半導(dǎo)體物理學(xué) 半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷教案

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1、會(huì)計(jì)學(xué)1半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué) 半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷供載流子。供載流子。第1頁(yè)/共81頁(yè)雜質(zhì)和缺陷可在禁帶中引入能級(jí)，從而對(duì)雜質(zhì)和缺陷可在禁帶中引入能級(jí)，從而對(duì)半導(dǎo)體的性質(zhì)產(chǎn)生了決定性的作用半導(dǎo)體的性質(zhì)產(chǎn)生了決定性的作用第2頁(yè)/共81頁(yè) 1. 淺能級(jí)雜質(zhì)能級(jí)和雜質(zhì)電離；淺能級(jí)雜質(zhì)能級(jí)和雜質(zhì)電離； 2. 淺能級(jí)雜質(zhì)電離能的計(jì)算；淺能級(jí)雜質(zhì)電離能的計(jì)算； 3. 雜質(zhì)補(bǔ)償作用雜質(zhì)補(bǔ)償作用 4. 深能級(jí)雜質(zhì)的特點(diǎn)和作用深能級(jí)雜質(zhì)的特點(diǎn)和作用 1、等電子雜質(zhì)；、等電子雜質(zhì)； 2、族元素起兩性雜質(zhì)作用族元素起兩性雜質(zhì)作用2-1 元素半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí)元素半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí)2-3 缺陷

2、能級(jí)缺陷能級(jí)2-2 化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí)化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí)點(diǎn)缺陷對(duì)半導(dǎo)體性能的影響點(diǎn)缺陷對(duì)半導(dǎo)體性能的影響 第3頁(yè)/共81頁(yè)雜質(zhì)的來(lái)源雜質(zhì)的來(lái)源：有意摻入有意摻入無(wú)意摻入無(wú)意摻入根據(jù)雜根據(jù)雜質(zhì)在能級(jí)中的位置不同：質(zhì)在能級(jí)中的位置不同：替位式是雜質(zhì)替位式是雜質(zhì)間隙式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì)第4頁(yè)/共81頁(yè)在金剛石型晶體中，晶胞中原子的體積百分?jǐn)?shù)為在金剛石型晶體中，晶胞中原子的體積百分?jǐn)?shù)為34%，說(shuō)明還有，說(shuō)明還有66%是空隙。是空隙。Si 中的雜質(zhì)有兩種存中的雜質(zhì)有兩種存在方式，在方式，a：間隙式雜質(zhì)：間隙式雜質(zhì) 特點(diǎn)：雜質(zhì)原子一般較小，鋰元素特點(diǎn)：雜質(zhì)原子一般較小，鋰元素b：替位式雜質(zhì)：替位式

3、雜質(zhì) 特點(diǎn)：雜質(zhì)原子的大小與被替代的晶格原子大特點(diǎn)：雜質(zhì)原子的大小與被替代的晶格原子大小可以相比，價(jià)電子殼層結(jié)構(gòu)比較相近，小可以相比，價(jià)電子殼層結(jié)構(gòu)比較相近，和和族族元素在元素在Si，Ge中都是替位式中都是替位式以硅為例說(shuō)明以硅為例說(shuō)明單位體積中的雜質(zhì)原子數(shù)稱(chēng)為單位體積中的雜質(zhì)原子數(shù)稱(chēng)為雜質(zhì)濃度雜質(zhì)濃度第5頁(yè)/共81頁(yè)Si：r=0.117nmB：r=0.089nmP：r=0.11nmSiSiSiSiSiSiSiPSiLi第6頁(yè)/共81頁(yè)N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體復(fù)合中心復(fù)合中心陷阱陷阱雜質(zhì)分類(lèi)雜質(zhì)分類(lèi)淺能級(jí)雜質(zhì)淺能級(jí)雜質(zhì)深能級(jí)深能級(jí)雜質(zhì)雜質(zhì)第7頁(yè)/共81頁(yè)雜質(zhì)能級(jí)位于禁帶中雜質(zhì)能級(jí)位

4、于禁帶中Eg淺能級(jí)淺能級(jí)第8頁(yè)/共81頁(yè)施主雜質(zhì)施主雜質(zhì)施主能級(jí)施主能級(jí)Ei受主雜質(zhì)受主雜質(zhì) 受主能級(jí)受主能級(jí)EcEv淺能級(jí)淺能級(jí)第9頁(yè)/共81頁(yè)(1)VA族的替位雜質(zhì)族的替位雜質(zhì)在硅在硅Si中摻入中摻入PSiSiSiSiSiSiSiP+Si磷原子替代硅原子后，形成一個(gè)正電中心P和一個(gè)多余的價(jià)電子未電離未電離電離后電離后2、元素半導(dǎo)體的雜質(zhì)、元素半導(dǎo)體的雜質(zhì)第10頁(yè)/共81頁(yè) （a）電離態(tài)）電離態(tài) （b）中性施主態(tài)）中性施主態(tài) 第11頁(yè)/共81頁(yè)過(guò)程：過(guò)程：1.形成共價(jià)鍵后存在正電中心形成共價(jià)鍵后存在正電中心P+；2.多余的一個(gè)電子掙脫束縛，在晶格中自由多余的一個(gè)電子掙脫束縛，在晶格中自由動(dòng)；

