半導(dǎo)體器件與物理一(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 的空穴 ， Θ表示受主雜質(zhì)電離后帶負(fù)電，成為不可移動的 負(fù)點(diǎn)中心 。 空穴得到能量 ΔEA后，就從受主的束縛態(tài)躍遷到價(jià)帶成為導(dǎo)電空穴，被受主雜質(zhì)束縛時(shí)的空穴的能量比價(jià)帶頂 EV低ΔEA，稱為 受主能級 ，用 EA表示。由于 ΔEA遠(yuǎn)小于禁帶寬度 Eg，所以受 主能級位于價(jià)帶頂很近的禁帶中 。由于受主雜質(zhì)相對較少，雜質(zhì)原子間的相互作用可以忽略，所以 受主能級 可以看作是 一些具有相同能量的孤立能級 ， 上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 半導(dǎo)體器件物理 第一章 半導(dǎo)體特性 上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院綜上所述 Ⅲ 族元素 Ⅴ 族元素 摻入半導(dǎo)體， 分別成為 受主雜質(zhì) 施主雜質(zhì) 在禁帶中引入了 新的能級，分別為 施主能級：比導(dǎo)帶底低 ΔED 受主能級：比價(jià)帶頂高 ΔEA 常溫下，雜質(zhì)都 處于離化態(tài) 施主雜質(zhì)向?qū)峁╇娮佣蔀檎娭行? 受主雜質(zhì)向價(jià)帶提供空穴而成為負(fù)電中心 分別 成為 N型半導(dǎo)體 P型半導(dǎo)體 上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 半導(dǎo)體器件物理 第一章 半導(dǎo)體特性 上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院施主 donor 受主 acceptor 上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 半導(dǎo)體器件物理 第一章 半導(dǎo)體特性 上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院關(guān)于能帶圖 電子能量，從下往上為升高的方向； 空穴能量，從上往下為升高的方向； 電子和空穴可以看作是兩種所帶電荷性質(zhì)相反，電荷數(shù)量相同，質(zhì)量相當(dāng)?shù)牧Ｗ樱? 施放電子的過程可以看作俘獲空穴的過程； 施放空穴的過程也可以看作俘獲電子的過程。 淺能級 很靠近導(dǎo)帶底的施主能級、很靠近價(jià)帶頂?shù)氖苤髂芗? 上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 半導(dǎo)體器件物理 第一章 半導(dǎo)體特性 上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院練習(xí) ? P30 7 作業(yè) ? P30 8 思考 如果半導(dǎo)體中同時(shí)有施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)會出現(xiàn)什么狀況？ 上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 半導(dǎo)體器件物理 第一章 半導(dǎo)體特性 上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院雜質(zhì)的補(bǔ)償作用 問題 假如在半導(dǎo)體材料中，同時(shí)存在著施主和受主雜質(zhì)， 該如何判斷半導(dǎo)體究竟是 N型還是 P型 ？ 答 應(yīng)該比較兩者濃度的大小， 由濃度大的雜質(zhì)來決定半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型 施主和受主雜質(zhì)之間有相互抵消的作用 上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 半導(dǎo)體器件物理 第一章 半導(dǎo)體特性 上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院ND 施主雜質(zhì)濃度 NA 受主雜質(zhì)濃度 n 導(dǎo)帶中的電子濃度 p 價(jià)帶中的空穴濃度 假設(shè)施主和受主雜質(zhì)全部電離時(shí)，分情況討論雜質(zhì)的補(bǔ)償作用。 上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 半導(dǎo)體器件物理 第一章 半導(dǎo)體特性 上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院當(dāng) ND187。