(推荐)半导体物理学第七版刘恩科编著cha

在磷化镓中，Zn原子代替Ga原子位置，O原子 代替P原子位置，当两个杂质原子处于相邻晶格点 时，形成一个电中性的Zn-O络合物
48
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。
49
IV族元素 取代III族起施主杂质作用，取代V族则起受
例：GaP中掺入Ⅴ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。
❖ 等电子杂质（如N）占据本征原子位置（如GaP 中的P位置）后
N
NP
❖ 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。
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等电子陷阱举例
1、N在GaP中：NP 2、C在Si中：CSi 其存在形式可以是 （1）替位式 （2）复合体，如 Zn-O
EC
△E=
EA2
EA1 EV
Au二
42
Impurity-doped Silicon
（5） Au三： Au二 + e
△E=
EC EA3
EA2
EA1 EV
Au三
43
❖ 金是I族元素
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。但
由于库仑力的排斥作用，后获得电子的电离能大 于先获得电子的电离能。即EA3>EA2>EA1。 金在Ge中存在ED、 EA3、EA2、EA1四个孤立能级。
（1）Au+： Au0 – e
EC
Eg
ED
EV
Au+
39
Impurity-doped Silicon
(2)Au0
电中性态
40
Impurity-doped Silicon
（3） Au一： Au0 + e
EC
EA1 EV
Au一
41
Impurity-doped Silicon
（4） Au二：Au一 + e
10
(2)替位式→杂质占据格点的位置，大 小接近，价电子壳层结构相近。
Si：r=0.117nm B：r=0.089nm P：r=0.11nm
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硅、锗是Ⅳ 族元素，与Ⅲ 、Ⅴ族元素的情况比 较相近，它们在硅、锗晶体中都是替位式杂质。
= Si = ‖
= Si = ‖
= Si = ‖
Si
=
‖
P+ ●
44
2.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物中的杂质能级
杂质在砷化镓中的存在 形式
1）取代砷 2）取代镓 3）填隙
45
I族元素
（一E般v+为0.引23入8）受e主v；能金级受，主如能银级受为主（能E级v+为0（.09E）v+e0v.1；1）替e位v式，铜 受主能级为（Ev+0.14）ev，（Ev+0.44）ev等
2
本征半导体（intrinsic）能带：
没有
Eg
能级
3
实际半导体（extrinsic）：
1 晶体中晶格位置上的原子在平衡位置振动
2 晶格结构并非完整无缺，存在缺陷
点缺陷
空位
缺陷的出现： 线缺陷
位错
面缺陷
层错
3 存在与晶体基质原子不同的杂质原子
无意掺杂
杂质的出现：
有意掺杂
源材料和工艺 有目的控制
4
❖ n型半导体
依靠导带电子导电的半导体。
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Si、Ge中Ⅴ族杂质的电离能△ED（eV）
晶体
Si Ge
杂 P 0.044 0.0126
质 As 0.049 0.0127
Sb 0.039 0.0096
硅、锗在T=0 K时的Eg为1.170 eV和0.7437 eV
施主杂质：束缚在杂质能级上的电子被激发
53
❖ 空位易于间隙原子出现
因为空位周围有四个不成 对电子，所以空位表现出 受主作用；
每个间隙原子有四个可以 失去的电子，所以表现出 施主作用。
54
❖ GaAs 中 的 镓 空 位 和 砷 空位均表现为受主作用；
55
❖ 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，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。
Impurity-doped Silicon
正、负电荷所处介质的介电常数为： 0r
电势能 U(r) q2 40rr