5、雜質(zhì)電離動(dòng)；雜質(zhì)電離3. P+成為不能移動(dòng)的正電中心；成為不能移動(dòng)的正電中心；雜質(zhì)電離，雜質(zhì)電離能，施主雜質(zhì)電離，雜質(zhì)電離能，施主雜質(zhì)（雜質(zhì)（n型雜質(zhì)），施主能級(jí)型雜質(zhì)），施主能級(jí)第12頁(yè)/共81頁(yè)電離的結(jié)果：導(dǎo)帶中的電子數(shù)增加了，電離的結(jié)果：導(dǎo)帶中的電子數(shù)增加了，這即是摻施主的意義所在這即是摻施主的意義所在。1.施主處于束縛態(tài)，施主處于束縛態(tài)，2.施主電離施主電離 3施主電離后處于施主電離后處于離化態(tài)離化態(tài)能能帶帶圖圖中中施施主主雜雜質(zhì)質(zhì)電電離離的的過(guò)過(guò)程程第13頁(yè)/共81頁(yè)電離時(shí)，電離時(shí)，P原子能夠提供導(dǎo)電電子并形成正電原子能夠提供導(dǎo)電電子并形成正電中心，中心，。施主雜質(zhì)施主雜質(zhì) 施主能級(jí)

6、施主能級(jí)被施主雜質(zhì)束縛的電被施主雜質(zhì)束縛的電子的能量比導(dǎo)帶底子的能量比導(dǎo)帶底Ec低，稱(chēng)為低，稱(chēng)為，ED。施主雜質(zhì)少，原子間施主雜質(zhì)少，原子間相互作用可以忽略，相互作用可以忽略，施主能級(jí)是具有相同施主能級(jí)是具有相同能量的孤立能級(jí)能量的孤立能級(jí)ED施主濃度：施主濃度：ND第14頁(yè)/共81頁(yè)施主電離能施主電離能ED=弱束縛的電子擺脫雜質(zhì)原子弱束縛的電子擺脫雜質(zhì)原子束縛成為晶格中自由運(yùn)動(dòng)的束縛成為晶格中自由運(yùn)動(dòng)的 電子（導(dǎo)帶中的電子）所需電子（導(dǎo)帶中的電子）所需要的能量要的能量ECED ED =ECED施主電離能施主電離能EV-束縛態(tài)束縛態(tài)離化態(tài)離化態(tài)+第15頁(yè)/共81頁(yè)施主雜質(zhì)的電離能小，施主雜質(zhì)的

7、電離能小，在常溫下基本上電離。在常溫下基本上電離。含有施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體，其導(dǎo)電的載流子主要含有施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體，其導(dǎo)電的載流子主要是電子是電子N型半導(dǎo)體，或電子型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體，或電子型半導(dǎo)體晶晶體體雜質(zhì)雜質(zhì)PAsSbSi0.044 0.049 0.039Ge 0.01260.01270.0096第16頁(yè)/共81頁(yè)n依靠導(dǎo)帶電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體。依靠導(dǎo)帶電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體。第17頁(yè)/共81頁(yè)3、受主能級(jí)：舉例：、受主能級(jí)：舉例：Si中摻硼中摻硼B(yǎng)第18頁(yè)/共81頁(yè) 在在Si單晶中，單晶中，族受主替位雜質(zhì)兩種電荷狀態(tài)的價(jià)鍵族受主替位雜質(zhì)兩種電荷狀態(tài)的價(jià)鍵（a）電離態(tài)）電離態(tài) （b）中性受主態(tài)）中性受主

8、態(tài) 第19頁(yè)/共81頁(yè)2、受主能級(jí)受主能級(jí)：舉例：舉例： Si中摻硼中摻硼B(yǎng)過(guò)程：過(guò)程：1.形成共價(jià)鍵時(shí)，形成共價(jià)鍵時(shí)，從從Si 原子中奪取一個(gè)電子原子中奪取一個(gè)電子，Si 的共價(jià)鍵中產(chǎn)生一個(gè)的共價(jià)鍵中產(chǎn)生一個(gè)空穴；空穴；2.當(dāng)空穴掙脫硼離子的束當(dāng)空穴掙脫硼離子的束縛，形成固定不動(dòng)的負(fù)電縛，形成固定不動(dòng)的負(fù)電中心中心B-受主電離，受主電離能，受主受主電離，受主電離能，受主雜質(zhì)（雜質(zhì)（p型雜質(zhì)），受主能級(jí)型雜質(zhì)），受主能級(jí)第20頁(yè)/共81頁(yè)1.受主處于束縛態(tài)，受主處于束縛態(tài)，2，受主電離，受主電離 3，受主電離后，受主電離后處于離化態(tài)處于離化態(tài)能能帶帶圖圖中中受受主主雜雜質(zhì)質(zhì)電電離離的的過(guò)過(guò)程程

