半導體物理第2章

1、第2章 半導體中雜質和缺陷能級要求n掌握鍺、硅晶體中的雜質能級，掌握鍺、硅晶體中的雜質能級， -族化合族化合物半導體的雜質能級。物半導體的雜質能級。n理解點缺陷。理解點缺陷。n雜質雜質 (impurity)：在半導體晶體中引入的在半導體晶體中引入的新的原子或離子新的原子或離子n缺陷缺陷 (defect)：晶體按周期性排列的結構晶體按周期性排列的結構受到破壞受到破壞實際半導體晶體實際半導體晶體理想半導體晶體理想半導體晶體在平衡位置附近振動在平衡位置附近振動原子靜止在格點位置上原子靜止在格點位置上純凈的純凈的含有雜質含有雜質晶格結構完整無缺晶格結構完整無缺存在著各種缺陷存在著各種缺陷實際晶體與理想

2、晶體的區(qū)別實際晶體與理想晶體的區(qū)別Si能夠得到廣泛應用的重要原因：能夠得到廣泛應用的重要原因：對其雜質實現可控操作，對其雜質實現可控操作，從而實現對半導體性能的精確控制從而實現對半導體性能的精確控制雜質主要來源：雜質主要來源：1. 無意摻入：制備半導體的原材料純度不夠，無意摻入：制備半導體的原材料純度不夠，加工工藝加工工藝2. 有意摻入：為了控制半導體的某些性質，人有意摻入：為了控制半導體的某些性質，人為摻入某種原子。為摻入某種原子。摻雜工藝在單晶生長過程中摻入雜質在單晶生長過程中摻入雜質 n在高溫下通過雜質擴散的工藝摻入雜質在高溫下通過雜質擴散的工藝摻入雜質 n離子注入雜質離子注入雜質 n在

3、薄膜外延工藝過程中摻入雜質在薄膜外延工藝過程中摻入雜質 n用合金工藝將雜質摻入半導體中用合金工藝將雜質摻入半導體中為控制半導體的性質，人為摻入雜質的工藝過程雜質濃度雜質濃度：單位體積中雜質原子數單位體積中雜質原子數 Diffusion Process Ion Implantation摻雜濃度(施主雜質N ND D，受主雜質N NA A) )摻雜濃度：單位體積中摻入雜質的數目。10141020cm3硅晶體中：5x1022cm3個原子請估算雜質原子與Si原子的比例。雜質和缺陷的存在，會使周期性勢場受到破壞，雜質和缺陷的存在，會使周期性勢場受到破壞，有可能在禁帶中引入允許電子具有的能量狀態(tài)有可能在禁

4、帶中引入允許電子具有的能量狀態(tài)（即能級），從而對半導體的性質產生決定性（即能級），從而對半導體的性質產生決定性影響。影響。雜質、雜質、缺陷缺陷能級位于禁帶之中能級位于禁帶之中雜質、缺陷能級雜質、缺陷能級Ec Ev2.1.1替位式雜質、間隙式雜質n替位式雜質:取代晶格原子q雜質原子的大小與晶體原子相似qIII、V族元素在硅、鍺中均為替位式雜質n間隙式雜質:位于晶格原子間隙位置q雜質原子小于晶體原子n雜質濃度：單位體積內的雜質原子數2.1 硅、鍺晶體中的雜質能級元素周期表2.1.2施主雜質、施主能級n施主雜質qV族元素在硅、鍺中電離時能夠釋放電子而產生導電電子并形成正電中心，稱此類雜質為施主雜質或

5、n型雜質。n施主電離q施主雜質釋放電子的過程。n施主能級q被施主雜質束縛的電子的能量狀態(tài)，記為ED，施主電離能量為ED。nn型半導體q依靠導帶電子導電的半導體。本征半導體結構示意圖本征半導體：純凈的、不含其它雜質的半導體。本征半導體：純凈的、不含其它雜質的半導體。 N型半導體 晶體晶體 雜雜 質質 P As Sb Si 0.044 0.049 0.039 Ge 0.0126 0.0127 0.00962.1.3受主雜質、受主能級n受主雜質qIII族元素在硅、鍺中電離時能夠接受電子而產生導電空穴并形成負電中心，稱此類雜質為受主雜質或p型雜質。n受主電離q受主雜質釋放空穴的過程。n受主能級q被受主

