理想半导体材料原子静止在具有严格周期性晶格的格点位置.ppt
ccs.sjtu.edu.cn,理想半导体材料 原子静止在具有严格周期性晶格的格点位置上 晶体是纯净的，即不含杂质 (与组成晶体材料的元素不同的其它化学元素) 晶格结构是完整的，即具有严格的周期性,实际半导体材料 原子在平衡位置附近振动 含有杂质； 晶格结构不完整，存在缺陷,ccs.sjtu.edu.cn,杂质和缺陷的影响 使周期性势场受到破坏，有可能在禁带中引入能级，从而对半导体的性质产生影响 影响半导体器件的质量（如性能等） 对半导体材料的物理性质和化学性质起决定性的影响（如提高导电率）,本章目的：介绍杂质和缺陷的基本概念,105硅原子中掺1个硼原子，则比单纯硅晶的电导率增加了103倍,ccs.sjtu.edu.cn,杂质 与组成晶体材料的元素不同的其他化学元素,形成原因 原材料纯度不够 制作过程中有玷污 人为的掺入,ccs.sjtu.edu.cn,分类(1)：按杂质原子在晶格中所处位置分 间隙式杂质 替位式杂质,杂质原子位于晶格原子的间隙位置 要求杂质原子比较小,杂质原子取代晶格原子而位于格点处 要求杂质原子的大小、价电子壳层结构等均与晶格原子相近,两种类型的杂质可以同时存在,杂质在半导体中的主要存在方式是替位式,ccs.sjtu.edu.cn,分类(2)：按杂质所提供载流子的类型分 施主杂质 受主杂质,第V族杂质原子替代第IV族晶体材料原子 能够施放(Discharge)电子而产生导电电子，并形成正电中心的杂质（n型杂质）,第III族杂质原子替代第IV族晶体材料原子 能够接受(Accept)电子而产生导电空穴，并形成负电中心的杂质（p型杂质）,施主杂质,受主杂质,ccs.sjtu.edu.cn,施主杂质(IV-V),杂质电离 杂质电离能 离化态 中性态,提供载流子：导带电子,ccs.sjtu.edu.cn,杂质电离 在一定能量下，杂质中电子脱离原子束缚而成为导电电子的过程 杂质电离能 杂质电离时所需要的最少能量 ED=Ec-ED，一般来说ED Eg 离化态 杂质吸收能量释放电子后形成的带电中心 中性态 未电离时称为中性态或者束缚态,ccs.sjtu.edu.cn,受主杂质(IV-III),杂质电离 杂质电离能 离化态 中性态,提供载流子：价带空穴,ccs.sjtu.edu.cn,小结：,施主杂质和受主杂质都是浅能级杂质 施主杂质能级靠近导带底，受主杂质能级靠近价带顶 杂质电离能非常小 （Eg通常为1ev左右，而ED只有零点几个ev左右）,施主杂质和受主杂质为半导体材料提供载流子 施主杂质为导带提供电子 （掺施主杂质的半导体为n型半导体） 受主杂质为价带提供空穴 （掺受主杂质的半导体为p型半导体）,n型半导体：电子的数目远大于空穴的数目（或者说以电子导电为主） p型半导体：空穴的数目远大于电子的数目（或者说以空穴导电为主） 本征半导体：没有掺杂的半导体,ccs.sjtu.edu.cn,杂质的补偿作用 假设在半导体晶体中同时存在施主杂质和受主杂质，则两种杂质之间有相互抵消作用,NDNA 经补偿后，导带中电子浓度为 ND-NAND 半导体为n型半导体,NAND 经补偿后，导带中空穴浓度为 NA-NDNA 半导体为p型半导体,ND NA 虽然杂质很多，但不能给半导体材料提供更多的电子和空穴,ccs.sjtu.edu.cn,杂质的高度补偿 控制不当，使得ND NA 施主电子刚好够填满受主能级 虽然杂质很多，但不能给半导体材料提供更多的电子和空穴 一般不能用来制造半导体器件 （易被误认为纯度很高，实质上含杂质很多，性能很差）,ccs.sjtu.edu.cn,本征半导体 电子和空穴的浓度相等，即 ； n型半导体(掺施主杂质) 主要依靠导带中电子导电的半导体； 电子浓度远大于空穴浓度，即 p型半导体(掺受主杂质) 主要依靠价带中空穴导电的半导体； 空穴浓度远大于电子浓度，即,小结：,ccs.sjtu.edu.cn,分类(3)：按杂质原子所提供的能级分 浅能级杂质 深能级杂质,如第IV族材料中加入第III或V族杂质 杂质能级离导带或者价带很近 晶格中原子热振动的能量就足以将浅能级杂质电离 影响半导体载流子浓度，从而改变半导体的导电类型,如第IV族材料中加入非III、V族杂质 杂质能级离导带或者价带很远 常规条件下不易电离 起一定的杂质补偿作用； 对载流子的复合作用非常重要，是很好的复合中心,ccs.sjtu.edu.cn,等电子杂质 与基质晶体原子具有同数量价电子的杂质原子称为等电子杂质（同族原子杂质）,等电子陷阱,概念 等电子杂质替代格点上的同族原子后，基本仍是电中性的，但是由于原子序数不同，原子的共价半径和电负性有差别，因此它们能俘获载流子而成为带电中心，这个带电中心就成为等电子陷阱,形成条件 掺入原子与基质晶体原子在电负性、共价半径等方面有较大差别 等电子杂质电负性大于基质晶体原子的电负性时，替代后，它能俘获电子成为负电中心（相当于提供空穴） 反之，它能俘获空穴成为正电中心（相当于提供导电电子）,杂质的双性行为 硅在砷化镓中既能取代镓而表现出施主杂质，又能取代砷表现出受主杂质,ccs.sjtu.edu.cn,Review,杂质 在纯净半导体中掺入一定量的杂质，可以显著的控制半导体的导电性质（浅能级杂质）和稳定性性能（深能级杂质） 杂质能级 杂质掺入半导体后，由于在晶格势场中引入微扰，从而在禁带中引入能级（杂质能级） 浅能级杂质 施主杂质和受主杂质 杂质能级、杂质电离（能）、电离态 杂质的补偿作用 n型和p型半导体 高度补偿,ccs.sjtu.edu.cn,缺陷： 晶格周期的不完整 分为三类,点缺陷（点的不完整）：空位、间隙原子 线缺陷（线的不完整）：位错 面缺陷（面的不完整）：层错,ccs.sjtu.edu.cn,点缺陷 在一定温度下，晶格原子不仅在平衡位置附近做振动，而且有一部分原子会获得足够的能量，克服周围原子对它的束缚，挤入晶格原子间的间隙，形成间隙原子，原来的位置空出来，成为空位。（热缺陷）,Frenkel缺陷： 间隙原子和空位成对出现,Schottky缺陷： 只在晶体内形成空位，而无间隙原子,ccs.sjtu.edu.cn,反结构缺陷（化合物、替位原子）,有两种替位方式： A取替B，记为AB；B取替A，记为BA,Reading,