9、第21頁(yè)/共81頁(yè)在在Si中摻入中摻入BB具有得到電子的性質(zhì)，這類(lèi)雜質(zhì)稱(chēng)為具有得到電子的性質(zhì)，這類(lèi)雜質(zhì)稱(chēng)為受主雜質(zhì)受主雜質(zhì)。受主雜質(zhì)向價(jià)帶提供空穴。受主雜質(zhì)向價(jià)帶提供空穴。B獲得一個(gè)電子變成獲得一個(gè)電子變成負(fù)離子，成為負(fù)電中負(fù)離子，成為負(fù)電中心，周?chē)a(chǎn)生帶正電心，周?chē)a(chǎn)生帶正電的空穴。的空穴。BBEA受主濃度：受主濃度：NA第22頁(yè)/共81頁(yè)VAAEEEEcEvEA受主電離能和受主能級(jí)受主電離能和受主能級(jí)受主電離能受主電離能EA=空穴擺脫受主雜質(zhì)束縛成為導(dǎo)電空穴擺脫受主雜質(zhì)束縛成為導(dǎo)電 空穴所需要的能量空穴所需要的能量-束縛態(tài)束縛態(tài)離化態(tài)離化態(tài)+第23頁(yè)/共81頁(yè)受主雜質(zhì)的電離能小，在受主雜質(zhì)

10、的電離能小，在常溫下基本上為價(jià)帶電離常溫下基本上為價(jià)帶電離的電子所占據(jù)的電子所占據(jù)空穴由空穴由受主能級(jí)向價(jià)帶激發(fā)。受主能級(jí)向價(jià)帶激發(fā)。含有受主雜質(zhì)的半導(dǎo)體，其導(dǎo)電的載流子主要含有受主雜質(zhì)的半導(dǎo)體，其導(dǎo)電的載流子主要是空穴是空穴P型半導(dǎo)體，或空穴型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體，或空穴型半導(dǎo)體。晶晶體體雜質(zhì)雜質(zhì)BAlGaSi0.045 0.057 0.065Ge0.010.010.011第24頁(yè)/共81頁(yè)n依靠?jī)r(jià)帶空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體。依靠?jī)r(jià)帶空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體。第25頁(yè)/共81頁(yè)施主和受主濃度：施主和受主濃度：ND、NA施主：施主：Donor，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的電子，

11、并成為帶正電的離導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的電子，并成為帶正電的離子。如子。如Si中中摻摻的的P 和和As 受主：受主：Acceptor，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體提供導(dǎo)電的空穴，并成為帶負(fù)電的離半導(dǎo)體提供導(dǎo)電的空穴，并成為帶負(fù)電的離子。如子。如Si中摻的中摻的B小結(jié)！小結(jié)！第26頁(yè)/共81頁(yè)等電子雜質(zhì)等電子雜質(zhì)第27頁(yè)/共81頁(yè)N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體特征：特征：a 施主雜質(zhì)電離，導(dǎo)帶中施主雜質(zhì)電離，導(dǎo)帶中出現(xiàn)施主提供的導(dǎo)電電子出現(xiàn)施主提供的導(dǎo)電電子b 電子濃度電子濃度n 空穴濃度空穴濃度pP 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體特征：特征：a 受主雜質(zhì)電離，價(jià)帶中受主雜質(zhì)電離，價(jià)帶中出現(xiàn)受主提供的導(dǎo)電

12、空穴出現(xiàn)受主提供的導(dǎo)電空穴b空穴濃度空穴濃度p 電子濃度電子濃度n ECEDEVEA-+-+EgN型和型和P型半導(dǎo)體都稱(chēng)為型半導(dǎo)體都稱(chēng)為極性半導(dǎo)體極性半導(dǎo)體第28頁(yè)/共81頁(yè)P(yáng)型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體價(jià)帶空穴數(shù)由受主決定，半導(dǎo)體價(jià)帶空穴數(shù)由受主決定，半導(dǎo)體導(dǎo)電的載流子主要是空穴?？昭槎嘧?，電導(dǎo)電的載流子主要是空穴?？昭槎嘧?，電子為少子。子為少子。N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體導(dǎo)帶電子數(shù)由施主決定，半導(dǎo)體導(dǎo)帶電子數(shù)由施主決定，半導(dǎo)體導(dǎo)電的載流子主要是電子。電子為導(dǎo)電的載流子主要是電子。電子為多子多子，空，空穴為穴為少子少子。多子多子多數(shù)載流子多數(shù)載流子少子少子少數(shù)載流子少數(shù)載流子第29頁(yè)/共81頁(yè)雜質(zhì)向?qū)Ш蛢r(jià)