6、雜質束縛的空穴的能量狀態(tài)，記為EA。受主電離能量為EAnp型半導體q依靠價帶空穴導電的半導體。P型半導體 Si、Ge中族雜質的電離能EA（eV） 晶體晶體 雜雜 質質 B Al Ga In Si 0.045 0.057 0.065 0.16 Ge 0.01 0.01 0.011 0.011雜質半導體的簡化表示法 淺能級雜質n電離能小的雜質稱為淺能級雜質。n所謂淺能級，是指施主能級靠近導帶底，受主能級靠近價帶頂。n室溫下，摻雜濃度不很高的情況下，淺能級雜質幾乎可以全部電離。n五價元素磷（P）、銻在硅、鍺中是淺施主雜質n三價元素硼（B）、鋁、鎵、銦在硅、鍺中為淺受主雜質。n淺能級雜質電離能比禁帶寬

7、度小得多，雜質種類對半導體的導電性影響很大。n在N型半導體中，電子濃度大于空穴濃度，電子稱為多數載流子，空穴稱為少數載流子。n在P型半導體中，空穴濃度大于電子濃度，空穴稱為多數載流子，電子稱為少數載流子。施主雜質與受主雜質比較1 1）雜質的帶電性未電離 ：電離后：2 2）雜質能級的電子占據未電離：電離后：3 3）對載流子數的影響摻入施主后：摻入受主后：均為電中性施主失去電子帶正電，受主得到電子帶負電施主能級滿，受主能級空施主能級空，受主能級滿電子數大于空穴數電子數小于空穴數2.1.4 淺能級雜質電離能簡單計算n類氫模型q氫原子中電子能量qn=1,2,3，為主量子數，當n=1和無窮時222040

8、8nhqmEn0,8220401EhqmEn氫原子基態(tài)電子的電離能n考慮到1、正、負電荷處于介電常數=0r的介質中 2、電子不在空間運動，而是處于晶格周期性勢場中運動400122013.68m qEEEeVhn施主雜質電離能n受主雜質電離能200*22024*8rnrnDEmmhqmE200*22024*8rprpAEmmhqmE估算結果與實際測量值有相同數量級2.1.5雜質的補償作用n假如半導體中，同時存在著施主和受主雜質，假如半導體中，同時存在著施主和受主雜質，半導體是半導體是n型還是型還是p型呢？型呢？n這要看哪一種雜質濃度大，因為施主和受主雜這要看哪一種雜質濃度大，因為施主和受主雜質之

9、間有互相抵消的作用質之間有互相抵消的作用n通常稱為通常稱為雜質的補償作用雜質的補償作用雜質的補償作用雜質的補償作用雜質的補償作用雜質的補償作用n當NDNA時q ND-NA 為有效施主濃度n當NDNA時q n= ND-NA ND，半導體是n型的n當NDNA時q p= NA-ND NA，半導體是p型的n當NDNA時q雜質的高度補償n有效雜質濃度q補償后半導體中的凈雜質濃度。雜質的補償作用的應用n利用雜質的補償作用，根據擴散或離子注入的方利用雜質的補償作用，根據擴散或離子注入的方法來改變半導體某一區(qū)域的導電類型，制成各種法來改變半導體某一區(qū)域的導電類型，制成各種器件。器件。n在一塊在一塊 n 型半導

10、體基片的一側摻入較高濃度的受型半導體基片的一側摻入較高濃度的受主雜質，由于雜質的補償作用，該區(qū)就成為型主雜質，由于雜質的補償作用，該區(qū)就成為型半導體。半導體。 2.1.6深能級雜質n非III、V族元素在硅、鍺的禁帶中產生的施主能級距離導帶底和價帶頂較遠，形成深能級，稱為深能級雜質。n特點q不容易電離，對載流子濃度影響不大q深能級雜質能夠產生多次電離，每次電離均對應一個能級。q能起到復合中心作用，使少數載流子壽命降低 2.2 III-V族化合物中的雜質能級III族元素：硼族元素：硼(B)、鋁、鋁(Al)、鎵鎵(Ga)、銦銦(In)、鉈、鉈(Tl)V族元素：氮族元素：氮(N)、磷、磷(P)、砷砷(

11、As)、銻銻(Sb)、鉍、鉍(Bi)和硅、鍺晶體一樣，當雜質進入和硅、鍺晶體一樣，當雜質進入III-V族化合物后，或者是處于晶格原族化合物后，或者是處于晶格原子間隙中的間隙式雜質，或者成為取子間隙中的間隙式雜質，或者成為取代晶格原子的替位式雜質，不過具體代晶格原子的替位式雜質，不過具體情況比硅、鍺更復雜。情況比硅、鍺更復雜。1、I族元素族元素一般在砷化鎵中引入受主能級。一般在砷化鎵中引入受主能級。如：鋰。如：鋰。2、II族元素族元素如：鈹、鎂、鋅、鎘、汞。如：鈹、鎂、鋅、鎘、汞。它們的價電子比它們的價電子比III族元素少一個，有獲得一個電子形族元素少一個，有獲得一個電子形成共價鍵的傾向，表現為

