第2章 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)

1、第第2章章 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)缺陷能級(jí)n半導(dǎo)體的雜質(zhì)敏感性n半導(dǎo)體電子、空穴共同參與導(dǎo)電，可否調(diào)制？P-N結(jié)，晶體管n理想半導(dǎo)體材料理想半導(dǎo)體材料原子靜止在具有嚴(yán)格周期性晶格的格點(diǎn)位置上原子靜止在具有嚴(yán)格周期性晶格的格點(diǎn)位置上晶體是純凈的，即不含雜質(zhì)晶體是純凈的，即不含雜質(zhì) (沒有沒有與組成晶體材料的元素不同的其它化學(xué)元與組成晶體材料的元素不同的其它化學(xué)元素素)晶格結(jié)構(gòu)是完整的，即具有嚴(yán)格的周期性晶格結(jié)構(gòu)是完整的，即具有嚴(yán)格的周期性v 實(shí)際半導(dǎo)體材料實(shí)際半導(dǎo)體材料 原子在平衡位置附近振動(dòng)原子在平衡位置附近振動(dòng) 含有雜質(zhì)；含有雜質(zhì)； 晶格結(jié)構(gòu)不完整，存在缺陷晶格結(jié)構(gòu)不完整，存在

2、缺陷點(diǎn)缺陷，線缺陷，面缺陷點(diǎn)缺陷，線缺陷，面缺陷n雜質(zhì)和缺陷的影響雜質(zhì)和缺陷的影響使周期性勢場受到破壞，有可能在禁帶中引使周期性勢場受到破壞，有可能在禁帶中引入能級(jí)，從而對(duì)半導(dǎo)體的性質(zhì)產(chǎn)生影響入能級(jí)，從而對(duì)半導(dǎo)體的性質(zhì)產(chǎn)生影響n影響半導(dǎo)體器件的質(zhì)量（如性能等）影響半導(dǎo)體器件的質(zhì)量（如性能等）n對(duì)半導(dǎo)體材料的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)起決定性的對(duì)半導(dǎo)體材料的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)起決定性的影響（如提高導(dǎo)電率）影響（如提高導(dǎo)電率）本章目的：介紹雜質(zhì)和缺陷的基本概念本章目的：介紹雜質(zhì)和缺陷的基本概念105硅原子中摻硅原子中摻1個(gè)硼原子，則比單純硅晶的電導(dǎo)率增加了個(gè)硼原子，則比單純硅晶的電導(dǎo)率增加了103倍倍n雜

3、質(zhì)雜質(zhì)與組成晶體材料的元素不同的其他與組成晶體材料的元素不同的其他化學(xué)元素化學(xué)元素v形成原因形成原因 原材料純度不夠原材料純度不夠 制作過程中有玷污制作過程中有玷污 人為的摻入人為的摻入金剛石結(jié)構(gòu)中，密堆積時(shí)，原子占晶格體積比？金剛石結(jié)構(gòu)中，密堆積時(shí)，原子占晶格體積比？8個(gè)原子，個(gè)原子，r=?占體積比？占體積比？34%n分類分類(1)：按雜質(zhì)原子在晶格中所處位置分按雜質(zhì)原子在晶格中所處位置分間隙式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì)替位式雜質(zhì)替位式雜質(zhì) 雜質(zhì)原子位于晶格原子的間隙位置雜質(zhì)原子位于晶格原子的間隙位置 要求雜質(zhì)原子比較小要求雜質(zhì)原子比較小 雜質(zhì)原子取代晶格原子而位于格點(diǎn)處雜質(zhì)原子取代晶格原子而位于格點(diǎn)處