13、帶提供電子和空穴的過(guò)程（電雜質(zhì)向?qū)Ш蛢r(jià)帶提供電子和空穴的過(guò)程（電子從施主能級(jí)向?qū)У能S遷或空穴從受主能級(jí)子從施主能級(jí)向?qū)У能S遷或空穴從受主能級(jí)向價(jià)帶的躍遷）稱(chēng)為向價(jià)帶的躍遷）稱(chēng)為雜質(zhì)電離或雜質(zhì)激發(fā)雜質(zhì)電離或雜質(zhì)激發(fā)。具。具有雜質(zhì)激發(fā)的半導(dǎo)體稱(chēng)為有雜質(zhì)激發(fā)的半導(dǎo)體稱(chēng)為雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體 雜質(zhì)激發(fā)雜質(zhì)激發(fā)3. 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體電子從價(jià)帶直接向?qū)Ъぐl(fā)，成為導(dǎo)帶的自由電子從價(jià)帶直接向?qū)Ъぐl(fā)，成為導(dǎo)帶的自由電子，這種激發(fā)稱(chēng)為電子，這種激發(fā)稱(chēng)為本征激發(fā)本征激發(fā)。只有本征激發(fā)。只有本征激發(fā)的半導(dǎo)體稱(chēng)為的半導(dǎo)體稱(chēng)為本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體。本征激發(fā)本征激發(fā)N型和型和P型半導(dǎo)體都是型半導(dǎo)體都是雜質(zhì)半導(dǎo)

14、體雜質(zhì)半導(dǎo)體 第30頁(yè)/共81頁(yè)施主向?qū)峁┑妮d流子施主向?qū)峁┑妮d流子=10161017/cm3 本征載流子濃度本征載流子濃度雜質(zhì)半導(dǎo)體中雜質(zhì)載流子濃度遠(yuǎn)高于雜質(zhì)半導(dǎo)體中雜質(zhì)載流子濃度遠(yuǎn)高于本征載流子濃度本征載流子濃度Si的原子濃度為的原子濃度為10221023/cm3摻入摻入P的濃度的濃度/Si原子的濃度原子的濃度=10-6例如：例如：Si 在室溫下，本征載流子濃度為在室溫下，本征載流子濃度為1010/cm3，第31頁(yè)/共81頁(yè)上述雜質(zhì)的特點(diǎn)：上述雜質(zhì)的特點(diǎn)：施主雜質(zhì)：施主雜質(zhì)：受主雜質(zhì)：受主雜質(zhì)：淺能級(jí)雜質(zhì)淺能級(jí)雜質(zhì)雜質(zhì)的雙重作用：雜質(zhì)的雙重作用：u 改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電性改變半導(dǎo)體的導(dǎo)

15、電性u(píng) 決定半導(dǎo)體的導(dǎo)電類(lèi)型決定半導(dǎo)體的導(dǎo)電類(lèi)型雜質(zhì)能級(jí)在禁帶中的位置雜質(zhì)能級(jí)在禁帶中的位置gDEEgAEE 第32頁(yè)/共81頁(yè)4. 淺能級(jí)雜質(zhì)電離能的簡(jiǎn)單計(jì)算淺能級(jí)雜質(zhì)電離能的簡(jiǎn)單計(jì)算+-施主施主-+受主受主淺能級(jí)雜質(zhì)淺能級(jí)雜質(zhì)=雜質(zhì)離子雜質(zhì)離子+束縛電子（空穴）束縛電子（空穴）類(lèi)氫模型類(lèi)氫模型第33頁(yè)/共81頁(yè)222oHohrnmq玻爾原子電子的運(yùn)動(dòng)玻爾原子電子的運(yùn)動(dòng)軌道半徑軌道半徑為：為：n=1為基態(tài)電子的運(yùn)動(dòng)軌跡為基態(tài)電子的運(yùn)動(dòng)軌跡42228onom qEh ne= -玻爾能級(jí)：玻爾能級(jí)：玻爾原子模型玻爾原子模型第34頁(yè)/共81頁(yè)2220408nhqmEn0,8220401EhqmE第

16、35頁(yè)/共81頁(yè)eVhqmEEE6 .1382204010第36頁(yè)/共81頁(yè)類(lèi)氫模型：類(lèi)氫模型：計(jì)算束縛電子或空穴運(yùn)動(dòng)軌道計(jì)算束縛電子或空穴運(yùn)動(dòng)軌道半徑及電離能半徑及電離能22*2rohrnmq 運(yùn)動(dòng)軌道半徑：運(yùn)動(dòng)軌道半徑：4*4*022222221188orooroorm qm qmmEEhmhm 電離能：電離能：第37頁(yè)/共81頁(yè)200*22024*8rnrnDEmmhqmE200*22024*8rprpAEmmhqmE第38頁(yè)/共81頁(yè)對(duì)于對(duì)于Si中的中的P原子，剩余電子的運(yùn)動(dòng)半徑原子，剩余電子的運(yùn)動(dòng)半徑約為約為24.4 ：Si: a=5.4剩余電子本質(zhì)上剩余電子本質(zhì)上是在晶體中運(yùn)動(dòng)是在

