华东师范大学：《半导体物理》第二章 半导体中杂质和缺陷能级

信息学院电子系微电子专业必修课程 命愿吗带 半导体物理 Semiconductor Physics 茅惠兵 信息科学技术学院

-1- 2021/2/23 信息学院电子系微电子专业必修课程 茅惠兵 信息科学技术学院 半导体物理 Semiconductor Physics

信息学院电子系微电子专业必修课程 第二章半导体中杂质和缺陷能级 口理想半导体 1、原子严格地周期性排列,晶体具有完整的晶格 结构。 晶体中无杂质,无缺陷。 3、电子在周期场中作共有化运动,形成允带和禁带——电 子能量只能处在允带中的能级上,禁带中无能级。由本 征激发提供载流子 今本征半导体—晶体具有完整的(完美的)晶格结构, 无任何杂质和缺陷。 -2-2021/223

SHARED COMMITMENT. SHARED RESOURCES. ONE SOLUTION. -2- 2021/2/23 信息学院电子系微电子专业必修课程 第二章 半导体中杂质和缺陷能级 理想半导体： 1、原子严格地周期性排列，晶体具有完整的晶格 结构。 2、晶体中无杂质，无缺陷。 3、电子在周期场中作共有化运动，形成允带和禁带——电 子能量只能处在允带中的能级上，禁带中无能级。由本 征激发提供载流子 本征半导体——晶体具有完整的（完美的）晶格结构， 无任何杂质和缺陷

信息学院电子系微电子专业必修课程 第二章半导体中杂质和缺陷能级 口实际材料中 1、总是有杂质、缺陷,使周期场破坏,在杂质或 缺陷周围引起局部性的量子态——对应的能级常 常处在禁带中,对半导体的性质起着决定性的影 2、杂质电离提供载流子

SHARED COMMITMENT. SHARED RESOURCES. ONE SOLUTION. -3- 2021/2/23 信息学院电子系微电子专业必修课程 第二章 半导体中杂质和缺陷能级 实际材料中 1、总是有杂质、缺陷，使周期场破坏，在杂质或 缺陷周围引起局部性的量子态——对应的能级常 常处在禁带中，对半导体的性质起着决定性的影 响。 2、杂质电离提供载流子

信息学院电子系微电子专业必修课程 命愿吗带 §21硅、锗晶体中的杂质能级 §21.1替位式杂质间隙式杂质 口一个晶胞中包含有八个硅原子,若近似地把原子看成是 半径为r的圆球,则可以计算出这八个原于占据晶胞空间 的百分数如下:2=1a5r=5 8×-丌r 0.34 口说明,在金刚石型晶体中一个晶胞内的8个原子只占有晶 胞体积的34%,还有66%是空隙

SHARED COMMITMENT. SHARED RESOURCES. ONE SOLUTION. -4- 2021/2/23 信息学院电子系微电子专业必修课程 §2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 §2.1.1 替位式杂质 间隙式杂质  一个晶胞中包含有八个硅原子，若近似地把原子看成是 半径为r的圆球，则可以计算出这八个原于占据晶胞空间 的百分数如下：  说明，在金刚石型晶体中一个晶胞内的8个原子只占有晶 胞体积的34%，还有66%是空隙 3 3 1 3 2 3 = 4 8 3 8 4 0.34 r a r a r a  =     =

信息学院电子系微电子专业必修课程 命愿吗带 §211替位式杂质间隙式杂质 口金刚石型晶体结构中的两种空隙如图2-1所示。这些空 隙通常称为间隙位置 图2-1金刚石型晶体结构屮的两种间隙位置 (a)四面体间隙位置;(b)六角形间隙位置

SHARED COMMITMENT. SHARED RESOURCES. ONE SOLUTION. -5- 2021/2/23 信息学院电子系微电子专业必修课程 §2.1.1 替位式杂质 间隙式杂质  金刚石型晶体结构中的两种空隙如图2-1所示。这些空 隙通常称为间隙位置

