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，无缺陷。 2、晶体中无杂质。 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——由本征激发提供载流子 实际半导体： 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 2、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。 杂质半导体——主要由杂质电离提供载流子 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 单质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 §2-1 单质半导体中的杂质能级 一、杂质存在的方式 金刚石结构Si中，一个晶胞内的原子占晶体原胞的34%，空隙占66%。 杂质——与本体元素不同的其他元素 (2) 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 (1) 间隙式→杂质位于间隙位置。 Si Si Si Si Si Si Si P Si Li 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 Si 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 二、单质半导体的杂质电离 Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si P+ Si Si Si Si Si Si Si Si 思考：在能带中如何表示电子的这2种状态？ 施主电离能△ED=弱束缚的电子摆脱杂质原子束缚成为晶格中自由运动的电子（导带中的电子）所需要的能量 △ED =EC－ED EC EV 束缚态 电离时，P原子能够提供导电电子并形成正电中心——施主杂质。 被施主杂质束缚的电子的能量比导带底Ec低，称为施主能级，ED。 施主杂质少，原子间相互作用可以忽略，施主能级是具有相同能量的孤立能级． + - 离化态 ED 施主杂质向导带提供电子 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 施主杂质的电离能小，在常温下基本上电离。 含有施主杂质的半导体，其导电的载流子主要是电子——N型半导体，或电子型半导体 晶体 杂质 P As Sb Si 0.044 0.049 0.039 Ge 0.0126 0.0127 0.0096 在Si中掺入B 2. ⅢA族替位杂质——受主杂质 B获得一个电子变成负离子，成为负电中心，周围产生带正电的空穴。 Ec Ev EA 受主电离能△EA=空穴摆脱受主杂质束缚成为导电 空穴所需要的能量 束缚态 离化态 + - B具有得到电子的性质，这类杂质称为受主杂质。 受主杂质向价带提供空穴。 受主杂质的电离能小，在常温下基本上为价带电离的电子所占据——空穴由受主能级向价带激发。 含有受主杂质的半导体，其导电的载流子主要是空穴——P型半导体，或空穴型半导体。 晶体 杂质 B Al Ga Si 0.045 0.057 0.065 Ge 0.01 0.01 0.011 $