17、晶體中運(yùn)動(dòng)SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiPSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi4 .24126. 01222qmhroo12)(Sir*0.26eommSi：r=1.17第39頁(yè)/共81頁(yè)施主能級(jí)靠近導(dǎo)帶底部施主能級(jí)靠近導(dǎo)帶底部100,16,122rrGerSi*000.26,0.12eSieGemmmm=對(duì)于對(duì)于Si、Ge摻摻PEcEvED*021eDormEEmeVESiD025. 0,eVEGeD064. 0,估算結(jié)果與實(shí)測(cè)值有估算結(jié)果與實(shí)測(cè)值有相同的數(shù)量級(jí)相同的數(shù)量級(jí)第40頁(yè)/共81頁(yè)*021PAormEEm0.

18、04 ASiEeV對(duì)于對(duì)于Si、Ge摻摻B0.01 AGeEeVEcEvEA第41頁(yè)/共81頁(yè)EcED電離施主電離施主電離受主電離受主Ev5. 雜質(zhì)的補(bǔ)償作用雜質(zhì)的補(bǔ)償作用(1) NDNA半導(dǎo)體中同時(shí)存在施主和受主雜質(zhì)，施主和半導(dǎo)體中同時(shí)存在施主和受主雜質(zhì)，施主和受主之間有互相抵消的作用受主之間有互相抵消的作用此時(shí)半導(dǎo)體為此時(shí)半導(dǎo)體為n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 有效施主濃度有效施主濃度n=ND-NAEA第42頁(yè)/共81頁(yè)EcEDEAEv電離施主電離施主電離受主電離受主(2) NDNA此時(shí)半導(dǎo)體為此時(shí)半導(dǎo)體為p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 有效受主濃度有效受主濃度p=NA- ND第43頁(yè)/共81頁(yè)(3) NDNA雜

19、質(zhì)的高度補(bǔ)償雜質(zhì)的高度補(bǔ)償EcEDEAEv本征激發(fā)產(chǎn)生的本征激發(fā)產(chǎn)生的導(dǎo)帶電子導(dǎo)帶電子本征激發(fā)產(chǎn)生的價(jià)本征激發(fā)產(chǎn)生的價(jià)帶空穴帶空穴第44頁(yè)/共81頁(yè)第45頁(yè)/共81頁(yè)6. 深雜質(zhì)能級(jí)深雜質(zhì)能級(jí)根據(jù)雜質(zhì)能級(jí)在禁帶根據(jù)雜質(zhì)能級(jí)在禁帶中的位置，雜質(zhì)分為中的位置，雜質(zhì)分為：淺能級(jí)雜質(zhì)淺能級(jí)雜質(zhì)能級(jí)接近導(dǎo)帶底能級(jí)接近導(dǎo)帶底Ec或價(jià)帶頂或價(jià)帶頂Ev，電離能很小電離能很小深能級(jí)雜質(zhì)深能級(jí)雜質(zhì)能級(jí)遠(yuǎn)離導(dǎo)帶能級(jí)遠(yuǎn)離導(dǎo)帶底底Ec或價(jià)帶頂或價(jià)帶頂Ev，電離能較，電離能較大大ECEDEVEAEgECEAEVEDEggDEE gAEE 第46頁(yè)/共81頁(yè)第47頁(yè)/共81頁(yè)第48頁(yè)/共81頁(yè)第49頁(yè)/共81頁(yè)在在Ge中摻

20、中摻Au 可產(chǎn)生可產(chǎn)生3個(gè)受主能級(jí)，個(gè)受主能級(jí)，1個(gè)施主能級(jí)個(gè)施主能級(jí)AuGeGeGeGeAu+Au0Au-Au2-Au3-第50頁(yè)/共81頁(yè)1. Au失去一個(gè)電子失去一個(gè)電子施主施主AuEcEvEDED=Ev+0.04 eV第51頁(yè)/共81頁(yè)EcEvEDEA1Au2. Au獲得一個(gè)電子獲得一個(gè)電子受主受主EA1= Ev + 0.15eV第52頁(yè)/共81頁(yè)3.Au獲得第二個(gè)電子獲得第二個(gè)電子EcEvEDEA1Au2EA2= Ec - 0.2eVEA2第53頁(yè)/共81頁(yè)4.Au獲得第三個(gè)電子獲得第三個(gè)電子EcEvEDEA1EA3= Ec - 0.04eVEA2EA3Au3第54頁(yè)/共81頁(yè)數(shù)載流

