第二章半导体中杂质能级和缺陷能级

这是一篇关于第二章半导体中杂质能级和缺陷能级的思维导图，在理想晶格中，原子严格周期性排列，电子能量状态形成一系列能带(允带)，而能带之间的禁带不存在电子状态。

第二章 半导体中杂质能级和缺陷能级

• 概述
  • 存在缺陷实际晶体与理想晶体之区别
    • 原子并非在格点上固定不动
    • 存在杂质，即在半导体材料中存在着一些与组成半导体材料的元素不同的其它元素原子
    • 存在缺陷
      • 点缺陷（空位，间隙原子、反结构缺陷）
      • 线缺陷（位错：刃形位错和螺形位错）
      • 面缺陷（层错，晶粒间界）
  • 杂质和缺陷能级的产生
    • 在理想晶格中，原子严格周期性排列，电子能量状态形成一系列能带(允带)，而能带之间的禁带不存在电子状态。
    • 由于杂质和缺陷的存在使得原本周期性排列的原子所产生的周期性势场受到破坏，并在禁带中引入了能级，允许电子在禁带中存在，从而使半导体的性质发生改变。
    • 极微量的杂质和缺陷，会对半导体材料的物理性质和化学性质产生决定性的影响，同时也严重影响半导体器件的质量。
• 硅、锗晶体中的杂质能级
  • 按杂质进入半导体的方式分
    • 替位式杂质：杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处
    • 间隙式杂质：杂质原子位于晶格原子间的间隙位置
  • 按照杂质影响半导体的导电类型
    • 施主杂质
      • 施主杂质释放电子，即向导带提供电子
      • 施主处于离化态时，成为正电中心
      • V族元素在硅、锗中电离时能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心，称此类杂质为施主杂质或n型杂质。
      • 施主电离能为ΔED 施主能级—— 被施主杂质束缚的电子的能量状态，记为ED。 通常在室温下，杂质可以完全电离。电子浓度等于杂质浓度。 n型半导体: 主要依靠导带电子导电的半导体。
    • 受主杂质
      • 受主杂质释放空穴的过程，即向价带提供空穴。
      • 受主杂质处于离化态时，成为负电中心
      • III族元素在硅、锗中电离时能够接受电子而产生导电空穴并形成负电中心，称此类杂质为受主杂质或p型杂质
      • 受主电离能为ΔEA 受主能级——被受主杂质束缚的空穴的能量状态，记为EA。 在室温下，受主杂质完全电离，则空穴浓度等于受主杂质浓度。 p型半导体: 主要依靠价带空穴导电的半导体。
• 杂质的补偿作用
  • Def：半导体中同时存在施主杂质 ND和受主杂质 NA时，施主和受主之间有相互抵消的作用
  • ND>>NA时：电子填满受主能级 EA，施主能级上剩余的电子全部被激发到导带，导带中的电子浓度 n = ND — NA，半导体为 N型 NA>>ND 时，价带上的空穴浓度为 p = NA — ND，半导体是 P型的。
  • 半导体中同时存在施主和受主杂质时，半导体是N型还是P型由杂质的浓度差决定。 半导体中净杂质浓度称为有效杂质浓度（有效施主浓度；有效受主浓度）。
  • 当NA约等于ND时，杂质高度补偿的半导体。
  • 利用杂质的补偿作用，在半导体的不同区域形成不同的导电类型，可以制成各种器件。
• 深能级杂质
  • 典型代表Au
  • Features
    • 多为替位式杂质
    • 硅、锗的禁带中产生的施主能级距离导带底较远和受主能级距离价带顶较远，形成深能级，称为深能级杂质。
    • 深能级杂质能够产生多次电离，每次电离均对应一个能级。而且既能引入施主能级又能引入受主能级。
  • Comperation between 深&浅
    • 产生的施主能级距离导带底远，产生的受主能级距离价带顶远，这样的能级称为深能级；产生深（浅）能级的杂质称为深（浅）能级杂质。
      • 具有很强的复合作用，对载流子的复合作用较强(称为复合中心，如Au) ——影响器件的工作速度。
    • 浅能级杂质——为半导体材料提供导电载流子，影响半导体的导电类型。
      • 浅施主杂质提供电子——N型半导体； 浅受主杂质提供空穴——P型半导体。
• II-V族化合物中的杂质能级
  • 等电子杂质
    • 杂质原子常取代电负性相近或原子半径相近的基质原子。
  • 等电子陷阱
    • 由于电负性的不同，某些化合物半导体中的等电子杂质仍然能够俘获载流子而成为带电中心
    • 1.只有当掺入原子与基质晶体原子在电负性、共价半径方面具有较大差别时，才能形成等电子陷阱 2.同族元素原子序数越小，电负性越大，共价半径越小，若杂质电负性大于基质晶体原子时，取代后俘获电子成为负电中心，反之俘获空穴成为正电中心 3.等电子陷阱带电后能够通过库仑力作用俘获另一种相反符号的载流子，形成束缚激子，可以改善间接带隙半导体材料的光学性能。
  • 杂质的双性行为
    • 在III-V族化合物半导体中掺入ⅣA族元素如：硅， 既可能起施主作用，又可能起受主作用。
• 缺陷、位错能级
  • 点缺陷
    • 弗仑克尔缺陷——空位和间隙原子成对出现；
    • 肖特基缺陷——只在晶体内形成空位而无间隙原子的缺陷
  • 位错
    • 在位错所在处，有一个不成对的电子(不饱和的共价键) ： 若获得一个电子，起受主作用； 若失去一个价电子，则起施主作用。
    • 位错周围的晶格发生畸变，周期性势场被破坏，引起能带结构的变化，导致能带变形，晶格伸张区禁带宽度减小，晶格压缩区禁带宽度变大
  • 其他
    • Si，Ge中空位周围有四个不成对电子，所以空位表现出受主作用；每个间隙原子有四个可以失去的电子，所以间隙原子表现出施主作用
    • M 间隙原子时为施主，X 间隙原子时为受主。 正离子空位 VM 是受主，负离子空位 VX 是施主。
    • 离子性弱的二元化合物AB，替位原子AB是受主，BA是施主，形成反结构缺陷。