半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級和缺陷能級

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1、第二章半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級n硅和鍺中的雜質(zhì)能級1.施主雜質(zhì)和施主能級2.受主雜質(zhì)和受主能級n類氫模型n雜質(zhì)補償n深能級nⅢ—Ⅴ族化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)n缺陷與缺陷能級1雜質(zhì)能級在實際的半導(dǎo)體材料中，總是不可避免地存在有雜質(zhì)和各種類型的缺陷。特別是在半導(dǎo)體的研究和應(yīng)用中，常常有意識的加入適當?shù)碾s質(zhì)。這些雜質(zhì)產(chǎn)生的附加勢場，改變了晶格原有的周期性勢場。有可能使電子或空穴束縛在雜質(zhì)的周圍，產(chǎn)生局域化的電子態(tài)，從而在禁帶中引入相應(yīng)的雜質(zhì)能級。2替位式雜質(zhì)、間隙式雜質(zhì)金剛石結(jié)構(gòu)填充率：428′pr33p===0.3434%3a16n替位式雜質(zhì)：雜質(zhì)原子取代晶格原子；n間隙式雜質(zhì)：雜質(zhì)

2、原子位于晶格原子的間隙位置；3施主雜質(zhì)和施主能級EcDEDEDEgEvn磷原子這種能夠向?qū)峁╇娮拥碾s質(zhì)稱為施主雜質(zhì)（n型雜質(zhì)）。n被施主雜質(zhì)束縛的電子能量狀態(tài)稱為施主能級。n施主雜質(zhì)釋放電子的過程稱為施主電離；n雜質(zhì)能級上的電子掙脫雜質(zhì)原子束縛所需要的最小能量成為電離能，用DED表示。DED=-EECD4受主雜質(zhì)和受主能級EcEgEDEAAEvn硼原子這種能夠向價帶奪取電子的雜質(zhì)稱為受主雜質(zhì)（p型雜質(zhì)）。n被受主雜質(zhì)束縛的空穴的能量狀態(tài)稱為受主能級。n受主雜質(zhì)向價帶釋放空穴的過程稱為受主電離；n雜質(zhì)能級上的電子掙脫雜質(zhì)原子束縛所需要的最小能量成為電離能，用DEA表示。DE

3、A=-EEAV5電離能的計算——類氫模型n淺能級：在硅和鍺中的Ⅲ族和Ⅴ族雜質(zhì)，它們作為受主和施主的電離能和禁帶寬度相比非常小的，這些雜質(zhì)形成的能級，在禁帶中很靠近價帶頂或?qū)У?，稱這樣的雜質(zhì)能級淺能級。n類氫模型：以參入硅中的磷原子為例，磷原子比周圍的硅原子多一個電子電荷的正電中心和一個束縛著的價電子，相當于在硅晶體上附加了一個“氫原子”，所以可以用氫原子模型估計DE的數(shù)值。D6類氫模型n氫原子中電子能量為：4mq0En=-=,1,2,3Ln2228ehn0n氫原子基態(tài)電離能：4mq0E=E-E==13.6()eV(2-1)01￥228eh0在采用(2-1)式計算雜質(zhì)電力能時

4、需要作如下修正：1.氫原子中電子在自由空間運動，半導(dǎo)體中電子在周期性勢場運動，所以電子的慣性質(zhì)量要用有效質(zhì)量代替。2.在半導(dǎo)體中，由于介質(zhì)被極化的影響，使得電荷之間的庫侖作用減弱為它們在真空中庫侖作用的1/er倍，er為半導(dǎo)體的相對介電常數(shù)7修正后的計算公式施主雜質(zhì)電離能：*4*mqmEnn0DE==?(2-2)D22228eeehmrr00受主雜質(zhì)電離能：*4*mqmEpp0DE==?(2-3)A22228eeehmrr00類似的，我們也可以計算雜質(zhì)的基態(tài)軌道半徑2eehm0raa==e**2r0pmemnn8雜質(zhì)補償作用EEccEDEAEvEv(a)(b)a.NNDA>施

5、主雜質(zhì)的電子首先躍遷到受主能級，剩余的才向?qū)кS遷；b.NNAD>受主雜質(zhì)上的空位首先接受來自施主雜質(zhì)的電子，剩余的向價帶釋放空穴。雜質(zhì)補償作用：從對半導(dǎo)體載流子貢獻的角度來說，兩者有相互的抵消的作用，稱之為雜質(zhì)補償作用。9有效雜質(zhì)濃度高度補償n在雜質(zhì)全部電離，且忽略本征激發(fā)的條件下，載流子濃度的計算NNDA>：n=-NNDA;NN-為有效雜質(zhì)濃度，(n型半導(dǎo)體)DANN>：p=-NNAD;ADNN-為有效雜質(zhì)濃度，(P型半導(dǎo)體)AD當：NNDA?：nN?DNN?：pN?AAD10高度補償n雜質(zhì)高度補償NN?時，由于施主電子剛好填充受主能級，幾乎不向?qū)A帶和價帶提供電子和空

6、穴。這種情況稱為雜質(zhì)的高度補償。注：高度補償?shù)陌雽?dǎo)體材料的載流子濃度非常接近高純半導(dǎo)體。但是實際晶格中包含有大量的電離了的雜質(zhì)離子，一般不能用來制造器件。11深能級雜質(zhì)n如果雜質(zhì)產(chǎn)生的施主能級距離導(dǎo)帶底較遠，受主能級距離價帶頂較遠，這種能級稱為深能級，相應(yīng)的雜質(zhì)稱為深能級雜質(zhì)；n深能級雜質(zhì)往往能多次電離，每次電離相應(yīng)的有一個能級。所以這種雜質(zhì)往往在禁帶中引入多個能級。有的雜質(zhì)既能引入施主能級，又能引入受主能級。n相對淺能級而言，深能級對載流子的貢獻較小，但是對非平衡載流子的復(fù)合作用很強。金是一種典型的復(fù)合中心，在制造高速開關(guān)時，摻入金可以提高速度。12金在鍺中的雜質(zhì)能級EcE

7、A30.04EA20.20EA10.15ED0.04Ev金原子最外層有一個價電子，比鍺少三個價電子。0?在鍺中的中性金原子Au，有可能分別接受一，二，三個電子而成為-=o，起受主作用，引入Au,,AuAuE、E、E等三個受主能級。A1A2A3?中性金原子也可能給出它的最外層電子而成為Au+，起施主作用，引入一個施主能級E。D13Ⅲ—Ⅴ族化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)nⅡ族元素可代替Ⅲ族元素鎵成為受主雜質(zhì)，Ⅵ族元素可代替Ⅴ族元素砷成為施主雜質(zhì)。nⅣ族元素如硅、鍺，既可以代替鎵成為施主雜質(zhì)，也可以代替砷成為受主雜質(zhì)。