4、 要求雜質(zhì)原子的大小、價(jià)電子殼層結(jié)構(gòu)等均與晶格原子相近要求雜質(zhì)原子的大小、價(jià)電子殼層結(jié)構(gòu)等均與晶格原子相近兩種類型的兩種類型的雜質(zhì)可以同雜質(zhì)可以同時(shí)存在時(shí)存在這里主要介這里主要介紹紹替位式替位式雜雜質(zhì)質(zhì)n分類分類(2)：按雜質(zhì)所提供載流子的類型分按雜質(zhì)所提供載流子的類型分施主雜質(zhì)施主雜質(zhì)受主雜質(zhì)受主雜質(zhì) 第第V族雜質(zhì)原子替代第族雜質(zhì)原子替代第IV族晶體材料原子族晶體材料原子 能夠施放能夠施放(Discharge)電子而產(chǎn)生導(dǎo)電電子，并形成正電中電子而產(chǎn)生導(dǎo)電電子，并形成正電中心的雜質(zhì)（心的雜質(zhì)（n型雜質(zhì)）型雜質(zhì)） 第第III族雜質(zhì)原子替代第族雜質(zhì)原子替代第IV族晶體材料原子族晶體材料原子 能夠

5、接受能夠接受(Accept)電子而產(chǎn)生導(dǎo)電空穴，并形成負(fù)電中心電子而產(chǎn)生導(dǎo)電空穴，并形成負(fù)電中心的雜質(zhì)（的雜質(zhì)（p型雜質(zhì)）型雜質(zhì)）施施主主雜雜質(zhì)質(zhì)受受主主雜雜質(zhì)質(zhì)n施主雜質(zhì)(IV-V)分立的能級(jí)分立的能級(jí)因?yàn)殡s質(zhì)含量低，不能共有化運(yùn)動(dòng)因?yàn)殡s質(zhì)含量低，不能共有化運(yùn)動(dòng)該多余電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：1.比成鍵電子自由的多，EDEv2.與導(dǎo)帶底電子也有差別 （受到P+原子的庫倫吸引力）（繞原子運(yùn)動(dòng)）ED=Ec-E庫倫 （在禁帶中）（在禁帶中）EDEgn中性態(tài)未未電離時(shí)稱為中性態(tài)或者束縛態(tài)電離時(shí)稱為中性態(tài)或者束縛態(tài)T=0 Kn雜質(zhì)電離在一定能量下，雜質(zhì)中電子脫離原在一定能量下，雜質(zhì)中電子脫離原子束縛而成為導(dǎo)電電子

6、的過程子束縛而成為導(dǎo)電電子的過程T0 K (熱激發(fā)）熱激發(fā)）n雜質(zhì)電離能雜質(zhì)電離時(shí)所需要的最少能量雜質(zhì)電離時(shí)所需要的最少能量E ED D=E=Ec c-E-ED D，一般來說一般來說E ED D EV)提供載流子：導(dǎo)帶電子提供載流子：導(dǎo)帶電子電離的結(jié)果：導(dǎo)帶中的電離的結(jié)果：導(dǎo)帶中的電子數(shù)增加電子數(shù)增加了，這即是摻施主的意義所在了，這即是摻施主的意義所在n受主雜質(zhì)(IV-III)束縛空穴：受受B-原子吸引原子吸引,繞原子運(yùn)動(dòng)繞原子運(yùn)動(dòng)要形成自由空穴，要克服B原子的吸引力,給一定能量EA。能帶中，越往下，空穴能量越高。能帶中，越往下，空穴能量越高。（越往下的電子，越難激發(fā)形成空穴）受主受主 電電

7、離離 能：能： EA=EA-EV 如：如： III族元素在硅鍺中電離能為：族元素在硅鍺中電離能為： 0.045 和和0.01 eV 中性態(tài) 未未電離時(shí)稱為中性態(tài)或者束縛態(tài)電離時(shí)稱為中性態(tài)或者束縛態(tài) T=0 K 雜質(zhì)電離 在一定能量下，雜質(zhì)中電子脫離原在一定能量下，雜質(zhì)中電子脫離原子束縛而成為導(dǎo)電電子的過程子束縛而成為導(dǎo)電電子的過程 T 0 K 雜質(zhì)電離能 雜質(zhì)電離時(shí)所需要的最少能量雜質(zhì)電離時(shí)所需要的最少能量 E EA A=E=EA A-E-EV V，一般來說一般來說E EA AIII)提供載流子：價(jià)帶空穴提供載流子：價(jià)帶空穴電離的結(jié)果：價(jià)帶中的電離的結(jié)果：價(jià)帶中的空穴數(shù)增加空穴數(shù)增加了，這即是