施主 E 电 D8 m 0 离 2 n * r q 2 4 h 2 能 m m n 0 * E r0 2 (3 ) 受主 E 电 A8 m 0 离 2 p * r q 2 4 h 2 能 m m p 0 * E r0 2 (4 )
完整版课件ppt48si其存在形式可以是2复合体如zno在磷化镓中zn原子代替ga原子位置o原子代替p原子位置当两个杂质原子处于相邻晶格点时形成一个电中性的zno络合物等电子陷阱举例完整版课件ppt49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完整版课件ppt50举例
❖ p型半导体
依靠价带空穴导电的半导体。
23
24
Impurity-doped Silicon
EC
Eg EV
△EA EA
受主 电 离 能： △EA=EA-EV 25
26
Impurity-doped Silicon
（浅）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 提供的导电电 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 27
Impurity-doped Silicon
• 上述杂质的特点：
施主电离能△ED<< Eg 受主电离能 △EA<<Eg
浅能级杂质
杂质的双重作用：
• 改变半导体的电阻率
• 决定半导体的导电类型
束缚在正电中 心附近的价电 子所受到的束 缚力比共价键 弱得多！ 16
❖ 施主杂质
V族元素在硅、锗中电离时能够释放电子而产生导电电子 并形成正电中心，称此类杂质为施主杂质或n型杂质。
❖ 施主电离
施主杂质释放电子的过程。
❖ 施主能级
被施主杂质束缚的电子的能量状态，记为ED，施主电离能 量为ΔED。
❖ 离子性弱的二元化合物AB，替位原子AB是受主，BA 是施主。
56
❖ 点缺陷对半导体性质的影响：
1）缺陷处晶格畸变，周期性势场被破坏，致使在 禁带中产生能级。
II族元素
价电子比III族元素少一个，有获得一个电子完成共价键的倾 向。通常取代III族原子位于格点上，表现为受主杂质。
III，V族元素
掺入不是由他们本身形成的III-V族化合物，实验中测不到杂 质影响。是电中性杂质，在禁带中不引入能级。
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等电子陷阱
（1）等电子杂质
特征：a、与本征元素同族但不同原子序数
6
§2.1 Si、Ge晶体中的杂质能级
2.1.1替位式杂质、间隙式杂质
❖ 替位式杂质
杂质原子的大小与晶体原子相似 III、V族元素在硅、锗中均为替位式杂质
❖ 间隙式杂质
杂质原子小于晶体原子
❖ 杂质浓度：单位体积内的杂质原子数
7
1 杂质存在的方式
(1)间隙式→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。
（1） 氢原子基态电子的电离能
氢原子电子满足： 4 h 22 m 0 24 q20r (r)E n (r) (1 )
解得电子能量： En8m 020hq24n2,n123
氢原子基态能量：E1
m0q4 802h2
氢原子的电离能： E 0
故基态电子的电离能： E0EE18m 002qh42 (2) 30
➢ 间隙式原子的半径一般比较小。
8
2r 1 a 3 r= 3 a
4
8
8 4r3
3 0.34
a3
➢在金刚石型晶体中，一个晶胞内的原子只占晶 胞体积的34%，空隙占66%。 ➢Li+在硅、锗、砷化镓中是间隙式杂质。
碱金属原子在半导体尤其在Si中易扩散，引起器件
性能的恶化
9
❖ 金刚石型晶体结构中的两种空隙
21
受主能级：Si中掺硼B（Si：B）
电离 受主
价带 空穴
22
❖ 受主杂质
III族元素在硅、锗中电离时能够接受电子而产生导电空穴 并形成负电中心，称此类杂质为受主杂质或p型杂质。
❖ 受主电离
受主杂质释放空穴的过程。
❖ 受主能级
被受主杂质束缚的空穴的能量状态，记为EA。受主电离能 量为ΔEA
离价带顶较远，形成深能级，称为深能级杂质。 深能级杂质能够产生多次电离，每次电离均对应一个能级。
35
Impurity-doped Silicon
Ec ED
EEvA
Ec
△E D
E E浅能级杂质
△ED<<Eg △EA<<Eg
（2）深能级杂质
△EA EA EA
△E D≮Eg
△EA≮Eg
36
28
Impurity-doped Silicon
控制杂质浓度的方法
• 在单晶生长过程中掺入杂质 • 在高温下通过杂质扩散的工艺掺入杂质 • 离子注入杂质 • 在薄膜外延工艺过程中掺入杂质 • 用合金工艺将杂质掺入半导体中
29
Impurity-doped Silicon
