簡(jiǎn)介:第二章半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷,理想半導(dǎo)體1、原子嚴(yán)格周期性排列,具有完整的晶格結(jié)構(gòu)。2、晶體中無雜質(zhì),無缺陷。3、電子在周期場(chǎng)中作共有化運(yùn)動(dòng),形成允帶和禁帶電子能量只能處在允帶中的能級(jí)上,禁帶中無能級(jí)。?本征半導(dǎo)體晶體具有完整的(完美的)晶格結(jié)構(gòu),無任何雜質(zhì)和缺陷。由本征激發(fā)提供載流子。,實(shí)際半導(dǎo)體,實(shí)際半導(dǎo)體中原子并不是靜止在具有嚴(yán)格周期性的晶格位置上,而是在其平衡位置附近振動(dòng);實(shí)際半導(dǎo)體并不是純凈的,而是含有雜質(zhì)的;實(shí)際的半導(dǎo)體晶格結(jié)構(gòu)并不是完整無缺的,而是存在著各種形式的缺陷,點(diǎn)缺陷,線缺陷,面缺陷;,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,主要內(nèi)容,,1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;3雜質(zhì)補(bǔ)償作用4深能級(jí)雜質(zhì)的特點(diǎn)和作用,1、等電子雜質(zhì);2、Ⅳ族元素起兩性雜質(zhì)作用,§21元素半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí),§23缺陷能級(jí),§22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,§21SI、GE晶體中的雜質(zhì)能級(jí)1、雜質(zhì)與雜質(zhì)能級(jí)雜質(zhì)半導(dǎo)體中存在的與本體元素不同的其它元素。,雜質(zhì)的來源,{,有意摻入無意摻入,根據(jù)雜質(zhì)在能級(jí)中的位置不同,{,替位式是雜質(zhì)間隙式雜質(zhì),在金剛石型晶體中,晶胞中原子的體積百分?jǐn)?shù)為34,說明還有66是空隙。SI中的雜質(zhì)有兩種存在方式,A間隙式雜質(zhì)特點(diǎn)雜質(zhì)原子一般較小,鋰元素B替位式雜質(zhì)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,Ⅲ和Ⅴ族元素在SI,GE中都是替位式,以硅為例說明,單位體積中的雜質(zhì)原子數(shù)稱為雜質(zhì)濃度,B替位式→雜質(zhì)占據(jù)格點(diǎn)位置。大小接近、電子殼層結(jié)構(gòu)相近,SIR0117NMBR0089NMPR011NM,LI0068NM,A間隙式→雜質(zhì)位于間隙位置。,LI,N型半導(dǎo)體,P型半導(dǎo)體,復(fù)合中心,陷阱,,,,,,,雜質(zhì)分類,淺能級(jí)雜質(zhì),深能級(jí)雜質(zhì),雜質(zhì)能級(jí)位于禁帶中,淺能級(jí),淺能級(jí),1VA族的替位雜質(zhì)施主雜質(zhì),在硅SI中摻入P,,,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,束縛態(tài)未電離離化態(tài)電離后,2、元素半導(dǎo)體的雜質(zhì),(A)電離態(tài)(B)中性施主態(tài),,過程1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,在晶格中自由動(dòng);雜質(zhì)電離3P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)(N型雜質(zhì)),施主能級(jí),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。,1施主處于束縛態(tài),2施主電離3施主電離后處于離化態(tài),能帶圖中施主雜質(zhì)電離的過程,電離時(shí),P原子能夠提供導(dǎo)電電子并形成正電中心,施主雜質(zhì)。,施主雜質(zhì)施主能級(jí),被施主雜質(zhì)束縛的電子的能量比導(dǎo)帶底EC低,稱為施主能級(jí),ED。施主雜質(zhì)少,原子間相互作用可以忽略,施主能級(jí)是具有相同能量的孤立能級(jí).,ED,施主濃度ND,,施主電離能△ED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)的電子(導(dǎo)帶中的電子)所需要的能量,,EC,,ED,,△EDEC-ED,施主電離能,,EV,,,束縛態(tài),離化態(tài),,施主雜質(zhì)的電離能小,在常溫下基本上電離。,含有施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體,其導(dǎo)電的載流子主要是電子N型半導(dǎo)體,或電子型半導(dǎo)體,定義,施主雜質(zhì)V族元素在硅、鍺中電離時(shí)能夠釋放電子而產(chǎn)生導(dǎo)電電子并形成正電中心,稱此類雜質(zhì)為施主雜質(zhì)或N型雜質(zhì)。施主電離施主雜質(zhì)釋放電子的過程。施主能級(jí)被施主雜質(zhì)束縛的電子的能量狀態(tài),記為ED,施主電離能量為ΔED。