1、會計學1半導體物理學半導體物理學 半導體中的雜質和缺陷半導體中的雜質和缺陷供載流子。供載流子。第1頁/共81頁雜質和缺陷可在禁帶中引入能級，從而對雜質和缺陷可在禁帶中引入能級，從而對半導體的性質產生了決定性的作用半導體的性質產生了決定性的作用第2頁/共81頁 1. 淺能級雜質能級和雜質電離；淺能級雜質能級和雜質電離； 2. 淺能級雜質電離能的計算；淺能級雜質電離能的計算； 3. 雜質補償作用雜質補償作用 4. 深能級雜質的特點和作用深能級雜質的特點和作用 1、等電子雜質；、等電子雜質； 2、族元素起兩性雜質作用族元素起兩性雜質作用2-1 元素半導體中的雜質能級元素半導體中的雜質能級2-3 缺陷

2、能級缺陷能級2-2 化合物半導體中的雜質能級化合物半導體中的雜質能級點缺陷對半導體性能的影響點缺陷對半導體性能的影響 第3頁/共81頁雜質的來源雜質的來源：有意摻入有意摻入無意摻入無意摻入根據雜根據雜質在能級中的位置不同：質在能級中的位置不同：替位式是雜質替位式是雜質間隙式雜質間隙式雜質第4頁/共81頁在金剛石型晶體中，晶胞中原子的體積百分數為在金剛石型晶體中，晶胞中原子的體積百分數為34%，說明還有，說明還有66%是空隙。是空隙。Si 中的雜質有兩種存中的雜質有兩種存在方式，在方式，a：間隙式雜質：間隙式雜質 特點：雜質原子一般較小，鋰元素特點：雜質原子一般較小，鋰元素b：替位式雜質：替位式

3、雜質 特點：雜質原子的大小與被替代的晶格原子大特點：雜質原子的大小與被替代的晶格原子大小可以相比，價電子殼層結構比較相近，小可以相比，價電子殼層結構比較相近，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明以硅為例說明單位體積中的雜質原子數稱為單位體積中的雜質原子數稱為雜質濃度雜質濃度第5頁/共81頁Si：r=0.117nmB：r=0.089nmP：r=0.11nmSiSiSiSiSiSiSiPSiLi第6頁/共81頁N型半導體型半導體P型半導體型半導體復合中心復合中心陷阱陷阱雜質分類雜質分類淺能級雜質淺能級雜質深能級深能級雜質雜質第7頁/共81頁雜質能級位于禁帶中雜質能級位

4、于禁帶中Eg淺能級淺能級第8頁/共81頁施主雜質施主雜質施主能級施主能級Ei受主雜質受主雜質 受主能級受主能級EcEv淺能級淺能級第9頁/共81頁(1)VA族的替位雜質族的替位雜質在硅在硅Si中摻入中摻入PSiSiSiSiSiSiSiP+Si磷原子替代硅原子后，形成一個正電中心P和一個多余的價電子未電離未電離電離后電離后2、元素半導體的雜質、元素半導體的雜質第10頁/共81頁 （a）電離態）電離態 （b）中性施主態）中性施主態 第11頁/共81頁過程：過程：1.形成共價鍵后存在正電中心形成共價鍵后存在正電中心P+；2.多余的一個電子掙脫束縛，在晶格中自由多余的一個電子掙脫束縛，在晶格中自由動；

5、雜質電離動；雜質電離3. P+成為不能移動的正電中心；成為不能移動的正電中心；雜質電離，雜質電離能，施主雜質電離，雜質電離能，施主雜質（雜質（n型雜質），施主能級型雜質），施主能級第12頁/共81頁電離的結果：導帶中的電子數增加了，電離的結果：導帶中的電子數增加了，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，施主處于束縛態，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離化態能能帶帶圖圖中中施施主主雜雜質質電電離離的的過過程程第13頁/共81頁電離時，電離時，P原子能夠提供導電電子并形成正電原子能夠提供導電電子并形成正電中心，中心，。施主雜質施主雜質 施主能級