信息学院电子系微电子专业必修课程 命愿吗带 §211替位式杂质间隙式杂质 杂质原子进入半导体硅后, 以两种方式存在 口种方式是杂质原子位于○(○○ 品格原子间的间隙位置, 常称为间隙式杂质(A) ○○● 代晶格原子而位于晶格点Q④③○○③ 处,常称为替位式杂质(B) 图2-2硅叶的间隙式杂质和替位式杂质 -6-2021/223

SHARED COMMITMENT. SHARED RESOURCES. ONE SOLUTION. -6- 2021/2/23 信息学院电子系微电子专业必修课程 §2.1.1 替位式杂质 间隙式杂质 杂质原子进入半导体硅后， 以两种方式存在  一种方式是杂质原子位于 品格原子间的间隙位置， 常称为间隙式杂质（A）  另一种方式是杂质原子取 代晶格原子而位于晶格点 处，常称为替位式杂质（B）

信息学院电子系微电子专业必修课程 命愿吗带 §211替位式杂质间隙式杂质 两种杂质特点: 口间隙式杂质原子一般比较小,如:锂离子,0.068nm 口替值式杂质时 1)杂质原子的大小与被取代的晶格原子的大小比较相近 2)价电子壳层结构比较相近 如:ⅢV族元素 7-2021/223

SHARED COMMITMENT. SHARED RESOURCES. ONE SOLUTION. -7- 2021/2/23 信息学院电子系微电子专业必修课程 §2.1.1 替位式杂质 间隙式杂质 两种杂质特点：  间隙式杂质原子一般比较小，如：锂离子，0.068nm  替值式杂质时： 1）杂质原子的大小与被取代的晶格原子的大小比较相近 2）价电子壳层结构比较相近 如：ⅢⅤ族元素

信息学院电子系微电子专业必修课程 命愿吗带 §212施主杂质施主能级 口∨族杂质在硅、锗中电离时,能够施放电子而产 生导电电子并形成正电中心,称它们为施主杂质 或n型杂质 -8-2021/223

SHARED COMMITMENT. SHARED RESOURCES. ONE SOLUTION. -8- 2021/2/23 信息学院电子系微电子专业必修课程 §2.1.2 施主杂质 施主能级 Ⅴ族杂质在硅、锗中电离时，能够施放电子而产 生导电电子并形成正电中心，称它们为施主杂质 或n型杂质

信息学院电子系微电子专业必修课程 命愿吗带 §212施主杂质施主能级 以硅中掺磷P为例: 口磷原子占据硅原子的位置。磷原子 有五个价电子。其中四个价电子与s 周围的四个硅原于形成共价键,还 剩余一个价电子。 口这个多余的价电子就束缚在正电中 心P+的周围。价电子只要很少能 量就可挣脱束缚,成为导电电子在 晶格中自由运动 口这时磷原子就成为少了一个价电子 的磷离子P+,它是一个不能移动图23硅中的應主杂质 的正电中心

SHARED COMMITMENT. SHARED RESOURCES. ONE SOLUTION. -9- 2021/2/23 信息学院电子系微电子专业必修课程 §2.1.2 施主杂质 施主能级 以硅中掺磷P为例：  磷原子占据硅原子的位置。磷原子 有五个价电子。其中四个价电子与 周围的四个硅原于形成共价键，还 剩余一个价电子。  这个多余的价电子就束缚在正电中 心P＋的周围。价电子只要很少能 量就可挣脱束缚，成为导电电子在 晶格中自由运动  这时磷原子就成为少了一个价电子 的磷离子P＋，它是一个不能移动 的正电中心

信息学院电子系微电子专业必修课程 命愿吗带 §212施主杂质施主能级 口上述电子脱离杂质原子的束缚成为导电电子的过程称 为杂质电离 口使个多余的价电子挣脱束缚成为导电电子所需要的能 量称为杂质电离能 口施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子, 同时向导带提供电子,使半导体成为电子导电的n型 半导体

SHARED COMMITMENT. SHARED RESOURCES. ONE SOLUTION. -10- 2021/2/23 信息学院电子系微电子专业必修课程 §2.1.2 施主杂质 施主能级  上述电子脱离杂质原子的束缚成为导电电子的过程称 为杂质电离  使个多余的价电子挣脱束缚成为导电电子所需要的能 量称为杂质电离能  施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子， 同时向导带提供电子，使半导体成为电子导电的n型 半导体