8、摻受主的意義所在了，這即是摻受主的意義所在n上述介紹的施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)都是淺能級(jí)雜質(zhì)施主雜質(zhì)能級(jí)靠近導(dǎo)帶底，受主雜質(zhì)能級(jí)靠近價(jià)帶頂施主雜質(zhì)能級(jí)靠近導(dǎo)帶底，受主雜質(zhì)能級(jí)靠近價(jià)帶頂雜質(zhì)電離能非常小雜質(zhì)電離能非常小 （E Eg g通常為通常為1 1evev左右，而左右，而E ED D只有零點(diǎn)幾個(gè)只有零點(diǎn)幾個(gè)evev左右左右）v 施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)為半導(dǎo)體材料施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)為半導(dǎo)體材料提供載流子提供載流子 施主雜質(zhì)為導(dǎo)帶提供電子施主雜質(zhì)為導(dǎo)帶提供電子 （摻施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體為（摻施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體為n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體） 受主雜質(zhì)為價(jià)帶提供空穴受主雜質(zhì)為價(jià)帶提供空穴 （摻受主雜質(zhì)的半導(dǎo)體為（摻受主雜質(zhì)

9、的半導(dǎo)體為p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體） n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體：電子的數(shù)目遠(yuǎn)大于空穴的數(shù)目（或者說以電子導(dǎo)電為主）：電子的數(shù)目遠(yuǎn)大于空穴的數(shù)目（或者說以電子導(dǎo)電為主）p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體：空穴的數(shù)目遠(yuǎn)大于電子的數(shù)目（或者說以空穴導(dǎo)電為主）：空穴的數(shù)目遠(yuǎn)大于電子的數(shù)目（或者說以空穴導(dǎo)電為主）本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體：沒有摻雜的半導(dǎo)體：沒有摻雜的半導(dǎo)體n=p用類氫原子模型估算淺能級(jí)雜質(zhì)的電離能用類氫原子模型估算淺能級(jí)雜質(zhì)的電離能l 雜質(zhì)淺能級(jí)的簡單計(jì)算雜質(zhì)淺能級(jí)的簡單計(jì)算* 類氫原子模型的計(jì)算類氫原子模型的計(jì)算氫原子基態(tài)電子的電離能氫原子基態(tài)電子的電離能: :eVhemEH6 .13822040施主雜質(zhì)電子的電離能

10、施主雜質(zhì)電子的電離能: :20*22024*8rHereDEmmhemE r rm me e* */ /m m0 0m mh h* */ /m m0 0 E Ed d E Ea aS Si i 1 11 1. .7 70 0. .2 26 60 0. .3 37 70 0. .0 02 26 6 0 0. .0 03 37 7G Ge e 1 15 5. .8 80 0. .1 12 20 0. .2 21 10 0. .0 00 07 7 0 0. .0 01 11 1* 施主雜質(zhì)電子的玻爾半徑施主雜質(zhì)電子的玻爾半徑: :氫原子基態(tài)電子的玻爾半徑氫原子基態(tài)電子的玻爾半徑)(A53. 0020

11、2mehaB)(A53. 0*0*202*reermmmehar00*0emm 室溫 kBT 26 meV幾十個(gè)meV25A硅-硅間距5.4A鍺，硅的介電常數(shù)為 16，12施主雜質(zhì)電子的玻爾半徑施主雜質(zhì)電子的玻爾半徑修正修正（A）NDNA時(shí)：時(shí)： n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 有效的施主濃度有效的施主濃度 ND*=ND-NAEA因因 EA 在在 ED 之下之下 ， ED上的束縛電子首先上的束縛電子首先填充填充EA上的空位，上的空位， 即即施主與受主先相互施主與受主先相互 “抵抵消消”，剩余的束縛電子再電剩余的束縛電子再電離到導(dǎo)帶上。離到導(dǎo)帶上。雜雜 質(zhì)質(zhì) 的的 補(bǔ)補(bǔ) 償償 作作 用用NAND經(jīng)補(bǔ)償后，導(dǎo)