6、施主能級被施主雜質束縛的電被施主雜質束縛的電子的能量比導帶底子的能量比導帶底Ec低，稱為低，稱為，ED。施主雜質少，原子間施主雜質少，原子間相互作用可以忽略，相互作用可以忽略，施主能級是具有相同施主能級是具有相同能量的孤立能級能量的孤立能級ED施主濃度：施主濃度：ND第14頁/共81頁施主電離能施主電離能ED=弱束縛的電子擺脫雜質原子弱束縛的電子擺脫雜質原子束縛成為晶格中自由運動的束縛成為晶格中自由運動的 電子（導帶中的電子）所需電子（導帶中的電子）所需要的能量要的能量ECED ED =ECED施主電離能施主電離能EV-束縛態束縛態離化態離化態+第15頁/共81頁施主雜質的電離能小，施主雜質的

7、電離能小，在常溫下基本上電離。在常溫下基本上電離。含有施主雜質的半導體，其導電的載流子主要含有施主雜質的半導體，其導電的載流子主要是電子是電子N型半導體，或電子型半導體型半導體，或電子型半導體晶晶體體雜質雜質PAsSbSi0.044 0.049 0.039Ge 0.01260.01270.0096第16頁/共81頁n依靠導帶電子導電的半導體。依靠導帶電子導電的半導體。第17頁/共81頁3、受主能級：舉例：、受主能級：舉例：Si中摻硼中摻硼B第18頁/共81頁 在在Si單晶中，單晶中，族受主替位雜質兩種電荷狀態的價鍵族受主替位雜質兩種電荷狀態的價鍵（a）電離態）電離態 （b）中性受主態）中性受主

8、態 第19頁/共81頁2、受主能級受主能級：舉例：舉例： Si中摻硼中摻硼B過程：過程：1.形成共價鍵時，形成共價鍵時，從從Si 原子中奪取一個電子原子中奪取一個電子，Si 的共價鍵中產生一個的共價鍵中產生一個空穴；空穴；2.當空穴掙脫硼離子的束當空穴掙脫硼離子的束縛，形成固定不動的負電縛，形成固定不動的負電中心中心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（雜質（p型雜質），受主能級型雜質），受主能級第20頁/共81頁1.受主處于束縛態，受主處于束縛態，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處于離化態能能帶帶圖圖中中受受主主雜雜質質電電離離的的過過程程

9、第21頁/共81頁在在Si中摻入中摻入BB具有得到電子的性質，這類雜質稱為具有得到電子的性質，這類雜質稱為受主雜質受主雜質。受主雜質向價帶提供空穴。受主雜質向價帶提供空穴。B獲得一個電子變成獲得一個電子變成負離子，成為負電中負離子，成為負電中心，周圍產生帶正電心，周圍產生帶正電的空穴。的空穴。BBEA受主濃度：受主濃度：NA第22頁/共81頁VAAEEEEcEvEA受主電離能和受主能級受主電離能和受主能級受主電離能受主電離能EA=空穴擺脫受主雜質束縛成為導電空穴擺脫受主雜質束縛成為導電 空穴所需要的能量空穴所需要的能量-束縛態束縛態離化態離化態+第23頁/共81頁受主雜質的電離能小，在受主雜質

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

11、并成為帶正電的離導體中提供導電的電子，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，摻入半導體的雜質原子向，摻入半導體的雜質原子向半導體提供導電的空穴，并成為帶負電的離半導體提供導電的空穴，并成為帶負電的離子。如子。如Si中摻的中摻的B小結！小結！第26頁/共81頁等電子雜質等電子雜質第27頁/共81頁N型半導體型半導體特征：特征：a 施主雜質電離，導帶中施主雜質電離，導帶中出現施主提供的導電電子出現施主提供的導電電子b 電子濃度電子濃度n 空穴濃度空穴濃度pP 型半導體型半導體特征：特征：a 受主雜質電離，價帶中受主雜質電離，價帶中出現受主提供的導電

