半导体中杂志和缺陷能级.PPT

第2章 半导体中杂质和缺陷 2)、随着温度的升高，两者开始出现差别： a) 半导体: 最外层能带全满?非满。 b) 绝缘体：最外层能带仍是全满。 2.1 硅锗晶体中的杂质 原子并非在格点上固定不动 杂质 (外来的) 缺陷 (内在的) 点缺陷（空位，间隙原子） 线缺陷（位错） 面缺陷（层错，晶粒间界） 边界 替位式杂质 杂质原子的大小与晶体原子相似，价电子的壳层结构比较相近。 III、V族元素在硅、锗中均为替位式杂质。 间隙式杂质 杂质原子较小 施主杂质： 施主能级： n型半导体： 施主电离： 受主杂质： 受主电离： 受主能级： p型半导体： 当NDNA时： n= ND-NA ≈ ND，半导体显n型 当NDNA时： p= NA-ND ≈ NA，半导体显p型 当ND≈NA时： 高度补偿半导体 有效杂质浓度：补偿后半导体中的净杂质浓度。 1、没反映出杂质原子的影响。 2、本身是一个近似模型。 例3： 半导体硅单晶的介电常数为11.8，电子和空穴的有效质量备为：mn*=0.26m0,mp*=0.30m0，利用类氢模型估计：(1). 施主和受主的电离能；(2). 基态电子轨道半径；(3). 相邻杂质原子的电子轨道将发生明显交迭时(假设基态半径发生交叠)，试估算此时施主、受主浓度的数量级(此时可认为将形成杂质能带)? 思考：重掺杂时，禁带变窄的原因？ 金是 I 族元素 (目前无完善的理论能够说明，只能定性) 故可失去一个电子，施主能级略高于价带顶； 也可得到三个电子，形成稳定的共价键结构。 实际中，Au在Si：一受主、一施主能级。 在Ge中：三受主，一施主能级。 2.2 III-V族化合物 （略）－－自习 2.3缺陷、位错能级 2.3.1 点缺陷 点缺陷引入的能级类型 2.3.2 位错 对半导体材料和器件的性能会产生重要影响。 锗中位错具有受主及施主的作用。与杂质间可能起补偿作用。 晶格畸变，能带宽度发生变化。 补充问题： 间隙原子 显 施主性质？ 空位 通常 显 受主性质？ 间隙原子： 有四个可以失去的电子，所以倾向于表现出施主作用(也会起受主作用)。 空位：形成的键不饱和，易于接受电子，所以空位表现出受主作用； 空位：需要实际分析。GaAs中的镓空位和砷空位均表现为受主作用；离子性强的化合物半导体（M,X），正离子空位是受主，负离子空位是施主。 间隙原子：金属原子为间隙原子时为施主，非金属原子为间隙原子时为受主。 替位原子：离子性弱的二元化合物AB，替位原子AB是受主，BA是施主。[B元素价电子较多] 元素半导体 化合 物半 导体 * * 固体材料：超导体: 大于106(?cm)-1 导 体: 106~104(?cm)-1 半导体: 104~10-10(?cm)-1 绝缘体: 小于10-10(?cm)-1 ★半导体的导电机制(能带角度) 孤立原子能级 满带不导电 非满带 导电 晶体能带 1）、低温下，半导体和绝缘体能带在本质上是相同的。 绝对零度下，它们最外层能带都是满带，均不导电。 半导体和绝缘体的区别？ 思考：半导体中的载流子来源？ 理想晶体?自带电子?本征激发 其它来源(非理想晶体) 影响半导体的电导率和劣化器件的性能。 实际晶体与理想本征晶体的区别 杂质 影响 1、破坏了原有的能带结构，但可视为微扰，引入新的能级 2、提供 导电用 的载流子（电子、空穴） 3、其它 杂质 类型 所处位置：间隙、替位 导电类型：施、受主 能级位置：浅、深能级 分析杂质移动 分析杂质导电 分析非平衡载流子情况 替位式杂质 (A) 间隙式杂质(B) 1、根据所处位置划分杂质类型： 图2-2 硅中间隙式杂质和替位式杂质 特点或条件？ 两种类型杂质 的各自特点： 根据导电类型区分 受主杂质 施主杂质 2、根据导电类型划分杂质类型 (1)、施主杂质 （浓度：ND、ED） 电离时能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心，称此类杂质为施主杂质或n型杂质。 硅、锗中的V族元素。 涉及的基本概念 应主要关注的参数： 施主杂质电离能ΔED 图2-4 施主能级和施主电离 Si、Ge而言，施主通常是V族元素。电离能较小，在Si中约0.04～0.05eV，Ge中约0.01eV。 硅锗中常见施主杂质及电离能ΔED 0.039 0.0096 0.049 0.0127 0.044 0.0126 Si Ge Sb As P 杂 质 晶 体 表2-1 硅锗中常见杂质电离能(单位:ev)