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、電子在周期場中作共有化運動，形成允帶和禁帶——電子能量只能處在允帶中的能級上，禁帶中無能級。

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。實際半導(dǎo)體：1、總是有雜質(zhì)、缺陷，使周期場破壞，在雜質(zhì)或缺陷周圍引起局部性的量子態(tài)——對應(yīng)的能級常常處在禁帶中，對半導(dǎo)體的性質(zhì)起著決定性的影響。2、雜質(zhì)電離提供載流子。

雜質(zhì)半導(dǎo)體主要內(nèi)容§2-1元素半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級§2-2化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級§2-3缺陷、位錯能級重點掌握鍺、硅晶體中的雜質(zhì)能級，

Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體的雜質(zhì)能級。

施主/受主施主雜質(zhì)/受主雜質(zhì)施主能級/受主能級淺能級雜質(zhì)/深能級雜質(zhì)淺能級雜質(zhì)電離能的計算雜質(zhì)補償作用§2-1元素半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級一、雜質(zhì)存在的方式1、雜質(zhì)存在方式金剛石結(jié)構(gòu)Si中，一個晶胞內(nèi)的原子占晶體原胞的34%，空隙占66%。雜質(zhì)——與本體元素不同的其他元素(2)替位式→雜質(zhì)占據(jù)格點的位置。大小接近、電子殼層結(jié)構(gòu)相近Si：r=0.117nmB：r=0.089nmP：r=0.11nmLi：0.068nm(1)間隙式→雜質(zhì)位于組成半導(dǎo)體的元素或離子的格點之間的間隙位置。SiSiSiSiSiSiSiPSiLi半導(dǎo)體中雜質(zhì)存在方式二、元素半導(dǎo)體的雜質(zhì)1.VA族的替位雜質(zhì)——施主雜質(zhì)在硅Si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束縛態(tài)—未電離離化態(tài)—電離后電離時，P原子能夠提供導(dǎo)電電子并形成正電中心，稱為施主雜質(zhì)。施主雜質(zhì)施主能級被施主雜質(zhì)束縛的電子的能量比導(dǎo)帶底Ec低，稱為施主能級，ED。施主雜質(zhì)少，原子間相互作用可以忽略，雜質(zhì)的施主能級是具有相同能量的孤立能級．ED施主濃度：ND+++++-△EDEgEcEv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動的電子（導(dǎo)帶中的電子）所需 要的能量ECED

△ED=EC－ED施主電離能EV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)體晶體雜質(zhì)PAsSbSi0.0440.0490.039Ge0.01260.01270.0096在Si中摻入BB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)向價帶提供空穴。2.ⅢA族替位雜質(zhì)——受主雜質(zhì)B獲得一個電子變成負(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：NAEcEvEA(2)受主電離能和受主能級受主電離能△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△EA受主能級EA：被受主雜質(zhì)所束縛的空穴能量受主雜質(zhì)的電離能小，在常溫下基本上為價帶電離的電子所占據(jù)——空穴由受主能級向價帶激發(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。晶體雜質(zhì)BAlGaSi0.0450.0570.065Ge0.010.010.011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)！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pP型半導(dǎo)體特征：a受主雜質(zhì)電離，價帶中出現(xiàn)受主提供的導(dǎo)電空穴b空穴濃度p〉電子濃度nN型和P型半導(dǎo)體都稱為極性半導(dǎo)體ECEDEVEA----++++----++++EgP型半導(dǎo)體價帶空穴數(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帶提供電子和空穴的過程（電子從施主能級向?qū)У能S遷或空穴從受主能級向價帶的躍遷）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=10-6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：施主雜質(zhì)：受主雜質(zhì)：淺能級雜質(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)能級在禁帶中的位置很接近導(dǎo)帶底很接近價帶頂4.淺能級雜質(zhì)電離能的簡單計算+-施主-+受主淺能級雜質(zhì)=雜質(zhì)離子+束縛電子（空穴）類氫模型玻爾原子電子的運動軌道半徑為：n=1為基態(tài)電子的運動軌跡氫原子中的電子的電離能為E0=13.6eV玻爾能級：玻爾原子模型類氫模型：計算束縛電子或空穴運動軌道半徑及電離能運動軌道半徑：電離能：施主能級靠近導(dǎo)帶底部對于Si、Ge摻PEcEvED估算結(jié)果與實測值有相同的數(shù)量級對于Si、Ge摻BEcEvEAEcED電離施主電離受主Ev5.雜質(zhì)的補償作用(1)ND＞NA半導(dǎo)體中同時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半導(dǎo)體為n型半導(dǎo)體有效施主濃度n=ND-NAEAEcEDEAEv電離施主電離受主(2)ND<NA此時半導(dǎo)體為p型半導(dǎo)體有效受主濃度p=NA-ND(3)ND≈NA雜質(zhì)的高度補償EcEDEAEv本征激發(fā)產(chǎn)生的導(dǎo)帶電子本征激發(fā)產(chǎn)生的價帶空穴6.深雜質(zhì)能級根據(jù)雜質(zhì)能級在禁帶中的位置，將雜質(zhì)分為：淺能級雜質(zhì)→能級接近導(dǎo)帶底Ec或價帶頂Ev，電離能很小深能級雜質(zhì)→能級遠(yuǎn)離導(dǎo)帶底Ec或價帶頂Ev，電離能較大ECEDEVEAEgECEAEVEDEg例：在Ge中摻Au可產(chǎn)生3個受主能級，1個施主能級Au的電子組態(tài)是：5s25p65d106s1Au+Au0Au-Au2-Au3-多次電離，每一次電離相應(yīng)地有一個能級既能引入施主能級．又能引入受主能級AuGeGeGeGe1.Au失去一個電子—施主EcEvEDED=Ev+0.04eVAu＋EcEvEDEA12.Au獲得一個電子—受主EA1=Ev+0.15eVAu－3.Au獲得第二個電子EcEvEDEA1EA2=Ec-0.2eVEA2Au2－3.Au獲得第三個電子EcEvEDEA1EA3=Ec-0.04eVEA2EA3Au3－深能級雜質(zhì)的特點A雜質(zhì)能級深B.主要以替位式存在.C.雜質(zhì)在禁帶中引入多個能級。D.有的屬于兩性雜質(zhì)。如替代同一原子，則施主總在受主下方。E.深能級雜質(zhì)的行為與雜質(zhì)的電子層結(jié)構(gòu)、原子大小、雜質(zhì)在晶格中的位置等有關(guān)?！?-2Ⅲ－Ⅴ族化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級