12、空穴出現受主提供的導電空穴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型半導體都稱為型半導體都稱為極性半導體極性半導體第28頁/共81頁P型半導體型半導體價帶空穴數由受主決定，半導體價帶空穴數由受主決定，半導體導電的載流子主要是空穴?？昭槎嘧?，電導電的載流子主要是空穴?？昭槎嘧?，電子為少子。子為少子。N型半導體型半導體導帶電子數由施主決定，半導體導帶電子數由施主決定，半導體導電的載流子主要是電子。電子為導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。多子多子多數載流子多數載流子少子少子少數載流子少數載流子第29頁/共81頁雜質向導帶和價

13、帶提供電子和空穴的過程（電雜質向導帶和價帶提供電子和空穴的過程（電子從施主能級向導帶的躍遷或空穴從受主能級子從施主能級向導帶的躍遷或空穴從受主能級向價帶的躍遷）稱為向價帶的躍遷）稱為雜質電離或雜質激發雜質電離或雜質激發。具。具有雜質激發的半導體稱為有雜質激發的半導體稱為雜質半導體雜質半導體 雜質激發雜質激發3. 雜質半導體雜質半導體電子從價帶直接向導帶激發，成為導帶的自由電子從價帶直接向導帶激發，成為導帶的自由電子，這種激發稱為電子，這種激發稱為本征激發本征激發。只有本征激發。只有本征激發的半導體稱為的半導體稱為本征半導體本征半導體。本征激發本征激發N型和型和P型半導體都是型半導體都是雜質半導

14、體雜質半導體 第30頁/共81頁施主向導帶提供的載流子施主向導帶提供的載流子=10161017/cm3 本征載流子濃度本征載流子濃度雜質半導體中雜質載流子濃度遠高于雜質半導體中雜質載流子濃度遠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/共81頁上述雜質的特點：上述雜質的特點：施主雜質：施主雜質：受主雜質：受主雜質：淺能級雜質淺能級雜質雜質的雙重作用：雜質的雙重作用：u 改變半導體的導電性改變半導體的導

15、電性u 決定半導體的導電類型決定半導體的導電類型雜質能級在禁帶中的位置雜質能級在禁帶中的位置gDEEgAEE 第32頁/共81頁4. 淺能級雜質電離能的簡單計算淺能級雜質電離能的簡單計算+-施主施主-+受主受主淺能級雜質淺能級雜質=雜質離子雜質離子+束縛電子（空穴）束縛電子（空穴）類氫模型類氫模型第33頁/共81頁222oHohrnmq玻爾原子電子的運動玻爾原子電子的運動軌道半徑軌道半徑為：為：n=1為基態電子的運動軌跡為基態電子的運動軌跡42228onom qEh ne= -玻爾能級：玻爾能級：玻爾原子模型玻爾原子模型第34頁/共81頁2220408nhqmEn0,8220401EhqmE第

16、35頁/共81頁eVhqmEEE6 .1382204010第36頁/共81頁類氫模型：類氫模型：計算束縛電子或空穴運動軌道計算束縛電子或空穴運動軌道半徑及電離能半徑及電離能22*2rohrnmq 運動軌道半徑：運動軌道半徑：4*4*022222221188orooroorm qm qmmEEhmhm 電離能：電離能：第37頁/共81頁200*22024*8rnrnDEmmhqmE200*22024*8rprpAEmmhqmE第38頁/共81頁對于對于Si中的中的P原子，剩余電子的運動半徑原子，剩余電子的運動半徑約為約為24.4 ：Si: a=5.4剩余電子本質上剩余電子本質上是在晶體中運動是在

17、晶體中運動SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiPSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi4 .24126. 01222qmhroo12)(Sir*0.26eommSi：r=1.17第39頁/共81頁施主能級靠近導帶底部施主能級靠近導帶底部100,16,122rrGerSi*000.26,0.12eSieGemmmm=對于對于Si、Ge摻摻PEcEvED*021eDormEEmeVESiD025. 0,eVEGeD064. 0,估算結果與實測值有估算結果與實測值有相同的數量級相同的數量級第40頁/共81頁*021PAormEEm0.