N A時(shí)，因?yàn)槭苤髂芗壍陀谑┲髂芗墸允┲麟s質(zhì)的電子首先躍遷到受主能級上，填滿 NA個(gè)受主能級，還剩（ NDNA）個(gè)電子在施主能級上，在雜質(zhì)全部電離的條件下，它們躍遷到導(dǎo)帶中成為導(dǎo)電電子，這時(shí)， n= NDNA≈ND，半導(dǎo)體是 N型的 情況一 上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 半導(dǎo)體器件物理 第一章 半導(dǎo)體特性 上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院情況二 當(dāng) NA187。N D時(shí)，施主能級上的全部電子躍遷到受主能級上后，受主能級還有 (NAND)個(gè)空穴，它們可以躍遷到價(jià)帶成為導(dǎo)電空穴，所以， p=NAND≈NA，半導(dǎo)體是 P型的 上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 半導(dǎo)體器件物理 第一章 半導(dǎo)體特性 上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院有效雜質(zhì)濃度 經(jīng)過補(bǔ)償之后，半導(dǎo)體中的 凈雜質(zhì)濃度 當(dāng) ND NA時(shí)，則（ NDNA）為 有效施主濃度 ； 當(dāng) NA ND時(shí)，則（ NAND）為 有效受主濃度 。 利用雜質(zhì)補(bǔ)償?shù)淖饔茫涂梢愿鶕?jù)需要用 擴(kuò)散 或 離子注入 等方法來改變半導(dǎo)體中某一區(qū)域的導(dǎo)電類型，以制備各種器件。 若控制不當(dāng)，會出現(xiàn) ND≈NA的現(xiàn)象，這時(shí)，施主電子剛好填充受主能級，雖然晶體中雜質(zhì)可以很多，但不能向?qū)Ш蛢r(jià)帶提供電子和空穴，（ 雜質(zhì)的高度補(bǔ)償 ）。這種材料容易被誤認(rèn)為是高純度的半導(dǎo)體，實(shí)際上卻含有很多雜質(zhì)，性能很差。 上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 半導(dǎo)體器件物理 第一章 半導(dǎo)體特性 上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院深能級雜質(zhì) 非 Ⅲ 、 Ⅴ 族元素?fù)饺牍琛㈡N中也會在禁帶中引入能級。 非 Ⅲ 、 Ⅴ 族元素產(chǎn)生的能級有以下兩個(gè) 特點(diǎn) ： （ 1）施主能級距離導(dǎo)帶底較遠(yuǎn)，產(chǎn)生的受主能級距離價(jià)帶頂也較遠(yuǎn)。稱為 深能級 ，相應(yīng)的雜質(zhì)稱為 深能級雜質(zhì) ； （ 2）這些深能級雜質(zhì)能產(chǎn)生 多次電離 ，每一次電離相應(yīng)地有一個(gè)能級。因此，這些雜質(zhì)在硅、鍺的禁帶中往往 引入若干個(gè)能級 。而且， 有的雜質(zhì)既能引入施主能級，又能引入受主能級 。 上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 半導(dǎo)體器件物理 第一章 半導(dǎo)體特性 上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院例 金， Ⅰ 族元素，摻入鍺中，中性金原子（ Au0）只有一個(gè)價(jià)電子，替位式填充。金比鍺少三個(gè)價(jià)電子，中性金原子的這一個(gè)價(jià)電子可以電離而躍入導(dǎo)帶，施主能級為 ED，電離能為（ ECED）。 因?yàn)榻鸬倪@個(gè)價(jià)電子被共價(jià)鍵所束縛，電離能很大，略小于鍺的禁帶寬度，所以這個(gè)施主能級靠近價(jià)帶頂。電離以后，中性金原子就成為帶一個(gè)電子電荷的正電中心 Au+。 鍺中金 上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 半導(dǎo)體器件物理 第一章 半導(dǎo)體特性 上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院另一方面，中性金原子還可以和周圍的四個(gè)鍺原子形成共價(jià)鍵，在形成共價(jià)鍵時(shí)，它可以從價(jià)帶接受三個(gè)電子，形成 EAEA EA3三個(gè)受主能級。 金原子 Au0接受第一個(gè)電子后變?yōu)?Au，相應(yīng)的受主能級為 EA1，其電離能為（ EA1EV）。接受第二個(gè)電子后， Au便為 Au=，相應(yīng)的受主能級為 EA2，其電離能為（ EA2EV）。接受第三個(gè)電子后， Au=便為 Au≡，相應(yīng)的受主能級為 EA3，其電離能為（ EA3 EV）。 