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第二章半導體中雜質(zhì)和缺陷能級詳解演示文稿目前一頁\總數(shù)二十七頁\編于十七點優(yōu)選第二章半導體中雜質(zhì)和缺陷能級目前二頁\總數(shù)二十七頁\編于十七點1、雜質(zhì)與雜質(zhì)能級(1)雜質(zhì)半導體中存在的與本體元素不同的其它元素。(2)雜質(zhì)來源無意摻入有意摻入(3)雜質(zhì)在半導體中的分布狀況替位式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì)雜質(zhì)出現(xiàn)在半導體中時,產(chǎn)生的附加勢場使嚴格的周期性勢場遭到破壞。目前三頁\總數(shù)二十七頁\編于十七點(4)雜質(zhì)能級雜質(zhì)引起的電子能級稱為雜質(zhì)能級。通常位于禁帶之中的雜質(zhì)能級對半導體性能有顯著影響。EgECEV雜質(zhì)能級目前四頁\總數(shù)二十七頁\編于十七點2、施主能級雜質(zhì)電離后能夠施放電子而產(chǎn)生自由電子并形成正電中心(正離子)。這種雜質(zhì)稱為施主雜質(zhì)。以硅為例:在硅單晶中摻入磷(P)等V族元素。電離施主導帶電子硅原子(1)施主雜質(zhì)目前五頁\總數(shù)二十七頁\編于十七點在Si單晶中,V族施主替位雜質(zhì)的兩種荷電狀態(tài)的價鍵
(a)電離態(tài)(b)中性施主態(tài)目前六頁\總數(shù)二十七頁\編于十七點施主能級(2)施主電離施主未電離時,在飽和共價鍵外還有一個電子被施主雜質(zhì)所束縛,該束縛態(tài)所對應的能級稱為施主能級。特征:
①施主雜質(zhì)電離,導帶中出現(xiàn)
施主提供的導電電子;
②電子濃度大于空穴濃度,
即n>p。摻入施主的半導體以電子導電為主,被稱為n型半導體ECEV目前七頁\總數(shù)二十七頁\編于十七點施主電離能△ED=EC-EDEgECEV施主能級ED△ED=EC-EDSi、Ge中V族雜質(zhì)的電離能晶體雜質(zhì)磷P砷As銻Sb硅Si鍺Ge0.0440.01260.0490.01270.0390.0096目前八頁\總數(shù)二十七頁\編于十七點施主電離過程示意圖施主雜質(zhì)電離的結(jié)果:導帶中的電子數(shù)增加了,這就是摻施主雜質(zhì)的意義所在。目前九頁\總數(shù)二十七頁\編于十七點3、受主能級束縛在雜質(zhì)能級上的空穴被激發(fā)到價帶EV,成為價帶空穴,該雜質(zhì)電離后成為負電中心(負離子)。這種雜質(zhì)稱為受主雜質(zhì)?;蚨x為:能夠向半導體提供空穴并形成負電中心的雜質(zhì)。以硅為例:在硅單晶中摻入硼(B)等III族元素。電離受主價帶空穴硅原子(1)受主雜質(zhì)目前十頁\總數(shù)二十七頁\編于十七點在Si單晶中,III族受主替位雜質(zhì)的兩種荷電狀態(tài)的價鍵
(a)電離態(tài)(b)中性受主態(tài)目前十一頁\總數(shù)二十七頁\編于十七點受主能級(2)受主電離受主雜質(zhì)電離后所接受的電子被束縛在原來的空狀態(tài)上,該束縛態(tài)所對應的能級稱為受主能級。特征:
①受主雜質(zhì)電離,價帶中出現(xiàn)
受主提供的導電空穴;
②空穴濃度大于電子濃度,
即p>n。摻入受主雜質(zhì)的半導體以空穴導電為主被稱為p型半導體ECEV目前十二頁\總數(shù)二十七頁\編于十七點受主電離能△EA=EA-EVEgECEV受主能級EASi、Ge中Ⅲ族雜質(zhì)的電離能晶體雜質(zhì)硼B(yǎng)鋁Al銦In硅Si鍺Ge△EA=EA-EV鎵Ga0.0450.0570.0650.1600.010.010.0110.011目前十三頁\總數(shù)二十七頁\編于十七點受主電離過程示意圖受主雜質(zhì)電離的結(jié)果:價帶中的空穴數(shù)增加了,這就是摻受主雜質(zhì)的意義所在。目前十四頁\總數(shù)二十七頁\編于十七點4、淺能級雜質(zhì)(1)淺能級雜質(zhì)的特點一般是替位式雜質(zhì)施主電離能△ED遠小于禁帶寬度△Eg,通常為V族元素。