半導(dǎo)體物理(第二章).ppt

第2章半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級 理想半導(dǎo)體 1 原子嚴格地周期性排列 晶體具有完整的晶格結(jié)構(gòu) 2 晶體中無雜質(zhì) 無缺陷 3 電子在周期場中作共有化運動 形成允帶和禁帶 電子能量只能處在允帶中的能級上 禁帶中無能級 由本征激發(fā)提供載流子 本征半導(dǎo)體 晶體具有完整的 完美的 晶格結(jié)構(gòu) 無任何雜質(zhì)和缺陷 第2章半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級 實際材料中1 總是有雜質(zhì) 缺陷 使周期場破壞 在雜質(zhì)或缺陷周圍引起局部性的量子態(tài) 對應(yīng)的能級常常處在禁帶中 對半導(dǎo)體的性質(zhì)起著決定性的影響 2 雜質(zhì)電離提供載流子 2 1半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級 2 1 1硅鍺晶體中的雜質(zhì)能級 1 晶體中雜質(zhì)的存在方式雜質(zhì)的來源由于純度有限 半導(dǎo)體原材料所含有的雜質(zhì)半導(dǎo)體單晶制備和器件制作過程中的污染為改變半導(dǎo)體的性質(zhì) 在器件制作過程中有目的摻入的某些特定的化學(xué)元素原子 雜質(zhì)原子進入半導(dǎo)體晶體后 以兩種方式存在一種方式是雜質(zhì)原子位于品格原子間的間隙位置 常稱為間隙式雜質(zhì) A 另一種方式是雜質(zhì)原子取代晶格原子而位于晶格點處 常稱為替位式雜質(zhì) B 間隙式雜質(zhì)和替位式雜質(zhì) 2 1半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級 2 1 1硅鍺晶體中的雜質(zhì)能級 兩種雜質(zhì)特點 間隙式雜質(zhì)原子小于晶體原子 如 鋰離子 0 068nm替位式雜質(zhì) 1 雜質(zhì)原子的大小與被取代的晶格原子的大小比較相近2 價電子殼層結(jié)構(gòu)比較相近如 III V族元素在硅 鍺中均為替位式雜質(zhì) 2 1半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級 2 1 1硅鍺晶體中的雜質(zhì)能級 2 施主雜質(zhì)V族元素在硅 鍺中電離時能夠釋放電子而產(chǎn)生導(dǎo)電電子并形成正電中心 稱此類雜質(zhì)為施主雜質(zhì)或n型雜質(zhì) 2 1半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級 2 1 1硅鍺晶體中的雜質(zhì)能級 以硅中摻磷P為例 磷原子占據(jù)硅原子的位置 磷原子有五個價電子 其中四個價電子與周圍的四個硅原于形成共價鍵 還剩余一個價電子 這個多余的價電子就束縛在正電中心P 的周圍 價電子只要很少能量就可掙脫束縛 成為導(dǎo)電電子在晶格中自由運動這時磷原子就成為少了一個價電子的磷離子P 它是一個不能移動的正電中心 2 1半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級 2 1 1硅鍺晶體中的雜質(zhì)能級 施主雜質(zhì)向?qū)п尫烹娮拥倪^程為施主電離施主雜質(zhì)未電離之前是電中性的稱為中性態(tài)或束縛態(tài)電離后成為正電中心稱為離化態(tài)或電離態(tài)使多余的價電子掙脫束縛成為導(dǎo)電電子所需要的最小能量稱為施主電離能 施主電離能為 ED被施主雜質(zhì)束縛的電子的能量狀態(tài)稱為施主能級 記為ED 施主雜質(zhì)電離后成為不可移動的帶正電的施主離子 同時向?qū)峁╇娮?使半導(dǎo)體成為電子導(dǎo)電的n型半導(dǎo)體 2 1半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級 2 1 1硅鍺晶體中的雜質(zhì)能級 3 受主雜質(zhì)III族元素在硅 鍺中電離時能夠接受電子而產(chǎn)生導(dǎo)電空穴并形成負電中心 稱此類雜質(zhì)為受主雜質(zhì)或p型雜質(zhì) 2 1半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級 2 1 1硅鍺晶體中的雜質(zhì)能級 2 1 3受主雜質(zhì)受主能級 以硅中摻硼B(yǎng)為例 B原子占據(jù)硅原子的位置 磷原子有三個價電子 與周圍的四個硅原于形成共價鍵時還缺一個電子 就從別處奪取價電子 這就在Si形成了一個空穴 這時B原子就成為多了一個價電子的磷離子B 它是一個不能移動的負電中心 空穴束縛在正電中心B 的周圍 空穴只要很少能量就可掙脫束縛 成為導(dǎo)電空穴在晶格中自由運動 受主雜質(zhì)釋放空穴的過程稱為受主電離使空穴掙脫束縛成為導(dǎo)電空穴所需要的最小能量稱為受主電離能 記為 EA空穴被受主雜質(zhì)束縛時的能量狀態(tài)稱為受主能級 