上述的 Au、 Au=、 Au≡分別表示成為帶一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)電子電荷的負(fù)電中心。 EA3EA2EA1。 EA1離價(jià)帶頂相對近一些，但是比 Ⅲ 族雜質(zhì)引入的淺能級還是深的多， EA2更深， EA3 就幾乎靠近導(dǎo)帶底了。 上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 半導(dǎo)體器件物理 第一章 半導(dǎo)體特性 上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院金在鍺中一共有 Au+、 Au0、 Au、 Au=、 Au≡五個(gè)荷電狀態(tài)，相應(yīng)地存在著 ED、 EA EA EA3四個(gè)孤立能級，它們都是深能級 。 深能級雜質(zhì)，一般情況下在半導(dǎo)體中的 含量極少 ，而且能級較深，它們對半導(dǎo)體中的導(dǎo)電電子濃度、導(dǎo)電空穴濃度和導(dǎo)電類型的影響沒有淺能級雜質(zhì)明顯，但對于載流子的復(fù)合作用比淺能級雜質(zhì)強(qiáng)，故這些雜質(zhì)也稱為 復(fù)合中心 ，它們引入的能級就稱為 復(fù)合中心能級 。金是一種很典型的復(fù)合中心，在制造 高速開關(guān)器件 時(shí)，常有意地 摻入金以提高器件的速度 。 上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 半導(dǎo)體器件物理 第一章 半導(dǎo)體特性 上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院練習(xí) 試畫出鍺中金的能帶圖。 上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 半導(dǎo)體器件物理 第一章 半導(dǎo)體特性 上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院半導(dǎo)體中的缺陷和缺陷能級 當(dāng)半導(dǎo)體中的某些區(qū)域，晶格中的原子 周期性排列被破壞 時(shí)就形成了各種缺陷。 缺陷分為 三類 ： ① 點(diǎn)缺陷 ：如空位，間隙原子，替位原子； ②線缺陷：如 位錯(cuò) ； ③面缺陷：如層錯(cuò)等。 上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 半導(dǎo)體器件物理 第一章 半導(dǎo)體特性 上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院點(diǎn)缺陷 在 一定溫度 下，晶格原子不僅在平衡位置附近作振動運(yùn)動（通常稱之為 熱振動 ），而且有一部分原子會獲得足夠的能量，克服周圍原子對它的束縛，擠入晶格原子間的間隙，形成 間隙原子 ，原來的位置就成為 空位 。 弗侖克耳缺陷 肖特基缺陷 間隙原子和空位成對出現(xiàn)的缺陷 只在晶格內(nèi)形成空位而無間隙原子的缺陷 均由溫度引起，又稱之為 熱缺陷 ，它們總是 同時(shí)存在 的。 上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 半導(dǎo)體器件物理 第一章 半導(dǎo)體特性 上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院動態(tài)平衡 間隙原子和空位一方面不斷地產(chǎn)生，另一方面兩者又不斷地復(fù)合，達(dá)到一個(gè)平衡濃度值。 由于原子須具有較大的能量才能擠入間隙位置，而且遷移時(shí)激活能很小，所以晶體中 空位比間隙原子多得多 ，空位成了常見的點(diǎn)缺陷。 在 元素半導(dǎo)體硅、鍺 中存在的 空位 最鄰近有四個(gè)原子，每個(gè)原子各有一個(gè)不成對的價(jià)電子，成為不飽和的共價(jià)鍵，這些鍵傾向于接受電子，因此空位表現(xiàn)出 受主作用 。 而每一個(gè) 間隙原子 有四個(gè)可以失去的未形成共價(jià)鍵的價(jià)電子，表現(xiàn)出 施主作用 。 上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 半導(dǎo)體器件物理 第一章 半導(dǎo)體特性 上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院在 Ⅲ Ⅴ 族化合物 中，除了熱振動因素形成空位和間隙原子外，由于 成分偏離正常的化學(xué)比 ，也形成點(diǎn)缺陷。 例如，在砷化鎵中，由于 熱振動 可以使鎵原子離開晶格格點(diǎn)形成鎵空位和鎵間隙原子；也可以使砷原子離開格點(diǎn)形成砷空位和砷間隙原子。 