12、帶中經(jīng)補(bǔ)償后，導(dǎo)帶中空穴濃度為空穴濃度為NA-NDNA半導(dǎo)體為半導(dǎo)體為p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體（B）NAND時(shí)：時(shí)： p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 因因 EA 在在 ED 之下之下 ， ED上的束縛電子首上的束縛電子首 先填充先填充EA上的空位，上的空位， 即施主與受主先相互即施主與受主先相互 “抵消抵消”，剩余的束剩余的束 縛空穴再電離到價(jià)帶縛空穴再電離到價(jià)帶 上。上。 ED 有效的受主濃度有效的受主濃度 NA*=NA-ND（C） NA ND時(shí)時(shí) 雜質(zhì)的高度補(bǔ)償雜質(zhì)的高度補(bǔ)償本征激發(fā)的導(dǎo)帶電子本征激發(fā)的導(dǎo)帶電子 Ec ED EA Ev 本征激發(fā)的價(jià)帶空穴本征激發(fā)的價(jià)帶空穴n雜質(zhì)的高度補(bǔ)償控制不當(dāng)，使得控制不

13、當(dāng)，使得ND NA施主電子剛好夠填滿受主能級(jí)施主電子剛好夠填滿受主能級(jí)雖然雜質(zhì)很多，但不能給半導(dǎo)體材料提供更多的電子雖然雜質(zhì)很多，但不能給半導(dǎo)體材料提供更多的電子和空穴和空穴一般不能用來制造半導(dǎo)體器件一般不能用來制造半導(dǎo)體器件 （易被誤認(rèn)為純度很高，實(shí)質(zhì)上含雜質(zhì)很多，性能很差）（易被誤認(rèn)為純度很高，實(shí)質(zhì)上含雜質(zhì)很多，性能很差）EvED深能級(jí)雜質(zhì)n非III，V族雜質(zhì)在硅、鍺的禁帶中產(chǎn)生的施主能級(jí)距離導(dǎo)帶底較遠(yuǎn)，他們產(chǎn)生的受主能級(jí)距離價(jià)帶頂也較遠(yuǎn)，成為深能級(jí)，深能級(jí)雜質(zhì)。n深能級(jí)雜質(zhì)通常能產(chǎn)生多次電離，每次電離對(duì)應(yīng)一個(gè)能級(jí)。EcEAEcEvEDEA1 EA2EA3Au 摻入 SiEA3EA2EA1

14、 電子的庫倫排斥力0.040.20.150.04Au: 2、8、18、32、18、1 深能級(jí)雜質(zhì)如第如第IV族材料中加入非族材料中加入非III、V族雜質(zhì)族雜質(zhì)雜質(zhì)能級(jí)離導(dǎo)帶或者價(jià)帶很遠(yuǎn)雜質(zhì)能級(jí)離導(dǎo)帶或者價(jià)帶很遠(yuǎn)常規(guī)條件下不易電離常規(guī)條件下不易電離起一定的雜質(zhì)補(bǔ)償作用起一定的雜質(zhì)補(bǔ)償作用對(duì)載流子的復(fù)合作用非常重要，是很好的對(duì)載流子的復(fù)合作用非常重要，是很好的復(fù)合中心復(fù)合中心III-VIII-V族化合物半導(dǎo)體中的淺能級(jí)雜質(zhì)族化合物半導(dǎo)體中的淺能級(jí)雜質(zhì)在在III-V族化合物中摻入不同類型雜質(zhì)：族化合物中摻入不同類型雜質(zhì)：* IIII族元素族元素GaAs: GaAs: 鈹鈹(Be),(Be),鎂鎂(M

15、g),(Mg),鋅鋅(zn),(zn),鎘鎘(Cd) E(Cd) EA A=Ev+0.02-0.03 eV=Ev+0.02-0.03 eV* VIVI族元素族元素GaAs: GaAs: 硫硫(S),(S),硒硒(Se) E(Se) ED D=Ec-0.006 eV=Ec-0.006 eV* IVIV族元素族元素GaAs: GaAs: 硅硅(Si) Ev+0.03eV, Ec-0.006 eV (Si) Ev+0.03eV, Ec-0.006 eV （雜質(zhì)的雙性行為）（雜質(zhì)的雙性行為） 鍺鍺(Ge) Ev+0.03eV, Ec-0.006 eV(Ge) Ev+0.03eV, Ec-0.006 e

