2022-2023学年高二物理竞赛课件：半导体中的杂质和缺陷

半导体中的杂质和缺陷 理想半导体： 1、原子严格周期性排列，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。 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。由本征激发提供载流子。 实际半导体 实际半导体中原子并不是静止在具有严格周期性的晶格位置上，而是在其平衡位置附近振动； 实际半导体并不是纯净的，而是含有杂质的； 实际的半导体晶格结构并不是完整无缺的，而是存在着各种形式的缺陷，点缺陷，线缺陷，面缺陷； 杂质和缺陷可在禁带中引入能级，从而对半导体的性质产生了决定性的作用 主要内容 1. 浅能级杂质能级和杂质电离； 2. 浅能级杂质电离能的计算； 3. 杂质补偿作用 4. 深能级杂质的特点和作用 1、等电子杂质； 2、Ⅳ族元素起两性杂质作用 §2-1 元素半导体中的杂质能级 §2-3 缺陷能级 §2-2 化合物半导体中的杂质能级 点缺陷对半导体性能的影响 Si、Ge晶体中的杂质能级 1、杂质与杂质能级 杂质：半导体中存在的与本体元素不同的其它元素。 杂质的来源： ｛ 有意掺入 无意掺入 根据杂质在能级中的位置不同： ｛ 替位式是杂质 间隙式杂质 在金刚石型晶体中，晶胞中原子的体积百分数为34%，说明还有66%是空隙。Si 中的杂质有两种存在方式， a：间隙式杂质 特点：杂质原子一般较小，锂元素 b：替位式杂质 特点：杂质原子的大小与被替代的晶格原子大小可以相比，价电子壳层结构比较相近，Ⅲ和Ⅴ族元素在Si，Ge中都是替位式 以硅为例说明 单位体积中的杂质原子数称为杂质浓度 B:替位式→杂质占据格点位置。大小接近、电子壳层结构相近 Si：r=0.117nm B：r=0.089nm P：r=0.11nm Li：0.068nm A: 间隙式→杂质位于间隙位置。 Si Si Si Si Si Si Si P Si Li N型半导体 P型半导体 复合中心 陷阱 杂质分类 浅能级杂质 深能级杂质 杂质能级位于禁带中 Eg 浅能级 施主杂质施主能级 Ei 受主杂质 受主能级 Ec Ev 浅能级 (1)VA族的替位杂质——施主杂质 在硅Si中掺入P Si Si Si Si Si Si Si P+ Si 磷原子替代硅原子后，形成一个正电中心P＋和一个多余的价电子 束缚态—未电离 离化态—电离后 2、元素半导体的杂质 （a）电离态 （b）中性施主态 过程： 1.形成共价键后存在正电中心P+； 2.多余的一个电子挣脱束缚，在晶格中自由动；杂质电离 3. P+成为不能移动的正电中心； 杂质电离，杂质电离能，施主杂质（n型杂质），施主能级 $