另外，由于砷化鎵中 鎵偏多或砷偏多 ，也能形成砷空位或鎵空位。 替位原子 /反結(jié)構(gòu)缺陷 比如，二元化合物 AB中，替位原子可以有兩種， A取代 B或 B取代 A，一般認(rèn)為 AB是受主， BA是施主。 例如，在砷化鎵中，砷取代鎵后為 AsGa起施主作用，而鎵取代砷后為 GaAs起受主作用。 化合物半導(dǎo)體中，存在的另外一種點(diǎn)缺陷 上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 半導(dǎo)體器件物理 第一章 半導(dǎo)體特性 上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院位錯(cuò) 位錯(cuò)也是半導(dǎo)體中的一種缺陷，它對半導(dǎo)體材料和器件的性能也會產(chǎn)生很大的影響。 在硅、鍺晶體中位錯(cuò)的情況相當(dāng)復(fù)雜 。 由位錯(cuò)引入禁帶的能級也十分復(fù)雜 。 根據(jù)實(shí)驗(yàn)測得，位錯(cuò)能級都是 深受主能級 。當(dāng)位錯(cuò)密度較高時(shí)，由于它和雜質(zhì)的補(bǔ)償作用，能使含有淺施主雜質(zhì)的 N型硅、鍺中的載流子濃度降低，而對 P型硅、鍺卻沒有這種影響。 上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 半導(dǎo)體器件物理 第一章 半導(dǎo)體特性 上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院練習(xí) ? 寫出常見缺陷的種類并舉例。 ? 試述弗侖克耳缺陷和肖特基缺陷的特點(diǎn)、共同點(diǎn)和關(guān)系。 ? 位錯(cuò)對半導(dǎo)體材料和器件有什么影響？ 上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 半導(dǎo)體器件物理 第一章 半導(dǎo)體特性 上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 載流子的運(yùn)動 載流子 參與導(dǎo)電的電子和空穴統(tǒng)稱為半導(dǎo)體的載流子 。 載流子的產(chǎn)生 本征激發(fā) 電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，形成導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴 雜質(zhì)電離 當(dāng)電子從施主能級躍遷到導(dǎo)帶時(shí)產(chǎn)生導(dǎo)帶電子； 當(dāng)電子從價(jià)帶激發(fā)到受主能級時(shí)產(chǎn)生價(jià)帶空穴 載流子數(shù)目增加 上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 半導(dǎo)體器件物理 第一章 半導(dǎo)體特性 上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院載流子的復(fù)合 在導(dǎo)電電子和空穴產(chǎn)生的同時(shí)，還存在與之相反的過程，即電子也可以從高能量的量子態(tài)躍遷到低能量的量子態(tài)，并向晶格放出一定的能量。 載流子數(shù)目減少 上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 半導(dǎo)體器件物理 第一章 半導(dǎo)體特性 上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 在 一定溫度 下，載流子產(chǎn)生和復(fù)合的過程建立起 動態(tài)平衡 ，即 單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的電子 空穴對數(shù)等于復(fù)合掉的電子 空穴對數(shù) ，稱為熱平衡狀態(tài)。 這時(shí)，半導(dǎo)體中的 導(dǎo)電電子濃度和空穴濃度都保持一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值 。處于熱平衡狀態(tài)下的導(dǎo)電電子和空穴稱為熱平衡載流子 。 熱平衡狀態(tài) 上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 半導(dǎo)體器件物理 第一章 半導(dǎo)體特性 上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 實(shí)踐表明，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性與溫度密切相關(guān)。實(shí)際上，這主要是由于 半導(dǎo)體中的載流子