N型半導(dǎo)體依靠導(dǎo)帶電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體。,3、受主能級(jí)舉例SI中摻硼B(yǎng),在SI單晶中,Ⅲ族受主替位雜質(zhì)兩種電荷狀態(tài)的價(jià)鍵(A)電離態(tài)(B)中性受主態(tài),,價(jià)帶空穴電離受主B,2、受主能級(jí)舉例SI中摻硼B(yǎng),過程1形成共價(jià)鍵時(shí),從SI原子中奪取一個(gè)電子,SI的共價(jià)鍵中產(chǎn)生一個(gè)空穴;2當(dāng)空穴掙脫硼離子的束縛,形成固定不動(dòng)的負(fù)電中心B,受主電離,受主電離能,受主雜質(zhì)(P型雜質(zhì)),受主能級(jí),電離的結(jié)果價(jià)帶中的空穴數(shù)增加了,這即是摻受主的意義所在,1受主處于束縛態(tài),2,受主電離3,受主電離后處于離化態(tài),能帶圖中受主雜質(zhì)電離的過程,在SI中摻入B,B具有得到電子的性質(zhì),這類雜質(zhì)稱為受主雜質(zhì)。受主雜質(zhì)向價(jià)帶提供空穴。,B獲得一個(gè)電子變成負(fù)離子,成為負(fù)電中心,周圍產(chǎn)生帶正電的空穴。,B-,,,,,,,,,,,+,B-,EA,受主濃度NA,受主電離能和受主能級(jí),受主電離能△EA空穴擺脫受主雜質(zhì)束縛成為導(dǎo)電空穴所需要的能量,,,束縛態(tài),離化態(tài),,,受主雜質(zhì)的電離能小,在常溫下基本上為價(jià)帶電離的電子所占據(jù)空穴由受主能級(jí)向價(jià)帶激發(fā)。,含有受主雜質(zhì)的半導(dǎo)體,其導(dǎo)電的載流子主要是空穴P型半導(dǎo)體,或空穴型半導(dǎo)體。,定義,受主雜質(zhì)III族元素在硅、鍺中電離時(shí)能夠接受電子而產(chǎn)生導(dǎo)電空穴并形成負(fù)電中心,稱此類雜質(zhì)為受主雜質(zhì)或P型雜質(zhì)。受主電離受主雜質(zhì)釋放空穴的過程。受主能級(jí)被受主雜質(zhì)束縛的空穴的能量狀態(tài),記為EA。受主電離能量為ΔEAP型半導(dǎo)體依靠?jī)r(jià)帶空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體。,施主和受主濃度ND、NA,施主DONOR,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,并成為帶正電的離子。如SI中摻的P和AS受主ACCEPTOR,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)電的離子。如SI中摻的B,小結(jié),,,,等電子雜質(zhì),N型半導(dǎo)體特征,A施主雜質(zhì)電離,導(dǎo)帶中出現(xiàn)施主提供的導(dǎo)電電子,B電子濃度N〉空穴濃度P,P型半導(dǎo)體特征,A受主雜質(zhì)電離,價(jià)帶中出現(xiàn)受主提供的導(dǎo)電空穴,B空穴濃度P〉電子濃度N,N型和P型半導(dǎo)體都稱為極性半導(dǎo)體,P型半導(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?,電子為少子。,N型半導(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。電子為多子,空穴為少子。,多子多數(shù)載流子少子少數(shù)載流子,雜質(zhì)向?qū)Ш蛢r(jià)帶提供電子和空穴的過程(電子從施主能級(jí)向?qū)У能S遷或空穴從受主能級(jí)向價(jià)帶的躍遷)稱為雜質(zhì)電離或雜質(zhì)激發(fā)。具有雜質(zhì)激發(fā)的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體,雜質(zhì)激發(fā),3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,這種激發(fā)稱為本征激發(fā)。只有本征激發(fā)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。,本征激發(fā),N型和P型半導(dǎo)體都是雜質(zhì)半導(dǎo)體,施主向?qū)峁┑妮d流子1016~1017/CM3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)高于本征載流子濃度,SI的原子濃度為1022~1023/CM3,摻入P的濃度/SI原子的濃度106,例如SI在室溫下,本征載流子濃度為1010/CM3,,上述雜質(zhì)的特點(diǎn),施主雜質(zhì),受主雜質(zhì),,淺能級(jí)雜質(zhì),雜質(zhì)的雙重作用,改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電性決定半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型,雜質(zhì)能級(jí)在禁帶中的位置,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)雜質(zhì)離子束縛電子(空穴),類氫模型,玻爾原子電子的運(yùn)動(dòng)軌道半