第二章半导体中杂质和缺陷能级讲解
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
• 表2-2 硅、锗晶体中III族杂质的电离能(eV)
总结
施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中
提供导电的电子，并成为带正电的离子。如
Si中掺的P 和As 受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如 Si中掺的B
施主和受主浓度：ND、NA
硅、锗中的Ⅲ族杂质，能够接受电子而在价带中产生空 穴， 并形成负电中心的杂质，称为受主杂质或P型杂质，
掺有P 型杂质的半导体叫P型半导体。受主杂质未电离时
是中性的，电离后成为负电中心。
带有分立的受主能级 的能带图
受主能级电离能带图
• 被受主杂质束缚的空穴的能量状态称为受主能级EA。
• 施主能级位于离价带顶很近的禁带中 • 杂质原子间的相互作用可忽略，某一种杂质的受主能级 是一些具有相同能量的孤立能级。
的补偿作用。
ND>>NA
NA>>ND
NA~ ~ND
1、当 ND>>NA 因为受主能级低于施主能级，所以施主杂质的电子 首先跃迁到NA个受主能级上，还有ND-NA个电子在
施主能级上，杂质全部电离时，跃迁到导带中的导
电电子的浓度为n= ND-NA。即则有效施主浓度为
NAeff≈ ND-NA
EC ED
EA
EV
2、 当NA>>ND
施主能级上的全部电子跃迁到受主能级上，
受主能级上还有NA-ND个空穴，它们可接受价
带上的NA-ND个电子，在价带中形成的空穴浓
度p= NA-ND. 即有效受主浓度为NAeff≈ NA-ND
Si
Si
P+
磷替代硅，其效果是 形成一个正电中心P+ 和一个多余的价电子。 这个多余的价电子就 束缚在正电中心P+的 周围（弱束缚）。
Si 施 主 掺 杂（掺磷）
多余 价电子 磷原子
+4 +5
+4 +4
Ⅴ族元素有5个价电子，其中的四个价电子与周围 的四个硅原子形成共价键，还剩余一个电子，同 时Ⅴ族原子所在处也多余一个正电荷，称为正离 子中心，所以，一个Ⅴ族原子取代一个硅原子， 其效果是形成一个正电中心和一个多余的电子。 电子脱离杂质原子的束缚成为导电电子的过程称 为杂质电离。
多余的电子束缚在正电中心，但这种束缚很弱
很小的能量就可使电子摆脱束缚，成为在晶格中导
电的自由电子，而Ⅴ族原子形成一个不能移动的
正电中心。
硅、锗中的Ⅴ族杂质，能够释放电子而产生导电
电子并形成正电中心，称为施主杂质或N型杂质， 掺有N型杂质的半导体叫N型半导体。施主杂质未 电离时是中性的，电离后成为正电中心。
金钢石晶体结构中的四面体间隙位置
金钢石晶体结构中的六角形间隙位置
Si SiΒιβλιοθήκη BaiduSi Si
Si Si Si Si
Si Si Si Si
Si Si P Si
Si Si Si Si
杂质原子进入半导体硅后，只 可能以两种方式存在。
一种方式是杂质原子位于晶格 原子间的间隙位置，常称为间 隙式杂质；间隙式杂质原子一 般较小，如离子锂（Li+）。
总结
E0 E E1 13.6eV
2.1.4 浅能级杂质电离能的简单计算
采用类氢原子模型估算施主和受主杂质的电离能
m0 q 4 En 2 2 2 氢原子中电子的能量： 32 2 0 n
m0 q 4 n=1时,基态电子能量 E1 32 2 2 2 13.6eV 0
带有分立的施主能级 的能带图
施主能级电离能带图
被施主杂质束缚的电子的能量状态称为施主能级ED。 施主能级位于离导带低很近的禁带中
杂质原子间的相互作用可忽略，某一种杂质的施主能级
是一些具有相同能量的孤立能级。
表2-1 硅、锗晶体中Ⅴ族杂质的电离能(eV)
2.1.3 受主杂质 受主能级
的四个硅原子形成共价键，还缺少一个电子，于是在硅晶体的共价
键中产生了一个空穴，而Ⅲ族原子接受一个电子后所在处形成一个 负离子中心，所以，一个Ⅲ族原子取代一个硅原子，其效果是形成
一个负电中心和一个空穴
空穴束缚在Ⅲ族原子附近，但这种束缚很弱 很小的能量就可使空穴摆脱束缚，成为在晶格中自由运 动的导电空穴，而Ⅲ族原子形成一个不能移动的负电中心。