16、V* 等電子雜質(zhì)等電子雜質(zhì)GaP: GaP: 氮氮(N) Ec-0.01 eV (N) Ec-0.01 eV ( (等電子陷阱引起）等電子陷阱引起） 氮半徑小，電負(fù)性強(qiáng)，俘獲電子形成負(fù)電中心氮半徑小，電負(fù)性強(qiáng)，俘獲電子形成負(fù)電中心n等電子雜質(zhì)等電子雜質(zhì)與基質(zhì)晶體原子具有同數(shù)量價(jià)電子的雜質(zhì)原子稱為等電子雜質(zhì)與基質(zhì)晶體原子具有同數(shù)量價(jià)電子的雜質(zhì)原子稱為等電子雜質(zhì)（同族原子雜質(zhì)）（同族原子雜質(zhì)）v 等電子陷阱等電子陷阱形成條件形成條件等電子雜質(zhì)替代格點(diǎn)上的同族原子后，基本仍是電中性的等電子雜質(zhì)替代格點(diǎn)上的同族原子后，基本仍是電中性的。但是，。但是，摻摻入原子與基質(zhì)晶體原子在電負(fù)性、共價(jià)半徑等方面有較

17、大差別入原子與基質(zhì)晶體原子在電負(fù)性、共價(jià)半徑等方面有較大差別，等等電子雜質(zhì)電負(fù)性大于基質(zhì)晶體原子的電負(fù)性時(shí)，替代后，它能俘獲電子雜質(zhì)電負(fù)性大于基質(zhì)晶體原子的電負(fù)性時(shí)，替代后，它能俘獲電子成為負(fù)電中心電子成為負(fù)電中心，這個(gè)帶電中心就成為等電子陷阱這個(gè)帶電中心就成為等電子陷阱。v 雜質(zhì)的雙性行為雜質(zhì)的雙性行為 硅在砷化鎵中既能取代鎵而表現(xiàn)出施主雜質(zhì)，又能取代砷表現(xiàn)出硅在砷化鎵中既能取代鎵而表現(xiàn)出施主雜質(zhì)，又能取代砷表現(xiàn)出受主雜質(zhì)受主雜質(zhì)n缺陷：晶格周期的不完整晶格周期的不完整分為三類分為三類點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷（點(diǎn)的不完整）：空位、間隙原子（點(diǎn)的不完整）：空位、間隙原子線缺陷線缺陷（線的不完整）：位錯(cuò)（線

18、的不完整）：位錯(cuò)面缺陷面缺陷（面的不完整）：層錯(cuò)（面的不完整）：層錯(cuò)大多由熱振動(dòng)引起大多由熱振動(dòng)引起由晶體內(nèi)部的應(yīng)力引起的，導(dǎo)致晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生扭曲由晶體內(nèi)部的應(yīng)力引起的，導(dǎo)致晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生扭曲缺陷、位錯(cuò)能級(jí)n點(diǎn)缺陷在一定溫度下，晶格原子不僅在平衡位置附近做振動(dòng)，在一定溫度下，晶格原子不僅在平衡位置附近做振動(dòng)，而且有一部分原子會(huì)獲得足夠的能量，克服周圍原子對(duì)而且有一部分原子會(huì)獲得足夠的能量，克服周圍原子對(duì)它的束縛，擠入晶格原子間的間隙，形成它的束縛，擠入晶格原子間的間隙，形成間隙原子間隙原子，原，原來的位置空出來，成為來的位置空出來，成為空位空位。（熱缺陷）。（熱缺陷） Frenkel缺陷缺陷：間隙原子和空位成對(duì)出現(xiàn)間隙原子和空位成對(duì)出現(xiàn) Schottky缺陷：缺陷：只在晶體內(nèi)形成空位，而無間隙原子只在晶體內(nèi)形成空位，而無間隙原子n反結(jié)構(gòu)缺陷（化合物、替位原子） 有兩種替位方式：有兩種替位方式：A A取替取替B B，記為記為A AB