12、受主雜質，引入淺受主能級。成共價鍵的傾向，表現為受主雜質，引入淺受主能級。常用摻鋅或鎘以獲得常用摻鋅或鎘以獲得III-V族化合物的族化合物的p型材料。型材料。3、III、V族元素族元素（1）等電子雜質）等電子雜質n特征： a、與基體原子同族另外原子 b、以替位形式存在于晶體中（2）等電子陷阱）等電子陷阱n等電子雜質（如等電子雜質（如N或Bi ）占據本征原子位置）占據本征原子位置（如（如GaP中的中的P位置）后，位置）后，n由于原子序數的變化，原子的半徑和電負性有由于原子序數的變化，原子的半徑和電負性有差別，差別，n 因而它們能因而它們能俘獲某種載流子而成為帶電中心俘獲某種載流子而成為帶電中心。

13、n這個帶電中心就稱為這個帶電中心就稱為等電子陷阱（電子陷阱等電子陷阱（電子陷阱或或空穴陷阱）空穴陷阱）。是否周期表中同族元素均能形成等電子陷阱呢是否周期表中同族元素均能形成等電子陷阱呢?只有當摻入原子與基質晶體原子在電負性、共價半徑方面只有當摻入原子與基質晶體原子在電負性、共價半徑方面具有較大差別時，才能形成等電子陷阱。一般來說，同族元素具有較大差別時，才能形成等電子陷阱。一般來說，同族元素原子序數越小，電負性越大，共價半徑越小。等電子雜質電負原子序數越小，電負性越大，共價半徑越小。等電子雜質電負性大于基質晶體原子的電負性時，取代后，它便能俘獲電子成性大于基質晶體原子的電負性時，取代后，它便能

14、俘獲電子成為負電中心；反之，它能俘獲空穴成為正電中心。為負電中心；反之，它能俘獲空穴成為正電中心。GaPN(共價半徑和電負性分別為共價半徑和電負性分別為0.070nm和和3.0)P(磷的共價半徑和電負性分別為磷的共價半徑和電負性分別為0.11nm和和2.1)Bi(共價半徑和電負性分別為共價半徑和電負性分別為0.146nm和和1.9) ED0.008eV EA0.038eV正電中心，正電中心，空穴陷阱空穴陷阱負電中心，負電中心，電子陷阱電子陷阱例：等電子陷阱等電子陷阱（3）束縛激子）束縛激子 等電子陷阱俘獲某種載流子后，又因帶電中心的庫侖力作用又俘獲另一種載流子，形成束縛激子束縛激子。這種束縛激

15、子在由間接帶隙半導體材料制造的發(fā)光器這種束縛激子在由間接帶隙半導體材料制造的發(fā)光器件中起主要作用。件中起主要作用。4、IV族元素族元素碳、硅、鍺、錫、鉛碳、硅、鍺、錫、鉛當取代當取代III族原子則起施主雜質作用，當取代族原子則起施主雜質作用，當取代V族原子則起族原子則起受主作用。受主作用。IV族元素還可以雜亂地分布在族元素還可以雜亂地分布在III族原子和族原子和V族原子族原子的格點上，這時雜質的總效果是起施主作用還是受主作用，與的格點上，這時雜質的總效果是起施主作用還是受主作用，與摻雜濃度及摻雜時的外界條件有關。摻雜濃度及摻雜時的外界條件有關。兩性雜質 n兩性雜質是指在半導體中既可作施主又可作

16、受主的雜質。n如-族GaAs中摻族Si。n如果Si替位族Ga，則Si為施主；n如果Si替位族As，則Si為受主。n所摻入的雜質具體是起施主還是受主與工藝有關。 5、VI族元素族元素氧、硫、硒、碲與氧、硫、硒、碲與V族元素性質相近，常取代族元素性質相近，常取代V族原子。族原子。因為它們比因為它們比V族元素多一個價電子而且容易失去，所以表現族元素多一個價電子而且容易失去，所以表現為施主雜質，并引入施主能級。為施主雜質，并引入施主能級。2.4 缺陷能級缺陷能級缺陷的種類：1. 點缺陷：空位、間隙原子等2. 線缺陷：位錯等3. 面缺陷：層錯、晶粒間界等在半導體晶體中的作用：受主施主深能級點缺陷的種類：

17、點缺陷的種類：2.4.1 點缺陷點缺陷熱缺陷熱缺陷偏離化學比缺陷偏離化學比缺陷替位原子替位原子n肖特基缺陷：肖特基缺陷： 晶體中只有晶格原子空位晶體中只有晶格原子空位n間隙原子缺陷：間隙原子缺陷： 只有間隙原子而無原子空位只有間隙原子而無原子空位n弗侖克耳缺陷：弗侖克耳缺陷： 原子空位和間隙原子同時存在原子空位和間隙原子同時存在熱缺陷：熱缺陷：由于原子熱運動所形成的缺陷由于原子熱運動所形成的缺陷A、空位B、 填隙原子填隙原子SiSiSiSiSiSiSiSiSiSi熱缺陷特點：n熱缺陷的數目隨溫度升高而增加n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