nm 基态下（n=1），氢原子的轨道半径： r1 0.053
作业： 第二章习题7 第二章习题8 两题都加上第三小问③ 请画出杂质能级的能带图
2.1.5 杂质的补偿作用
当半导体中同时存在施主和受主杂质时，半导体
是n型还是p型呢？
在半导体中，若同时存在着施主和受主杂质，施
受主杂质之间有互相抵消的作用，通常称为杂质
n=时，氢原子电离
E=0
E0 E E1 13.6eV
氢原子的电离能
晶体内杂质原子束缚的电子：
* mn 0.12m0
m0mn*, mp*; 0 r0
施主杂质的电离能：
Si:
Ge:
受主杂质的电离能
氢原子半径：
施主杂质半径：
4 2 0 2 r0 2 n q m0 4 2 0 r 2 m0 r r n * r0 2 * q mn mn
另一种方式是杂质原子取代晶格原子而位于晶格格点处，常称为替位 式杂质。替位式杂质原子通常与被取代的晶格原子大小比较接近而且电子壳层
结构也相似。
用单位体积中的杂质原子数，也就是杂质浓度来定量描述杂质含量多 少，杂质浓度的单位为1/cm3
2.1.2 施主杂质、施主能级
Si Si
-
Si Si Si
第二章半导体中的杂质和缺陷能级
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
2.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的杂质能级 2.3 氮化镓的杂质能级 2.4 缺陷和位错的能级
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
2.1.1 替位式杂质 间隙式杂质
Si和Ge都具有金钢石结构，一个原胞含有8个原子。 原胞内8个原子的体积与立方原胞体积之比为34%，原 胞内存在66%的空隙。
Si
Si
Si B-
+
Si Si
Si
Si
Si
受 主 掺 杂（掺硼）
硼原子接受一个电子后， 成为带负电的硼离子， 称为负电中心（B- ） 。 带负电的硼离子和带正 电的空穴间有静电引力 作用，这个空穴受到硼 离子的束缚，在硼离子 附近运动。
空穴
+4
+4
+3
+4
BⅢ族元素占据了硅原子的位置： Ⅲ族元素有3个价电子，它与周围
总结
施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中
提供导电的电子，并成为带正电的离子。如
Si中掺的P 和As 受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如 Si中掺的B
施主和受主浓度：ND、NA
硅、锗中的Ⅲ族杂质，能够接受电子而在价带中产生空 穴， 并形成负电中心的杂质，称为受主杂质或P型杂质，
掺有P 型杂质的半导体叫P型半导体。受主杂质未电离时
是中性的，电离后成为负电中心。
带有分立的受主能级 的能带图
受主能级电离能带图
• 被受主杂质束缚的空穴的能量状态称为受主能级EA。
• 施主能级位于离价带顶很近的禁带中 • 杂质原子间的相互作用可忽略，某一种杂质的受主能级 是一些具有相同能量的孤立能级。
的补偿作用。
ND>>NA
NA>>ND
NA~ ~ND
1、当 ND>>NA 因为受主能级低于施主能级，所以施主杂质的电子 首先跃迁到NA个受主能级上，还有ND-NA个电子在
施主能级上，杂质全部电离时，跃迁到导带中的导
电电子的浓度为n= ND-NA。即则有效施主浓度为
NAeff≈ ND-NA
EC ED
EA
EV
2、 当NA>>ND
施主能级上的全部电子跃迁到受主能级上，
受主能级上还有NA-ND个空穴，它们可接受价
带上的NA-ND个电子，在价带中形成的空穴浓
度p= NA-ND. 即有效受主浓度为NAeff≈ NA-ND
Si
Si
P+
磷替代硅，其效果是 形成一个正电中心P+ 和一个多余的价电子。 这个多余的价电子就 束缚在正电中心P+的 周围（弱束缚）。
Si 施 主 掺 杂（掺磷）
多余 价电子 磷原子
+4 +5
+4 +4
Ⅴ族元素有5个价电子，其中的四个价电子与周围 的四个硅原子形成共价键，还剩余一个电子，同 时Ⅴ族原子所在处也多余一个正电荷，称为正离 子中心，所以，一个Ⅴ族原子取代一个硅原子， 其效果是形成一个正电中心和一个多余的电子。 电子脱离杂质原子的束缚成为导电电子的过程称 为杂质电离。