2.1.4 浅能级杂质电离能简单计算
主作用。杂质总效果与掺杂浓度及掺杂时的 外界条件有关。
举例：GaAs中掺Si（Ⅳ族）
Ga：Ⅲ族
As：Ⅴ族
Si Ga SiAs
两性杂质：
两性杂质
受主 施主
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，这种杂质称为两性杂质。
50
❖ VI族元素 取代V族原子，表现为施主杂质，引入施主能级。
❖ 过渡族元素
材料性质
杂质和缺陷对能带结构的影响： ✓ 周期性势场受到破坏 ✓ 在半导体的禁带中引入能级 ✓ 影响半导体的电、光性质。
5
本章主要内容：
1 硅、锗中的浅能级和深能级杂质以及杂 质能级，了解浅能级杂质电离能的计算，了解杂 质补偿作用。 2 III-V族化合物主要是GaAs中的杂质能级。 3 了解缺陷、位错能级。
p= NA-ND ≈ NA，半导体是p型的
❖ 当ND≈NA时
补偿半导体
❖ 有效杂质浓度
补偿后半导体中的净杂质浓度。 33
34
2.1.6深能级杂质
❖ 非Ⅲ、Ⅴ族杂质在Si、Ge的禁带中产生的施主能级 远离导带底，受主能级远离价带顶。杂质电离能大， 能够产生多次电离
❖ 特点
多为替位式杂质 硅、锗的禁带中产生的施主能级距离导带底、受主能级距
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2.4 缺陷、位错能级 (defect levels)
52
2.4.1 点缺陷 point defects
❖ 热缺陷 thermal defects （由温度决定）
弗仓克尔缺陷
❖ 成对出现的间隙原子和空位
肖特基缺陷
❖ 只形成空位而没有间隙原子
III-V族化合物，成分偏离正常化学比 替位原子
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杂质：半导体中存在的与本体元素不同的其
它元素。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，可能在禁 带中引入允许电子具有的能量状态（即能级）。
杂质能级位于禁带之中
Ec
杂质能级
Ev
15
施主（donor) 杂质 施主能级： 举例：Si中掺磷P（Si：P） 电离施主 P+
导带电子
mn*和mp*分别为电导有效质量 31
Impurity-doped Silicon
估算结果与实际测 量值有相同数量级
• Ge： △ED ～ 0.0064 eV
• Si:
△ED ～ 0.025 eV
32
2.1.5杂质的补偿作用
❖ 当ND>>NA时
n= ND-NA ≈ ND，半导体是n型的
❖ 当ND<<NA时
Impurity-doped Silicon
在元素半导体中的替位受主和施主
•
37
Impurity-doped Silicon
例1：Au（Ⅰ族）在Ge中
Au在Ge中共有五种可能的状态：
（1）Au+； （2） Au0 ； （3） Au一 ； （4） Au二 ； （5） Au三。
38
Impurity-doped Silicon
第2章 半导体中杂 质和缺陷能级
Impurity and defect energy level in semiconductor
刘丹
1
❖ 理想半导体：
1、原子严格地周期性排列，晶体具有完整的晶格 结构。
2、晶体中无杂质，无缺陷。 3、电子在周期场中作共有化运动，形成允带和禁
带——电子能量只能处在允带中的能级上，禁带 中无能级。由本征激发提供载流子 本征半导体——晶体具有完整的（完美的）晶格 结构，无任何杂质和缺陷。
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。 18
施主杂质
束缚态：杂质未电离，中性
离化态：杂质电离成为正电 中心，释放电子
杂质电离能：△ED=EC-ED
△ED=EC-ED
ED
EC
Eg
EV19
20
2.1.3受主杂质、受主能级 Acceptor impurity and acceptor level
=
‖
Si =
‖
Si = ‖ Si = ‖ Si = ‖
单位体积中的杂质原子数－－杂质浓度 12
两种杂质特点： ❖ 间隙式杂质：原子一般比较小， 如：锂离子，0.068nm
❖ 替值式杂质时： 1）杂质原子的大小与被取代的晶格原子的大小比
较相近 2）价电子壳层结构比较相近 如：Ⅲ，Ⅴ族元素
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2.1.2施主杂质、施主能级 Donor impurity and donor level