18、04 ASiEeV對于對于Si、Ge摻摻B0.01 AGeEeVEcEvEA第41頁/共81頁EcED電離施主電離施主電離受主電離受主Ev5. 雜質的補償作用雜質的補償作用(1) NDNA半導體中同時存在施主和受主雜質，施主和半導體中同時存在施主和受主雜質，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半導體為此時半導體為n型半導體型半導體 有效施主濃度有效施主濃度n=ND-NAEA第42頁/共81頁EcEDEAEv電離施主電離施主電離受主電離受主(2) NDNA此時半導體為此時半導體為p型半導體型半導體 有效受主濃度有效受主濃度p=NA- ND第43頁/共81頁(3) NDNA雜

19、質的高度補償雜質的高度補償EcEDEAEv本征激發產生的本征激發產生的導帶電子導帶電子本征激發產生的價本征激發產生的價帶空穴帶空穴第44頁/共81頁第45頁/共81頁6. 深雜質能級深雜質能級根據雜質能級在禁帶根據雜質能級在禁帶中的位置，雜質分為中的位置，雜質分為：淺能級雜質淺能級雜質能級接近導帶底能級接近導帶底Ec或價帶頂或價帶頂Ev，電離能很小電離能很小深能級雜質深能級雜質能級遠離導帶能級遠離導帶底底Ec或價帶頂或價帶頂Ev，電離能較，電離能較大大ECEDEVEAEgECEAEVEDEggDEE gAEE 第46頁/共81頁第47頁/共81頁第48頁/共81頁第49頁/共81頁在在Ge中摻

20、中摻Au 可產生可產生3個受主能級，個受主能級，1個施主能級個施主能級AuGeGeGeGeAu+Au0Au-Au2-Au3-第50頁/共81頁1. Au失去一個電子失去一個電子施主施主AuEcEvEDED=Ev+0.04 eV第51頁/共81頁EcEvEDEA1Au2. Au獲得一個電子獲得一個電子受主受主EA1= Ev + 0.15eV第52頁/共81頁3.Au獲得第二個電子獲得第二個電子EcEvEDEA1Au2EA2= Ec - 0.2eVEA2第53頁/共81頁4.Au獲得第三個電子獲得第三個電子EcEvEDEA1EA3= Ec - 0.04eVEA2EA3Au3第54頁/共81頁數載流

21、子壽命數載流子壽命降低。降低。EcEvEDEAAu doped Silicon0.35eV0. 54eV1.12eV0.29eV第55頁/共81頁0.35第56頁/共81頁2-2 化合物半導體中的雜質能級化合物半導體中的雜質能級 族化合物半導體中的雜質族化合物半導體中的雜質理想的理想的GaAs晶格晶格價鍵結構：價鍵結構：含有離子鍵成分的含有離子鍵成分的共價鍵結構共價鍵結構Ga-AsGaGaAsGaAs+GaAs第57頁/共81頁施主雜質施主雜質替代替代族元素族元素受主雜質受主雜質替代替代III族元素族元素兩性雜質兩性雜質III、族元素族元素等電子雜質等電子雜質同族原子取代同族原子取代第58頁/

22、共81頁等電子雜質等電子雜質 等電子雜質等電子雜質是與基質晶體原子具有同數量是與基質晶體原子具有同數量價電子的雜質原子替代了同族原子后，價電子的雜質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。但是由于共價半徑共價半徑和和電負性電負性不同，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。帶電中心稱為為帶電中心。帶電中心稱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而成為負電中心而成為負電中心電子陷阱電子陷阱空穴陷阱空穴陷阱第59頁/共81頁第60頁/共81頁兩性雜質兩性雜質舉例：舉例：GaAs中摻中摻Si（族）族） Ga：族族 As：族族