21、子壽命數(shù)載流子壽命降低。降低。EcEvEDEAAu doped Silicon0.35eV0. 54eV1.12eV0.29eV第55頁(yè)/共81頁(yè)0.35第56頁(yè)/共81頁(yè)2-2 化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí)化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí) 族化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)族化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)理想的理想的GaAs晶格晶格價(jià)鍵結(jié)構(gòu)：價(jià)鍵結(jié)構(gòu)：含有離子鍵成分的含有離子鍵成分的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)Ga-AsGaGaAsGaAs+GaAs第57頁(yè)/共81頁(yè)施主雜質(zhì)施主雜質(zhì)替代替代族元素族元素受主雜質(zhì)受主雜質(zhì)替代替代III族元素族元素兩性雜質(zhì)兩性雜質(zhì)III、族元素族元素等電子雜質(zhì)等電子雜質(zhì)同族原子取代同族原子取代第58頁(yè)/

22、共81頁(yè)等電子雜質(zhì)等電子雜質(zhì) 等電子雜質(zhì)等電子雜質(zhì)是與基質(zhì)晶體原子具有同數(shù)量是與基質(zhì)晶體原子具有同數(shù)量?jī)r(jià)電子的雜質(zhì)原子替代了同族原子后，價(jià)電子的雜質(zhì)原子替代了同族原子后，基本仍是電中性的。但是由于基本仍是電中性的。但是由于共價(jià)半徑共價(jià)半徑和和電負(fù)性電負(fù)性不同，它們能俘獲某種載流子而成不同，它們能俘獲某種載流子而成為帶電中心。帶電中心稱(chēng)為為帶電中心。帶電中心稱(chēng)為等電子陷阱等電子陷阱。例如，例如，N取代取代GaP中的中的P而成為負(fù)電中心而成為負(fù)電中心電子陷阱電子陷阱空穴陷阱空穴陷阱第59頁(yè)/共81頁(yè)第60頁(yè)/共81頁(yè)兩性雜質(zhì)兩性雜質(zhì)舉例：舉例：GaAs中摻中摻Si（族）族） Ga：族族 As：族族

23、 Si Ga 施主施主 兩性雜質(zhì)兩性雜質(zhì) SiAs 受主受主兩性雜質(zhì)兩性雜質(zhì)：在化合物半導(dǎo)體中，某種雜在化合物半導(dǎo)體中，某種雜質(zhì)在質(zhì)在 其中既可以作施主又可以作受主，其中既可以作施主又可以作受主，這種雜質(zhì)稱(chēng)為這種雜質(zhì)稱(chēng)為兩性雜質(zhì)兩性雜質(zhì)。第61頁(yè)/共81頁(yè)第62頁(yè)/共81頁(yè)點(diǎn)缺陷：空位、間隙原子點(diǎn)缺陷：空位、間隙原子線缺陷：位錯(cuò)線缺陷：位錯(cuò)面缺陷：層錯(cuò)、晶界面缺陷：層錯(cuò)、晶界SiSiSiSiSiSiSiSiSi1、缺陷的類(lèi)型、缺陷的類(lèi)型2-4 缺陷能級(jí)缺陷能級(jí)第63頁(yè)/共81頁(yè)2.元素半導(dǎo)體中的缺陷元素半導(dǎo)體中的缺陷(1) 空位空位SiSiSiSiSiSiSiSi原子的空位起原子的空位起受主受

24、主作用。作用。第64頁(yè)/共81頁(yè)(2) 填隙填隙SiSiSiSiSiSiSiSiSiSi間隙原子缺陷起間隙原子缺陷起施主施主作用作用 第65頁(yè)/共81頁(yè)AsGaAsAsAsAsGaAsGaGaGaAsGaAsGaAs反結(jié)構(gòu)缺陷反結(jié)構(gòu)缺陷GaAs受主受主 AsGa施施主主3. GaAs晶體中的點(diǎn)缺陷晶體中的點(diǎn)缺陷空位空位VGa、VAs VGa受主受主 VAs 施施主主間隙原子間隙原子GaI、AsI GaI施主施主 AsI受主受主e第66頁(yè)/共81頁(yè)4.族化合物半導(dǎo)體的缺陷族化合物半導(dǎo)體的缺陷族化合物半導(dǎo)體族化合物半導(dǎo)體離子鍵結(jié)構(gòu)離子鍵結(jié)構(gòu)負(fù)離子負(fù)離子正離子正離子+-+-+-+-+-+-+-+-+

