾半徑，值為：第十一頁，共28頁。2.1.4、淺能級雜質電離能的簡單計算半導體中點電荷庫侖場，受到連續介質的屏蔽，庫侖勢減弱了r，(半導體相對介電常數)束縛電子或空穴的質量為有效質量m*，由氫原子的結果得到由于m*<m0

，ε遠大于1（Ge：16、Si：12、GaAs：12.58），所以施主束縛能只有百分之幾電子伏的數量級。第十二頁，共28頁。估算結果與實際測量值有相同數量級Ge：△ED～0.0064eVSi:△ED～0.025eV第十三頁，共28頁。按照以上方式所形成的施主和受主，稱為類氫雜質能級，它們的束縛能很小，因此對產生導帶電子和價帶空穴特別有效，它們往往在這些材料中是決定導電性的主要雜質。由于這類雜質的束縛能很小，施主(受主)能級很靠近導帶(價帶)，又稱為淺能級雜質。Si中幾種Ⅴ族施主電離能如下：Si中幾種Ⅲ族受主電離能如下：第十四頁，共28頁。雜質基態的玻爾半徑（Bohr):第十五頁，共28頁。162.1.5雜質的補償作用當同一塊半導體中同時存在施主雜質和受主雜質時，這種兩種不同類型的雜質有相互抵償的作用，稱為雜質補償作用。補償后半導體中的凈雜質濃度為有效雜質濃度，只有有效的雜質濃度才能有效地提供載流子濃度。空間角度的理解：施主周圍有多余的價電子，受主周圍缺少價電子，施主多余的價電子正好填充受主周圍空缺的價鍵電子，使價鍵飽和，使系統能量降低，穩定狀態。第十六頁，共28頁。172.1.5雜質的補償作用（a）ND>>NAND>>NA時,由于受主能級低于施主能級,施主雜質的電子首先跳到受主雜質的能級上，此時還有ND-

NA個電子在施主能級上。在雜質全部電離時,它們躍遷到導帶成為導電電子,有ND-

NA個導帶電子,半導體是n型的。能帶角度的理解：第十七頁，共28頁。182.1.5雜質的補償作用（b）ND<<NAND<<NA時,由于受主能級低于施主能級,施主雜質的電子首先跳到受主雜質的能級上,此時還有NA-

ND個空穴在受主能級上。在空穴全部電離時躍遷到價帶時,有NA-

ND個價帶空穴,半導體是p型的。第十八頁，共28頁。192.1.6深能級雜質淺能級雜質通常情況下，半導體中些施主能級距離導帶底較近；或受主能能級距離價帶頂較近。深能級雜質若雜質提供的施主能級距離導帶底較遠；或提供的受主能能級距離價帶頂較遠。許多深雜質能級是由于雜質的多次電離產生的.每一次電離相應地有一個能級，這些雜質在硅或鍺的禁帶中往往引入若干個能級，而且有些雜質還可以引入施主能級，又能引入受主能級。如：Au在Ge中產生四個深雜質能級,其中三個為受主能級，一個為施主能級。第十九頁，共28頁。2.1.6深能級雜質深能級雜質的作用1.ΔED，ΔEA較大，雜質電離作用較弱，對載流子（導電電子和空穴）濃度影響較小；2.對載流子的復合作用較大（復合中心），降低非平衡載流子的壽命。第二十頁，共28頁。2.2III-V族化合物中的雜質能級2.2.1GaAs中的雜質第二十一頁，共28頁。等電子雜質：是等價電子，與所取代的基體原子具有相同價電子數的雜質。GaP中參入N或Bi，分別在禁帶中產生Ec=-0.008eV，Ev=+0.038eV能級處。N取代P后，比P有更強的獲得電子的能力，常可吸引一個導帶中的電子變成帶負電的離子。Bi取代P后，比P有更強的獲得空穴的能力，常可吸引一個價帶中的空穴變成帶正電的離子。等電子雜質(等電子陷阱）第二十二頁，共28頁。2.2.1GaAs中的雜質第二十三頁，共28頁。242.3缺陷和位錯能級

晶體中存在缺陷和位錯的地方，嚴格的周期勢場也會發生畸變，這些缺陷可以在半導體的禁帶范圍內引入電子能態而成為禁帶中的缺陷或位錯能級，這些能級一般也是