徑為,N1為基態(tài)電子的運(yùn)動(dòng)軌跡,玻爾能級(jí),玻爾原子模型,類氫模型氫原子中電子能量N1,2,3,為主量子數(shù),當(dāng)N1和無窮時(shí),,氫原子基態(tài)電子的電離能考慮到正、負(fù)電荷處于介電常數(shù)ΕΕ0ΕR的介質(zhì)中,且處于晶格形成的周期性勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng),所以電子的慣性質(zhì)量要用有效質(zhì)量代替,,類氫模型計(jì)算束縛電子或空穴運(yùn)動(dòng)軌道半徑及電離能,運(yùn)動(dòng)軌道半徑,電離能,施主雜質(zhì)電離能受主雜質(zhì)電離能,,,對(duì)于SI中的P原子,剩余電子的運(yùn)動(dòng)半徑約為244?,SIA54?,剩余電子本質(zhì)上是在晶體中運(yùn)動(dòng),SIR117?,施主能級(jí)靠近導(dǎo)帶底部,對(duì)于SI、GE摻P,估算結(jié)果與實(shí)測(cè)值有相同的數(shù)量級(jí),對(duì)于SI、GE摻B,5雜質(zhì)的補(bǔ)償作用,1ND>NA,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,此時(shí)半導(dǎo)體為N型半導(dǎo)體,,有效施主濃度NNDNA,EA,2NDNA時(shí)NNDNA≈ND,半導(dǎo)體是N型的當(dāng)NDNA時(shí)PNAND≈NA,半導(dǎo)體是P型的當(dāng)ND≈NA時(shí)補(bǔ)償半導(dǎo)體有效雜質(zhì)濃度補(bǔ)償后半導(dǎo)體中的凈雜質(zhì)濃度。,6深雜質(zhì)能級(jí),根據(jù)雜質(zhì)能級(jí)在禁帶中的位置,雜質(zhì)分為,淺能級(jí)雜質(zhì)→能級(jí)接近導(dǎo)帶底EC或價(jià)帶頂EV,電離能很小,深能級(jí)雜質(zhì)→能級(jí)遠(yuǎn)離導(dǎo)帶底EC或價(jià)帶頂EV,電離能較大,,EC,,ED,,EV,,EA,,,EG,,EC,,EA,,EV,,ED,,,,,EG,,,,,深能級(jí)雜質(zhì),非III、V族元素(52頁圖28/9)特點(diǎn)多為替位式雜質(zhì)硅、鍺的禁帶中產(chǎn)生的施主能級(jí)距離導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂較遠(yuǎn),形成深能級(jí),稱為深能級(jí)雜質(zhì)。深能級(jí)雜質(zhì)能夠產(chǎn)生多次電離,每次電離均對(duì)應(yīng)一個(gè)能級(jí)。有的雜質(zhì)既能引入施主能級(jí),又能引入受主能級(jí)。,例1AU(Ⅰ族)在GE中,AU在GE中共有五種可能的狀態(tài)(1)AU;(2)AU0;(3)AU一;(4)AU二;(5)AU三。,在GE中摻AU可產(chǎn)生3個(gè)受主能級(jí),1個(gè)施主能級(jí),,,AU,GE,GE,GE,GE,,AU,AU0,AU,AU2,AU3,1AU失去一個(gè)電子施主,,,AU+,,,,,,,EC,EV,,ED,EDEV004EV,,,EC,EV,,ED,,EA1,,,AU-,,,,,,,2AU獲得一個(gè)電子受主,EA1EV015EV,3AU獲得第二個(gè)電子,,,EC,EV,,ED,,EA1,,,AU2-,,,,,,,EA2EC02EV,,EA2,,4AU獲得第三個(gè)電子,,,EC,EV,,ED,,EA1,EA3EC004EV,,EA2,,EA3,,,AU3-,,,,,,,,,深能級(jí)雜質(zhì)特點(diǎn)不容易電離,對(duì)載流子濃度影響不大;一般會(huì)產(chǎn)生多重能級(jí),甚至既產(chǎn)生施主能級(jí)也產(chǎn)生受主能級(jí)。能起到復(fù)合中心作用,使少數(shù)載流子壽命降低。,§22化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí),Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì),理想的GAAS晶格價(jià)鍵結(jié)構(gòu)含有離子鍵成分的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu),,,,,,,GA,AS,GA,GA,AS,GA,AS,GA,AS,,,施主雜質(zhì)替代Ⅴ族元素,受主雜質(zhì)替代III族元素,,,,兩性雜質(zhì)III、Ⅴ族元素,等電子雜質(zhì)同族原子取代,●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?jī)r(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。但是由于共價(jià)半徑和電負(fù)性不同,它們能俘獲某種載流子而成為帶電中心。帶電中心稱為等電子陷阱。,例如,N取代GAP中的P而成為負(fù)電中心,電子陷阱,空穴陷阱,●束縛激子,等電子陷阱俘獲一種符號(hào)的載流子后,又因帶電中心的庫侖作用又俘獲另一種帶電符號(hào)的載流子,形成束縛激子。