25、-+-+-+-+-第67頁(yè)/共81頁(yè)a.負(fù)離子空位負(fù)離子空位產(chǎn)生正電中心，起施主作用產(chǎn)生正電中心，起施主作用+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-電負(fù)性小電負(fù)性小第68頁(yè)/共81頁(yè)b.正離子填隙正離子填隙產(chǎn)生正電中心，起施主作用產(chǎn)生正電中心，起施主作用+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+第69頁(yè)/共81頁(yè)產(chǎn)生負(fù)電中心，起受主作用產(chǎn)生負(fù)電中心，起受主作用c.正離子空位正離子空位+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-電負(fù)性大第70頁(yè)/共8

26、1頁(yè)產(chǎn)生負(fù)電中心，起受主作用產(chǎn)生負(fù)電中心，起受主作用d.負(fù)離子填隙負(fù)離子填隙+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-第71頁(yè)/共81頁(yè)負(fù)離子空位負(fù)離子空位產(chǎn)生正電中心，起施主作用產(chǎn)生正電中心，起施主作用正離子填隙正離子填隙正離子空位正離子空位負(fù)離子填隙負(fù)離子填隙產(chǎn)生負(fù)電中心，起受主作用產(chǎn)生負(fù)電中心，起受主作用第72頁(yè)/共81頁(yè)第二章第二章 半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級(jí)半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級(jí)1.什么叫淺能級(jí)雜質(zhì)？它們電離后有何特點(diǎn)？什么叫淺能級(jí)雜質(zhì)？它們電離后有何特點(diǎn)？2.什么叫施主？什么叫施主電離？施主電離前什么叫施主？什么叫施主電離？施主電離

27、前后有何特征？試舉例說(shuō)明之，并用能帶圖表征后有何特征？試舉例說(shuō)明之，并用能帶圖表征出出n型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。3.什么叫受主？什么叫受主電離？受主電離前什么叫受主？什么叫受主電離？受主電離前后有何特征？試舉例說(shuō)明之，并用能帶圖表征后有何特征？試舉例說(shuō)明之，并用能帶圖表征出出p型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。4.摻雜半導(dǎo)體與本征半導(dǎo)體之間有何差異？試摻雜半導(dǎo)體與本征半導(dǎo)體之間有何差異？試舉例說(shuō)明摻雜對(duì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能的影響。舉例說(shuō)明摻雜對(duì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能的影響。5.兩性雜質(zhì)和其它雜質(zhì)有何異同？?jī)尚噪s質(zhì)和其它雜質(zhì)有何異同？6.深能級(jí)雜質(zhì)和淺能級(jí)雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體有何影響深能級(jí)雜質(zhì)和淺能級(jí)雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體有何影響？7.何謂

28、雜質(zhì)補(bǔ)償？雜質(zhì)補(bǔ)償?shù)囊饬x何在？何謂雜質(zhì)補(bǔ)償？雜質(zhì)補(bǔ)償?shù)囊饬x何在？第73頁(yè)/共81頁(yè)1、解：淺能級(jí)雜質(zhì)是指其雜質(zhì)電離能遠(yuǎn)小于本征半導(dǎo)體的禁、解：淺能級(jí)雜質(zhì)是指其雜質(zhì)電離能遠(yuǎn)小于本征半導(dǎo)體的禁帶寬度的雜質(zhì)。它們電離后將成為帶正電（電離施主）或帶帶寬度的雜質(zhì)。它們電離后將成為帶正電（電離施主）或帶負(fù)電（電離受主）的離子，并同時(shí)向?qū)峁╇娮踊蛳騼r(jià)帶負(fù)電（電離受主）的離子，并同時(shí)向?qū)峁╇娮踊蛳騼r(jià)帶提供空穴。提供空穴。2、解：半導(dǎo)體中摻入施主雜質(zhì)后，施主電離后將成為帶正電、解：半導(dǎo)體中摻入施主雜質(zhì)后，施主電離后將成為帶正電離子，并同時(shí)向?qū)峁╇娮?，這種雜質(zhì)就叫施主。離子，并同時(shí)向?qū)峁╇娮?，這種

29、雜質(zhì)就叫施主。 施主電離成為帶正電離子（中心）的過(guò)程就叫施主電離施主電離成為帶正電離子（中心）的過(guò)程就叫施主電離。施主電離前不帶電，電離后帶正電。例如，在。施主電離前不帶電，電離后帶正電。例如，在Si中摻中摻P，P為為族元素。族元素。 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體Si為為族元素，族元素，P摻入摻入Si中后，中后，P的最外層電子的最外層電子有四個(gè)與有四個(gè)與Si的最外層四個(gè)電子配對(duì)成為共價(jià)電子，而的最外層四個(gè)電子配對(duì)成為共價(jià)電子，而P的第五的第五個(gè)外層電子將受到熱激發(fā)掙脫原子實(shí)的束縛進(jìn)入導(dǎo)帶成為自個(gè)外層電子將受到熱激發(fā)掙脫原子實(shí)的束縛進(jìn)入導(dǎo)帶成為自由電子。這個(gè)過(guò)程就是施主電離。由電子。這個(gè)過(guò)程就是施主電離