記為EA受主雜質(zhì)電離后成為不可移動的帶負電的受主離子 同時向價帶提供空穴 使半導(dǎo)體成為空穴導(dǎo)電的p型半導(dǎo)體 2 1半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級 2 1 1硅鍺晶體中的雜質(zhì)能級 淺能級雜質(zhì) 電離能小的雜質(zhì)稱為淺能級雜質(zhì) 所謂淺能級 是指施主能級靠近導(dǎo)帶底 受主能級靠近價帶頂 室溫下 摻雜濃度不很高的情況下 淺能級雜質(zhì)幾乎可以可以全部電離 五價元素磷 P 銻 Sb 在硅 鍺中是淺受主雜質(zhì) 三價元素硼 B 鋁 Al 鎵 Ga 銦 In 在硅 鍺中為淺受主雜質(zhì) 2 1半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級 2 1 1硅鍺晶體中的雜質(zhì)能級 例題 施主雜質(zhì)電離后向半導(dǎo)體提供 受主雜質(zhì)電離后向半導(dǎo)體提供 本征激發(fā)向半導(dǎo)體提供 A 空穴B 電子 B A A B 利用類氫原子模型 以鍺 硅為例 計算施主雜質(zhì)電離能解 氫原子基態(tài)電離能施主雜質(zhì)電離能表示為電子有效質(zhì)量 2 1半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級 2 1 2淺能級雜質(zhì)電離能的簡單計算 雜質(zhì)補償 半導(dǎo)體中存在施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)時 它們的共同作用會使載流子減少 這種作用稱為雜質(zhì)補償 在制造半導(dǎo)體器件的過程中 通過采用雜質(zhì)補償?shù)姆椒▉砀淖儼雽?dǎo)體某個區(qū)域的導(dǎo)電類型或電阻率 2 1半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級 2 1 3雜質(zhì)的補償作用 1 受主能級低于施主能級 剩余雜質(zhì) 2 1半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級 2 1 3雜質(zhì)的補償作用 2 施主能級低于受主能級 剩余雜質(zhì) 2 1半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級 2 1 3雜質(zhì)的補償作用 有效雜質(zhì)濃度補償后半導(dǎo)體中的凈雜質(zhì)濃度 當(dāng)ND NA高度補償 若施主雜質(zhì)濃度與受主雜質(zhì)濃度相差不大或二者相等 則不能提供電子或空穴 這種情況稱為雜質(zhì)的高度補償 這種材料容易被誤認為高純度半導(dǎo)體 實際上含雜質(zhì)很多 性能很差 一般不能用來制造半導(dǎo)體器件 2 1半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級 2 1 3雜質(zhì)的補償作用 深能級雜質(zhì) 非 族雜質(zhì)在Si Ge的禁帶中產(chǎn)生的施主能級遠離導(dǎo)帶底 受主能級遠離價帶頂 雜質(zhì)電離能大能夠產(chǎn)生多次電離 每次電離都對應(yīng)著一個特定的能級 在禁帶中引入多個能級 具有兩重性 既能電離提供電子又能電離提供空穴 所以既能引入施主能級又能引入受主能級 2 1半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級 2 1 4深能級雜質(zhì) 深能級的形成 族雜質(zhì) 多于兩個價電子被兩個正電荷的雜質(zhì)中心束縛 類似于一個氦原子 其每個電子平均受到大于一電子電荷的正電中心的作用 從而深能級雜質(zhì)的電離能比淺能級雜質(zhì)要大 在電離出一個電子后 帶有兩個正電荷的雜質(zhì)中心使第二個電子電離需要更大能量 對應(yīng)更深的能級 所以 族雜質(zhì)在硅鍺中一般產(chǎn)生兩重施主能級 如鍺中的硒 碲 族雜質(zhì) 一方面可以失去唯一價電子產(chǎn)生一個施主能級 另一方面也能依次接受三個電子與周圍四個近鄰原子形成共價鍵 相應(yīng)產(chǎn)生三個由淺到深的受主深能級 原則上 族雜質(zhì)能產(chǎn)生三重受主能級 但是較深的受主能級有可能處于允帶之中 某些 族雜質(zhì)受主能級少于三個 族雜質(zhì) 與 族雜質(zhì)情況類似 可以產(chǎn)生兩重受主能級 2 1半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級 2 1 4深能級雜質(zhì) 深能級雜質(zhì)對半導(dǎo)體的影響1 含量極少 而且能級較深 不易在室溫下電離 對載流子濃度影響不大 2 一般會產(chǎn)生多重能級 甚至既產(chǎn)生施主能級也產(chǎn)生受主能級 3 能級位置利于促進載流子的復(fù)合 其復(fù)合作用比淺能級雜質(zhì)強 