理想的GaAs晶格為價鍵結(jié)構(gòu)：含有離子鍵成分的共價鍵結(jié)構(gòu)Ga-AsGaGaAsGaAs+GaAsⅢ－Ⅴ族化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)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（1）施主雜質(zhì)Ⅵ族元素:Ⅵ族元素(Se、S、Te)在GaAs中通常都替代Ⅴ族元素As原子的晶格位置，由于Ⅵ族原子比Ⅴ族原子多一個價電子，因此Ⅵ族雜質(zhì)在GaAs中一般起施主作用，為淺施主雜質(zhì)。（2）受主雜質(zhì)

I、II族元素（Ag、Au，Zn、Be、Mg、Cd、Hg）在GaAs中通常都取代Ⅲ族元素Ga原子的晶格位置，由于I、Ⅱ族原子比Ⅲ族原子少一或二個價電子，因此I、Ⅱ族元素雜質(zhì)在GaAs中通常起受主作用，均為淺受主。（3）兩性雜質(zhì)Ⅳ族元素雜質(zhì)可以取代Ⅲ族的Ga，也可以取代Ⅴ族的As，甚至可以同時取代兩者，因此Ⅳ族雜質(zhì)可以同時起施主作用和受主作用，稱為兩性雜質(zhì)。例:在摻Si濃度小于1×1018cm-3時，Si全部取代Ga位而起施主作用，這時摻Si濃度和電子濃度一致；而在摻Si濃度大于1018cm-3時，部分Si原子開始取代As位，出現(xiàn)補償作用，電子濃度逐漸偏低。SiGaSiAs（4）中性雜質(zhì)Ⅲ族元素（B、Al、In）和Ⅴ族元素（P、Sb）在GaAs中通常分別替代Ga和As，由于雜質(zhì)在晶格位置上并不改變原有的價電子數(shù)，因此既不給出電子也不俘獲電子而呈電中性，對GaAs的電學(xué)性質(zhì)沒有明顯影響，在禁帶不引入能級。（5）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)量價電子的雜質(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)電中心雜質(zhì)電負(fù)性較本體原子大，俘獲電子，形成電子陷阱.雜質(zhì)電負(fù)性較本體原子小，俘獲空穴，形成空穴陷阱.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)特點：A.與基質(zhì)原子同族，原子序數(shù)、電負(fù)性不同如：GaP和GaAsP中的N，BiB.替代格點上的同族原子后，基本呈中性的雜質(zhì)。C.能俘獲某種載流子而成為帶電中心，帶電中心又能俘獲另一種載流子而成為束縛激子。D.等電子絡(luò)合物也能形成等電子陷阱。GaAs中常用摻雜劑p型雜質(zhì)：鎂，鋅，鎘n型雜質(zhì)：鍺、錫（代替Ga），碲，硒（代替As）點缺陷：空位、間隙原子線缺陷：位錯面缺陷：層錯、晶界SiSiSiSiSiSiSiSiSi1、缺陷的類型§2-3缺陷能級缺陷——原子周期性排列被破壞2.元素半導(dǎo)體中的缺陷(1)空位SiSiSiSiSiSiSiSi原子的空位起受主作用。(2)填隙SiSiSiSiSiSiSiSiSiSi間隙原子缺陷起施主作用AsGaAsAsAsAsGaAsGaGaGaAsGaAsGaAs●反結(jié)構(gòu)缺陷

GaAs受主AsGa施主3.GaAs晶體中的點缺陷●空位VGa、VAs

VGa受主VAs

施主●間隙原子GaI、AsI

GaI施主AsI受主e當(dāng)T＞0K時，熱缺陷：弗侖克耳缺陷、肖特基缺陷第二章內(nèi)容提要（1）在純凈的半導(dǎo)體中摻入一定的雜質(zhì)，可以顯著地控制半導(dǎo)體的導(dǎo)電性質(zhì)。根據(jù)雜質(zhì)的分布位置可以分為施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)。（2）施主雜質(zhì)電離后成為不可移動的帶正電的施主離子，同時向?qū)峁╇娮?，使半?dǎo)體成為電子導(dǎo)電的n型半導(dǎo)體。受主雜質(zhì)電離后成為不可移動的帶負(fù)電的受主離子，同時，向價帶提供空穴，使半導(dǎo)體成為空穴導(dǎo)電的p型半導(dǎo)體。（3）雜質(zhì)元素?fù)饺氚雽?dǎo)體后，由于在晶格勢場中引入微擾，使能帶極值附近出現(xiàn)分立的能級—雜質(zhì)能級。Ⅴ族元素在靠近導(dǎo)帶底附近Ec的禁帶中進入施主能級ED，Ⅲ族元素在靠近價帶頂Ev的禁帶中引入受主能級E