【半导体物理基础】第2章半导体中杂质能级和缺陷能级

🕗 发布于 2024-10-03 16:45 人工智能

2.1 半导体中的杂质能级

杂质在半导体中存在的形式及杂质浓度

浅能级杂质

2.1 半导体中的杂质能级

杂质在半导体中存在的形式及杂质浓度

在实际的半导体材料中，总是不可避免地存在有杂质和各种类型的缺陷。

微量杂质对半导体性质起决定性的影响，例：在Si中掺入百万分之一的硼B，电导率提高一百万倍。

在半导体的研究和应用中，常常有意识的加入适当的杂质，在禁带中引入相应的杂质能级。

单位：1/cm3、1/m3 。 n：电子浓度，p：空穴浓度

浅能级杂质

施主杂质、施主能级和n型半导体——依靠电子导电的半导体－n型半导体

固定在晶格上，不能移动，带一个单位的正电荷。

Period	II	III	IV	V	VI
2		B	C	N	O
3	Mg	Al	Si	P	S
4	Zn	Ga	Ge	As	Se
5	Cd	In	Sn	Sb	Te
6	Hg		Pb	Bi

依靠空穴导电的半导体－p型半导体

杂质电离：空穴脱离杂质原子的束缚成为导电空穴的过程

浅能级杂质及其电离能的计算:类氢模型

浅能级：在硅和锗中的Ⅲ族和Ⅴ族杂质，它们作为受主和施主的电离能和禁带宽度相比非常小的，这些杂质形成的能级，在禁带中很靠近价带顶或导带底，称这样的杂质能级为浅能级。

类氢模型：以掺入硅中的磷原子为例，磷原子比周围的硅原子多带一个电子电荷的正电中心和一个束缚着的价电子，相当于在硅晶体上附加了一个“氢原子”，所以可以用氢原子模型估计的数值。

杂质补偿作用

加入两种杂质，分别引入两种杂质能级

杂质补偿作用：对于半导体载流子贡献，两者有相互的抵消的作用，称之为杂质补偿作用。

有效杂质浓度

虽然掺入杂质多，但是提供的导电的电子和空穴少。在杂质全部电离，且忽略本征激发的条件下，载流子浓度的计算。

给出杂质补偿的定义，阐述杂质补偿在半导体技术中的危害及应用（电子科大2007年考研真题）。

三、深能级杂质

III、V族杂质在Si、Ge禁带中产生浅能级，其他各族元素掺入也会产生能级

禁带中线以上标明的是离开导带底的能量

禁带中线以下标明的是离开价带顶的能量

实心短线：施主能级

空心短线：受主能级

非III、V族元素在Si中产生能级的特点：

施主能级距离导带底较远，受主能级距离价带顶较远，这种能级称为深能级，相应的杂质称为深能级杂质；

深能级杂质能多次电离，每次电离相应有一个能级。所以这种杂质往往在禁带中引入多个能级。

同一杂质既能引入施主能级，又能引入受主能级。

如：金Au在Ge中有3个受主能级，1个施主能级。银Ag引入3个受主能级引入多个能级与杂质原子的电子壳层结构、杂质原子的大小、杂质在半导体晶格中的位置等因素有关；

相对浅能级而言，深能级对载流子的贡献较小，但是对非平衡载流子的复合作用影响很强。例如：金是一种典型的复合中心，在制造高速开关时，掺入金可以提高速度。

2.2 缺陷与缺陷能级

缺陷及其能级

实际的半导体晶格不是完整无缺的，存在各种形式的缺陷半导体晶体中某些区域，晶格中原子周期性排列被破坏，形成缺陷。

一、缺陷种类：

二、点缺陷

1.元素半导体Si、Ge中的点缺陷

间隙原子和空位：一定温度下，晶格原子在平衡位置附近作振动，部分原子获得能量挤入晶格原子间的间隙，形成间隙原子，留下的位置叫做空位。

A）弗仑克耳缺陷：间隙原子和空位成对出现

B）肖特基缺陷：只有空位无间隙原子

间隙原子和空位不断产生并复合，达到平衡以上两种缺陷是由温度所决定的－热缺陷原子需要较大的能量才能进入间隙位置，空位占优，是常见的点缺陷。 Si和Ge 存在空位时，空位最邻近有4个原子，每一个原子有一个未成对的电子，成为不饱和共价键，倾向于接受电子－－空位起受主作用间隙原子有4个可以失去的电子，表现为施主作用

2.III-V族化合物半导体中的点缺陷

A）热缺陷 B）由于成份偏离正常的化学比，也可形成点缺陷如：GaAs中如果Ga偏多，形成As空位，而As偏多时，形成Ga空位，实验测得As空位和Ga空位均表现为受主作用。利用成分偏离可以控制半导体的导电类型 C)替位原子，如二元化合物AB（GaAs） A取代B：AB，A多，受主，接受电子倾向 B取代A：BA，B多，施主，多余价电子释放