使少數(shù)載流子壽命降低 稱這些雜質(zhì)為復(fù)合中心雜質(zhì) 在第五章詳細討論 4 深能級雜質(zhì)電離后對載流子起散射作用 使載流子遷移率減少 導(dǎo)電性能下降 2 1半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級 2 1 4深能級雜質(zhì) 雜質(zhì)在砷化鎵中的存在形式三種情況 1 取代砷2 取代鎵3 填隙 2 1半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級 2 1 5化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級 族雜質(zhì) 與 族原子價電子數(shù)相近 通常取代晶格中 族原子 因為少一個價電子 取代晶格原子后 具有獲得一個電子完成共價鍵的趨勢 是受主雜質(zhì) 而且電離能較小 在 族化合物中引入淺受主能級 所以 族雜質(zhì)是 族化合物半導(dǎo)體的p型摻雜劑 如GaAs中的Mg Zn 族雜質(zhì) 與 族晶格原子的價電子數(shù)相近 在 族化合物中取代 族晶格原子 與周圍晶格原子形成共價鍵后多余一個價電子 易失去這個價電子成為施主雜質(zhì) 一般引入淺能級 如GaAs中的S Se 可作為n型摻雜劑 族雜質(zhì) 既可以取代 族晶格原子起施主作用 又可以取代 族晶格原子起受主作用 從而在 族化合物中引入雙重能級 2 1半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級 2 1 5化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級 四族元素硅在砷化鎵中會產(chǎn)生雙性行為 即硅的濃度較低時主要起施主雜質(zhì)作用 當(dāng)硅的濃度較高時 一部分硅原子將起到受主雜質(zhì)作用 這種雙性行為可作如下解釋 因為在硅雜質(zhì)濃度較高時 硅原子不僅取代鎵原子起著施主雜質(zhì)的作用 而且硅也取代了一部分V族砷原子而起著受主雜質(zhì)的作用 因而對于取代 族原子鎵的硅施主雜質(zhì)起到補償作用 從而降低了有效施主雜質(zhì)的濃度 電子濃度趨于飽和 2 1半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級 2 1 5化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級 等電子雜質(zhì)當(dāng) 族或 族雜質(zhì)摻入不是由它們本身構(gòu)成的 族化合物中 取代同族晶格原子時 既可以引入雜質(zhì)能級 也可能不引入能級 這取決于雜質(zhì)種類和 族化合物的種類 與晶格基質(zhì)原子具有相同價電子的雜質(zhì)稱為等電子雜質(zhì) 等電子雜質(zhì)取代晶格上的同族原子后 因為與晶格原子的共價半徑與負電性的顯著差別 能夠在晶體中俘獲某種載流子成為帶電中心 這種帶電中心叫等電子陷阱 例如 GaAs中 或 族雜質(zhì)取代Ga 或As 時 不引入禁帶能級 在GaP中 族雜質(zhì)N Bi取代P就能在禁帶中引入能級 N和Bi就是等電子陷阱 等電子陷阱俘獲的載流子的能量狀態(tài)就是在禁帶中引入的相應(yīng)能級 2 1半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級 2 1 5化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級 2 2半導(dǎo)體中的缺陷能級 2 2 1點缺陷 熱缺陷 點缺陷的種類 弗侖克耳缺陷 原子空位和間隙原子同時存在肖特基缺陷 晶體中只有晶格原子空位間隙原子缺陷 只有間隙原子而無原子空位 點缺陷 熱缺陷 特點 熱缺陷的數(shù)目隨溫度升高而增加 熱缺陷中以肖特基缺陷為主 即原子空位為主 原因 三種點缺陷中形成肖特基缺陷需要的能量最小 淬火后可以 凍結(jié) 高溫下形成的缺陷 退火后可以消除大部分缺陷 半導(dǎo)體器件生產(chǎn)工藝中 經(jīng)高溫加工 如擴散 后的晶片一般都需要進行退火處理 離子注入形成的缺陷也用退火來消除 2 2半導(dǎo)體中的缺陷能級 2 2 1點缺陷 熱缺陷 點缺陷對半導(dǎo)體性質(zhì)的影響 1 缺陷處晶格畸變 周期性勢場被破壞 致使在禁帶中產(chǎn)生能級 2 熱缺陷能級大多為深能級 在半導(dǎo)體中起復(fù)合中心作用 使非平衡載流子濃度和壽命降低 3 空位缺陷有利于雜質(zhì)擴散4 對載流子有散射作用 使載流子遷移率和壽命降低 2 2半導(dǎo)體中的缺陷能級 2 2 1點缺陷 熱缺陷 位錯形成原因 晶格畸變棱位錯對半導(dǎo)體性能的影響 1 位錯線上的懸掛鍵可以接受電子變?yōu)樨撾娭行?表現(xiàn)為受主 懸掛鍵上的一個電子也可以被釋放出來而變?yōu)檎娭行?此時表現(xiàn)為施主 即不飽和的懸掛鍵具有雙性行為 可以起受主作用 也可以起施主作用 2 位錯線處晶格變形 導(dǎo)致能帶變形3 位錯線