,●兩性雜質(zhì),舉例GAAS中摻SI(Ⅳ族)GAⅢ族ASⅤ族SIGA施主兩性雜質(zhì)SIAS受主,,,兩性雜質(zhì)在化合物半導(dǎo)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)。,§23氮化鎵、氮化鋁、碳化硅中的雜質(zhì)能級(jí),點(diǎn)缺陷空位、間隙原子線缺陷位錯(cuò)面缺陷層錯(cuò)、晶界,1、缺陷的類型,§24缺陷能級(jí),2元素半導(dǎo)體中的缺陷,1空位,原子的空位起受主作用。,2填隙,SI,間隙原子缺陷起施主作用,●反結(jié)構(gòu)缺陷GAAS受主ASGA施主,3GAAS晶體中的點(diǎn)缺陷,●空位VGA、VASVGA受主VAS施主,●間隙原子GAI、ASIGAI施主ASI受主,E,4Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體的缺陷,Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體離子鍵結(jié)構(gòu),A負(fù)離子空位,產(chǎn)生正電中心,起施主作用,,,電負(fù)性小,,B正離子填隙,產(chǎn)生正電中心,起施主作用,,,,,,產(chǎn)生負(fù)電中心,起受主作用,,C正離子空位,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,電負(fù)性大,,產(chǎn)生負(fù)電中心,起受主作用,D負(fù)離子填隙,,,,,,負(fù)離子空位,產(chǎn)生正電中心,起施主作用,正離子填隙,,正離子空位,負(fù)離子填隙,,產(chǎn)生負(fù)電中心,起受主作用,第二章半導(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)2什么叫施主什么叫施主電離施主電離前后有何特征試舉例說明之,并用能帶圖表征出N型半導(dǎo)體。3什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,并用能帶圖表征出P型半導(dǎo)體。4摻雜半導(dǎo)體與本征半導(dǎo)體之間有何差異試舉例說明摻雜對(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7何謂雜質(zhì)補(bǔ)償雜質(zhì)補(bǔ)償?shù)囊饬x何在,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離子,并同時(shí)向?qū)峁╇娮?,這種雜質(zhì)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。施主電離前不帶電,電離后帶正電。例如,在SI中摻P,P為Ⅴ族元素。本征半導(dǎo)體SI為Ⅳ族元素,P摻入SI中后,P的最外層電子有四個(gè)與SI的最外層四個(gè)電子配對(duì)成為共價(jià)電子,而P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)帶成為自由電子。這個(gè)過程就是施主電離。,3、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)帶提供空穴,這種雜質(zhì)就叫受主。受主電離成為帶負(fù)電的離子(中心)的過程就叫受主電離。受主電離前帶不帶電,電離后帶負(fù)電。例如,在SI中摻B,B為Ⅲ族元素,而本征半導(dǎo)體SI為Ⅳ族元素,P摻入B中后,B的最外層三個(gè)電子與SI的最外層四個(gè)電子配對(duì)成為共價(jià)電子,而B傾向于接受一個(gè)由價(jià)帶熱激發(fā)的電子。這個(gè)過程就是受主電離。,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)電特性。摻雜半導(dǎo)體又分為N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。例如,在常溫情況下,本征SI中的電子濃度和空穴濃度均為15X1010CM3。當(dāng)在SI中摻入10X1016CM3的P后,半導(dǎo)體中的電子濃度將變?yōu)?0X1016CM3,而空穴濃度將近似為225X104CM3。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質(zhì)。如ⅢⅤ族GAAS中摻Ⅳ族SI如果SI替位Ⅲ族AS,則SI為施主;如果SI替位Ⅴ族GA,則SI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)。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。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)域的導(dǎo)電類型,制造各種器件。,第二章習(xí)題,1P64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)體變成N型半導(dǎo)體,然后再設(shè)法使它變成P型半導(dǎo)體。,
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上傳時(shí)間:2024-01-06
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