23、 Si Ga 施主施主 兩性雜質兩性雜質 SiAs 受主受主兩性雜質兩性雜質：在化合物半導體中，某種雜在化合物半導體中，某種雜質在質在 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，這種雜質稱為這種雜質稱為兩性雜質兩性雜質。第61頁/共81頁第62頁/共81頁點缺陷：空位、間隙原子點缺陷：空位、間隙原子線缺陷：位錯線缺陷：位錯面缺陷：層錯、晶界面缺陷：層錯、晶界SiSiSiSiSiSiSiSiSi1、缺陷的類型、缺陷的類型2-4 缺陷能級缺陷能級第63頁/共81頁2.元素半導體中的缺陷元素半導體中的缺陷(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/共81頁(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/共81頁AsGaAsAsAsAsGaAsGaGaGaAsGaAsGaAs反結構缺陷反結構缺陷GaAs受主受主 AsGa施施主主3. GaAs晶體中的點缺陷晶體中的點缺陷空位空位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/共81頁4.族化合物半導體的缺陷族化合物半導體的缺陷族化合物半導體族化合物半導體離子鍵結構離子鍵結構負離子負離子正離子正離子+-+-+-+-+-+-+-+-+

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

26、1頁產生負電中心，起受主作用產生負電中心，起受主作用d.負離子填隙負離子填隙+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-第71頁/共81頁負離子空位負離子空位產生正電中心，起施主作用產生正電中心，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離子填隙負離子填隙產生負電中心，起受主作用產生負電中心，起受主作用第72頁/共81頁第二章第二章 半導體中的雜質和缺陷能級半導體中的雜質和缺陷能級1.什么叫淺能級雜質？它們電離后有何特點？什么叫淺能級雜質？它們電離后有何特點？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？試舉例說明之，并用能帶圖表征后有何特征？試舉例說明之，并用能帶圖表征出出n型半導體。型半導體。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？試舉例說明之，并用能帶圖表征后有何特征？試舉例說明之，并用能帶圖表征出出p型半導體。型半導體。4.摻雜半導體與本征半導體之間有何差異？試摻雜半導體與本征半導體之間有何差異？試舉例說明摻雜對半導體的導電性能的影響。舉例說明摻雜對半導體的導電性能的影響。5.兩性雜質和其它雜質有何異同？兩性雜質和其它雜質有何異同？6.深能級雜質和淺能級雜質對半導體有何影響深能級雜質和淺能級雜質對半導體有何影響？7.何謂

28、雜質補償？雜質補償的意義何在？何謂雜質補償？雜質補償的意義何在？第73頁/共81頁1、解：淺能級雜質是指其雜質電離能遠小于本征半導體的禁、解：淺能級雜質是指其雜質電離能遠小于本征半導體的禁帶寬度的雜質。它們電離后將成為帶正電（電離施主）或帶帶寬度的雜質。它們電離后將成為帶正電（電離施主）或帶負電（電離受主）的離子，并同時向導帶提供電子或向價帶負電（電離受主）的離子，并同時向導帶提供電子或向價帶提供空穴。提供空穴。2、解：半導體中摻入施主雜質后，施主電離后將成為帶正電、解：半導體中摻入施主雜質后，施主電離后將成為帶正電離子，并同時向導帶提供電子，這種雜質就叫施主。離子，并同時向導帶提供電子，這種

29、雜質就叫施主。 施主電離成為帶正電離子（中心）的過程就叫施主電離施主電離成為帶正電離子（中心）的過程就叫施主電離。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。 本征半導體本征半導體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與有四個與Si的最外層四個電子配對成為共價電子，而的最外層四個電子配對成為共價電子，而P的第五的第五個外層電子將受到熱激發掙脫原子實的束縛進入導帶成為自個外層電子將受到熱激發掙脫原子實的束縛進入導帶成為自由電子。這個過程就是施主電離。由電子。這個過程就是施主電離。第74頁/共81頁3、解：半導體中摻入受主雜質后，受主電離、解：半導體中摻入受主雜質后，受主電離后將成為帶負電的離子，并同時向價帶提供后將成為帶負電的離子，并同時向價帶提供空穴，這種雜質就叫受主?？昭?，這種雜質就叫受主。 受主電離成為帶負電的離子（中心）的受主電離成為帶負電的離子（中心）的過程就叫受主電離。過程就叫受主電離。受主電離前帶不帶電，電離后帶負電。受主電離前帶不帶電，電離后帶負電。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，而本征半導體導體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電子與層三