受主電離能△EA遠小于禁帶寬度△Eg。通常為III族元素。目前十五頁\總數(shù)二十七頁\編于十七點(2)淺能級雜質(zhì)的作用改變半導體的電阻率;決定半導體的導電類型。(3)控制雜質(zhì)濃度的方法在單晶生長過程中摻入雜質(zhì)在高溫下通過雜質(zhì)擴散的工藝摻入雜質(zhì)離子注入雜質(zhì)在薄膜外延工藝過程中摻入雜質(zhì)用合金工藝將雜質(zhì)摻入半導體中目前十六頁\總數(shù)二十七頁\編于十七點5、淺能級雜質(zhì)電離能的簡單計算氫原子滿足:解得電子能量:氫原子基態(tài)能量:氫原子自由態(tài)能量:故基態(tài)電子的電離能:(1)氫原子基態(tài)電子的電離能n=1,2,3,……目前十七頁\總數(shù)二十七頁\編于十七點(2)用類氫原子模型估算淺能級雜質(zhì)的電離能淺能級雜質(zhì)=雜質(zhì)離子+束縛電子(或空穴)目前十八頁\總數(shù)二十七頁\編于十七點正、負電荷所處介質(zhì)的介電常數(shù)為:電勢能:施主電離能:受主電離能:(mn*和mp*分別為電導有效質(zhì)量)(3)(4)估算結(jié)果與實際測量值有誤差,但數(shù)量級相同。這種估算有優(yōu)點,也有缺點。Ge:△ED~0.0064eVSi:△ED~0.025eV目前十九頁\總數(shù)二十七頁\編于十七點6、雜質(zhì)補償半導體中同時存在施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)時,受主雜質(zhì)會接受施主雜質(zhì)的電子,導致兩者提供載流子的能力相互抵消,這種作用稱為雜質(zhì)補償。在制造半導體器件的過程中,通過采用雜質(zhì)補償?shù)姆椒▉砀淖儼雽w某個區(qū)域的導電類型或電阻率。高度補償:若施主雜質(zhì)濃度與受主雜質(zhì)濃度相差很小或二者相等,則不能提供電子或空穴,此時半導體的導電能力與本征半導體相當,這種情況稱為雜質(zhì)的高度補償。目前二十頁\總數(shù)二十七頁\編于十七點ND>NA時:n型半導體因EA在ED之下,ED上的束縛電子首先填充EA上的空位,即施主與受主先相互“抵消”,剩余的束縛電子再電離到導帶上。有效施主濃度:ND*=ND-NA目前二十一頁\總數(shù)二十七頁\編于十七點NA>ND時:p型半導體因EA在ED之下,ED上的束縛電子首先填充EA上的空位,即施主與受主先相互“抵消”,剩余的束縛空穴再電離到價帶上。有效受主濃度:NA*=NA-ND目前二十二頁\總數(shù)二十七頁\編于十七點NA≌ND時:雜質(zhì)高度補償ECEDEAEVEg本征激發(fā)的價帶空穴本征激發(fā)的導帶電子高度補償:若施主雜質(zhì)濃度與受主雜質(zhì)嘗試相差不大或二
者相等,則不能提供電子或空穴,這種情況稱
為雜質(zhì)的高度補償。目前二十三頁\總數(shù)二十七頁\編于十七點7、深能級雜質(zhì)EgECEVED△ED
EA△EAEgECEVED△ED
EA△EA淺能級雜質(zhì)深能級雜質(zhì)△ED<<Eg△EA<<Eg△ED≤Eg△EA≤Eg目前二十四頁\總數(shù)二十七頁\編于十七點例1:Au(I族)在Ge中Au在Ge中共有五種可能的狀態(tài):①Au0②Au+③Au一④Au二;⑤Au三②Au+:Au
0–e→Au+①Au
0:電中性態(tài)③Au一:Au0+e→Au一④Au二:Au一+e→Au二⑤Au三:Au二+e→Au三EgECEVED0.04eVEgECEVED0.04eV0.15eVEAEgED0.04eV0.15eVEA10.20eVEA2ECEVEgED0.04eV0.15eVEA1EA2EA3ECEV目前二十五頁\總數(shù)二十七頁\編于十七點例2:Au(I族)在Si中ECEVED0.35eVEA0.54eV目前二十六頁\總數(shù)二十七頁\編于十七點在化合物半導體中,某種雜質(zhì)在其中既可以作施主又可以作受主,這種雜質(zhì)稱為兩性雜質(zhì)。例如:GaAs中摻Si(IV族)
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