18、小。（可參閱葉良修半導體物理學p24和p94）n淬火后可以“凍結”高溫下形成的缺陷。n退火后可以消除大部分缺陷。半導體器件生產工藝中，經高溫加工（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。在離子性強化合物的半導體，由于組成晶體的元素偏離正常化學比而形成的缺陷。偏離化學比缺陷：ABABABABBABABABABABABABABAABABABABAB (如 PbS, ZnO)VAVB替位式原子（反結構缺陷）替位式原子（反結構缺陷）例如二元化合物例如二元化合物AB中，替位原子可以有兩種，中，替位原子可以有兩種，A取代取代B的稱為的稱為AB，B取代取代A的稱為的稱為BA

19、。一般認為一般認為AB是受主，是受主，BA是施主。是施主。因為因為B的價電子比的價電子比A的多，的多，B取代取代A后，有把多余的價電后，有把多余的價電子施放給導帶的趨勢；相反，子施放給導帶的趨勢；相反，A取代取代B后則有接受電子的傾向。后則有接受電子的傾向。例如在砷化鎵中，砷取代鎵原子為例如在砷化鎵中，砷取代鎵原子為AsGa，起施主作用，起施主作用，而鎵取代砷原子為而鎵取代砷原子為GaAs，起受主作用。，起受主作用。這種點缺陷也稱為這種點缺陷也稱為反結構缺陷反結構缺陷。ABABABABBBABABABABABABABABAAABABABABBAAB點缺陷對半導體性質的影響：n缺陷處晶格畸變，周

20、期性勢場被破壞，致使在禁帶中產生能級。n很多熱缺陷能級為深能級，在半導體中起復合中心作用，使非平衡載流子濃度和壽命降低。n空位缺陷有利于雜質擴散n對載流子有散射作用，使載流子遷移率和壽命降低。 思 考 題1、什么叫淺能級雜質？它們電離后有何特點？、什么叫淺能級雜質？它們電離后有何特點？ 解：淺能級雜質是指其雜質電離能遠小于本征半導體的禁解：淺能級雜質是指其雜質電離能遠小于本征半導體的禁帶寬度的雜質。它們電離后將成為帶正電（電離施主）或帶寬度的雜質。它們電離后將成為帶正電（電離施主）或帶負電（電離受主）的離子，并同時向導帶提供電子或向帶負電（電離受主）的離子，并同時向導帶提供電子或向價帶提供空穴

21、。價帶提供空穴。 2、什么叫施主？什么叫施主電離？施主電離前后有何帶電特什么叫施主？什么叫施主電離？施主電離前后有何帶電特征？試舉例說明之。征？試舉例說明之。解：半導體中摻入雜質，雜質電離后將成為帶正電離子，并解：半導體中摻入雜質，雜質電離后將成為帶正電離子，并同時向導帶提供電子，這種雜質就叫施主。同時向導帶提供電子，這種雜質就叫施主。施主向導帶提供電子，成為帶正電離子施主向導帶提供電子，成為帶正電離子的過程就叫施主電離。的過程就叫施主電離。施主電離前不帶電，電離后帶正電。施主電離前不帶電，電離后帶正電。例如，在例如，在SiSi中摻中摻P P，P P為為族元素，本征半導體族元素，本征半導體Si

22、Si為為族元素，族元素，P P摻入摻入SiSi中后，中后，P P的最外層電子有四個與的最外層電子有四個與SiSi的最外層四個電子的最外層四個電子配對成為共價電子，而配對成為共價電子，而P P的第五個外層電子將受到熱激發(fā)掙的第五個外層電子將受到熱激發(fā)掙脫原子核的束縛進入導帶成為自由電子。這個過程就是施主脫原子核的束縛進入導帶成為自由電子。這個過程就是施主電離。電離。3、什么叫受主？什么叫受主電離？受主電離前后有何特征？、什么叫受主？什么叫受主電離？受主電離前后有何特征？試舉例說明之。試舉例說明之。解：半導體中摻入雜質，雜質電離后將成為帶負電的離子，并解：半導體中摻入雜質，雜質電離后將成為帶負電的離子，并同時向價帶提供空穴，這種雜質就叫受主。同時向價帶提供空穴，這種雜質就叫受主。受主電離成為帶負電的離子（中心）的過程就叫受主電離。受主電離成為帶負電的離子（中心）的過程就叫受主電離。受主電離前帶不帶電，電離后帶負電。受主電離前帶不帶電，電