多余的电子束缚在正电中心，但这种束缚很弱
很小的能量就可使电子摆脱束缚，成为在晶格中导
电的自由电子，而Ⅴ族原子形成一个不能移动的
正电中心。
硅、锗中的Ⅴ族杂质，能够释放电子而产生导电
电子并形成正电中心，称为施主杂质或N型杂质， 掺有N型杂质的半导体叫N型半导体。施主杂质未 电离时是中性的，电离后成为正电中心。
金钢石晶体结构中的四面体间隙位置
金钢石晶体结构中的六角形间隙位置
Si SiΒιβλιοθήκη BaiduSi Si
Si Si Si Si
Si Si Si Si
Si Si P Si
Si Si Si Si
杂质原子进入半导体硅后，只 可能以两种方式存在。
一种方式是杂质原子位于晶格 原子间的间隙位置，常称为间 隙式杂质；间隙式杂质原子一 般较小，如离子锂（Li+）。
总结
E0 E E1 13.6eV
2.1.4 浅能级杂质电离能的简单计算
采用类氢原子模型估算施主和受主杂质的电离能
m0 q 4 En 2 2 2 氢原子中电子的能量： 32 2 0 n
m0 q 4 n=1时,基态电子能量 E1 32 2 2 2 13.6eV 0
带有分立的施主能级 的能带图
施主能级电离能带图
被施主杂质束缚的电子的能量状态称为施主能级ED。 施主能级位于离导带低很近的禁带中
杂质原子间的相互作用可忽略，某一种杂质的施主能级
是一些具有相同能量的孤立能级。
表2-1 硅、锗晶体中Ⅴ族杂质的电离能(eV)
2.1.3 受主杂质 受主能级
的四个硅原子形成共价键，还缺少一个电子，于是在硅晶体的共价
键中产生了一个空穴，而Ⅲ族原子接受一个电子后所在处形成一个 负离子中心，所以，一个Ⅲ族原子取代一个硅原子，其效果是形成
一个负电中心和一个空穴
空穴束缚在Ⅲ族原子附近，但这种束缚很弱 很小的能量就可使空穴摆脱束缚，成为在晶格中自由运 动的导电空穴，而Ⅲ族原子形成一个不能移动的负电中心。
nm 基态下（n=1），氢原子的轨道半径： r1 0.053
作业： 第二章习题7 第二章习题8 两题都加上第三小问③ 请画出杂质能级的能带图
2.1.5 杂质的补偿作用
当半导体中同时存在施主和受主杂质时，半导体
是n型还是p型呢？
在半导体中，若同时存在着施主和受主杂质，施
受主杂质之间有互相抵消的作用，通常称为杂质
n=时，氢原子电离
E=0
E0 E E1 13.6eV
氢原子的电离能
晶体内杂质原子束缚的电子：
* mn 0.12m0
m0mn*, mp*; 0 r0
施主杂质的电离能：
Si:
Ge:
受主杂质的电离能
氢原子半径：
施主杂质半径：
4 2 0 2 r0 2 n q m0 4 2 0 r 2 m0 r r n * r0 2 * q mn mn
另一种方式是杂质原子取代晶格原子而位于晶格格点处，常称为替位 式杂质。替位式杂质原子通常与被取代的晶格原子大小比较接近而且电子壳层
结构也相似。
用单位体积中的杂质原子数，也就是杂质浓度来定量描述杂质含量多 少，杂质浓度的单位为1/cm3
2.1.2 施主杂质、施主能级
Si Si
-
Si Si Si
第二章半导体中的杂质和缺陷能级
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
2.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的杂质能级 2.3 氮化镓的杂质能级 2.4 缺陷和位错的能级
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
2.1.1 替位式杂质 间隙式杂质
Si和Ge都具有金钢石结构，一个原胞含有8个原子。 原胞内8个原子的体积与立方原胞体积之比为34%，原 胞内存在66%的空隙。
Si
Si
Si B-
+
Si Si
Si
Si
Si
受 主 掺 杂（掺硼）
硼原子接受一个电子后， 成为带负电的硼离子， 称为负电中心（B- ） 。 带负电的硼离子和带正 电的空穴间有静电引力 作用，这个空穴受到硼 离子的束缚，在硼离子 附近运动。
空穴
+4
+4
+3
+4
BⅢ族元素占据了硅原子的位置： Ⅲ族元素有3个价电子，它与周围