30、。第74頁(yè)/共81頁(yè)3、解：半導(dǎo)體中摻入受主雜質(zhì)后，受主電離、解：半導(dǎo)體中摻入受主雜質(zhì)后，受主電離后將成為帶負(fù)電的離子，并同時(shí)向價(jià)帶提供后將成為帶負(fù)電的離子，并同時(shí)向價(jià)帶提供空穴，這種雜質(zhì)就叫受主?？昭ǎ@種雜質(zhì)就叫受主。 受主電離成為帶負(fù)電的離子（中心）的受主電離成為帶負(fù)電的離子（中心）的過(guò)程就叫受主電離。過(guò)程就叫受主電離。受主電離前帶不帶電，電離后帶負(fù)電。受主電離前帶不帶電，電離后帶負(fù)電。例如，在例如，在Si中摻中摻B，B為為族元素，而本征半族元素，而本征半導(dǎo)體導(dǎo)體Si為為族元素，族元素，P摻入摻入B中后，中后，B的最外的最外層三個(gè)電子與層三個(gè)電子與Si的最外層四個(gè)電子配對(duì)成為的最外層四個(gè)

31、電子配對(duì)成為共價(jià)電子，而共價(jià)電子，而B(niǎo)傾向于接受一個(gè)由價(jià)帶熱激傾向于接受一個(gè)由價(jià)帶熱激發(fā)的電子。這個(gè)過(guò)程就是受主電離。發(fā)的電子。這個(gè)過(guò)程就是受主電離。第75頁(yè)/共81頁(yè)4、解：在純凈的半導(dǎo)體中摻入雜質(zhì)后，可以控制半導(dǎo)體的導(dǎo)、解：在純凈的半導(dǎo)體中摻入雜質(zhì)后，可以控制半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。摻雜半導(dǎo)體又分為電特性。摻雜半導(dǎo)體又分為n型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。例如，在常溫情況下，本征例如，在常溫情況下，本征Si中的電子濃度和空穴濃度均為中的電子濃度和空穴濃度均為1.5x1010cm-3。當(dāng)在。當(dāng)在Si中摻入中摻入1.0 x1016cm-3 的的P后，半導(dǎo)體中的電后，半導(dǎo)體中的電子濃度將變?yōu)?/p>

32、子濃度將變?yōu)?.0 x1016cm-3，而空穴濃度將近似為，而空穴濃度將近似為2.25x104cm-3。半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子是電子，而少數(shù)載流子是空穴。半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子是電子，而少數(shù)載流子是空穴。5、解：兩性雜質(zhì)是指在半導(dǎo)體中既可作施主又可作受主的雜、解：兩性雜質(zhì)是指在半導(dǎo)體中既可作施主又可作受主的雜質(zhì)。如質(zhì)。如-族族GaAs中摻中摻族族Si如果如果Si替位替位族族As，則，則Si為施為施主；如果主；如果Si替位替位族族Ga，則，則Si為受主。所摻入的雜質(zhì)具體是為受主。所摻入的雜質(zhì)具體是起施主還是受主與工藝有關(guān)。起施主還是受主與工藝有關(guān)。6、解：深能級(jí)雜質(zhì)在半導(dǎo)體中起復(fù)合中心或陷阱的作用。

33、、解：深能級(jí)雜質(zhì)在半導(dǎo)體中起復(fù)合中心或陷阱的作用。淺能級(jí)雜質(zhì)在半導(dǎo)體中起施主或受主的作用。淺能級(jí)雜質(zhì)在半導(dǎo)體中起施主或受主的作用。7、當(dāng)半導(dǎo)體中既有施主又有受主時(shí)，施主和受主將先互相抵、當(dāng)半導(dǎo)體中既有施主又有受主時(shí)，施主和受主將先互相抵消，剩余的雜質(zhì)最后電離，這就是雜質(zhì)補(bǔ)償。消，剩余的雜質(zhì)最后電離，這就是雜質(zhì)補(bǔ)償。利用雜質(zhì)補(bǔ)償效應(yīng)，可以根據(jù)需要改變半導(dǎo)體中某個(gè)區(qū)域的利用雜質(zhì)補(bǔ)償效應(yīng)，可以根據(jù)需要改變半導(dǎo)體中某個(gè)區(qū)域的導(dǎo)電類(lèi)型，制造各種器件。導(dǎo)電類(lèi)型，制造各種器件。第76頁(yè)/共81頁(yè)第77頁(yè)/共81頁(yè)第78頁(yè)/共81頁(yè)第79頁(yè)/共81頁(yè)1. P64 習(xí)題習(xí)題 72. 設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)：首先將一塊本征半導(dǎo)設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)：首先將一塊本征半導(dǎo)體變成體變成N型半導(dǎo)體，然后再設(shè)法使它變成型半導(dǎo)體，然后再設(shè)法使它變成P型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。第80頁(yè)/共81頁(yè)