半導(dǎo)體固體物理及集成電路物理

1、半導(dǎo)體物理半導(dǎo)體物理光電工程學(xué)院微電子教學(xué)部馮世娟2022-3-142第二章第二章 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)理想半導(dǎo)體：理想半導(dǎo)體： 1、原子嚴(yán)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(wú)雜質(zhì)，無(wú)缺陷。 3、電子在周期場(chǎng)中作共有化運(yùn)動(dòng)，形成允帶和禁帶電子能量只能處在允帶中的能級(jí)上，禁帶中無(wú)能級(jí)。由本征激發(fā)提供載流子 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體晶體具有完整的（完美的）晶格結(jié)構(gòu)，無(wú)任何雜質(zhì)和缺陷。 2022-3-143第二章第二章 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)實(shí)際材料中實(shí)際材料中 1、總是有雜質(zhì)、缺陷，使周期場(chǎng)破壞，在雜質(zhì)或缺陷周圍引起局部性的量子態(tài)對(duì)應(yīng)的能

2、級(jí)常常處在禁帶中，對(duì)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。 2022-3-144第二章第二章 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)2.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)2.2 族化合物中的雜質(zhì)能級(jí)2.3 缺陷、位錯(cuò)能級(jí)2022-3-1452.1 2.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)1. 替位式雜質(zhì)替位式雜質(zhì) 間隙式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì) 一個(gè)晶胞中包含有八個(gè)硅原子，若近似地把原子看成是半徑為r的圓球，則可以計(jì)算出這八個(gè)原于占據(jù)晶胞空間的百分?jǐn)?shù)如下： 說(shuō)明，在金剛石型晶體中一個(gè)晶胞內(nèi)的8個(gè)原子只占有晶胞體積的34%，還有還有66%66%是空隙是空隙331323 =483

3、84 0.34rarara2022-3-1462.1 2.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí) 金剛石型晶體結(jié)構(gòu)中的兩種空隙如圖金剛石型晶體結(jié)構(gòu)中的兩種空隙如圖2-1所示。所示。這些空隙通常稱為間隙位置這些空隙通常稱為間隙位置2022-3-1472.1 2.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí) 雜質(zhì)原子進(jìn)入半導(dǎo)體硅后，以兩種方式存在 一種方式是雜質(zhì)原子位于晶格原子間的間隙位置，常稱為間隙式間隙式雜質(zhì)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(diǎn)處，常稱為替位式替位式雜質(zhì)雜質(zhì)（B）2022-3-1482.1 2.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)

4、兩種雜質(zhì)特點(diǎn)： 間隙式雜質(zhì)原子一般比較小，間隙式雜質(zhì)原子一般比較小，如：如：Li原子，原子，0.068nm 替位式雜質(zhì)替位式雜質(zhì)1）雜質(zhì)原子的大小與被取代的）雜質(zhì)原子的大小與被取代的晶格原子的大小比較相近晶格原子的大小比較相近2）價(jià)電子殼層結(jié)構(gòu)比較相近）價(jià)電子殼層結(jié)構(gòu)比較相近如：如：、族元素族元素單位體積中的雜質(zhì)原子單位體積中的雜質(zhì)原子數(shù)即數(shù)即雜質(zhì)濃度雜質(zhì)濃度來(lái)定量描來(lái)定量描述雜質(zhì)含量的多少，雜述雜質(zhì)含量的多少，雜質(zhì)濃度的單位為質(zhì)濃度的單位為1/cm3 。2022-3-1492.1 2.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)2. 施主雜質(zhì)施主雜質(zhì) 施主能級(jí)施主能級(jí) 以硅中摻磷P為例：

5、 磷原子占據(jù)硅原子的位置。磷原子有五個(gè)價(jià)電子。其中四個(gè)價(jià)電子與周圍的四個(gè)硅原于形成共價(jià)鍵，還剩余一個(gè)價(jià)電子。 這個(gè)多余的價(jià)電子就束縛在正電中心P的周圍。價(jià)電子只要很少能量就可掙脫束縛，成為導(dǎo)電電子導(dǎo)電電子在晶格中自由運(yùn)動(dòng)。 這時(shí)磷原子就成為少了一個(gè)價(jià)電子的磷離子P，它是一個(gè)不能移動(dòng)的正電中心正電中心。2022-3-14102.1 2.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí) 族雜質(zhì)在硅、鍺中電離時(shí)，能夠施放電子而產(chǎn)生導(dǎo)電電子并形成正電中心，稱它們?yōu)槭┲麟s質(zhì)施主雜質(zhì)或n型雜質(zhì)型雜質(zhì) 上述電子脫離雜質(zhì)原子的束縛成為導(dǎo)電電子的過程稱為雜質(zhì)電離雜質(zhì)電離 使個(gè)多余的價(jià)電子掙脫束縛成為導(dǎo)電電子所需

6、要的能量稱為雜質(zhì)電離能雜質(zhì)電離能 施主雜質(zhì)電離后成為不可移動(dòng)的帶正電的施主離子，同時(shí)向?qū)峁╇娮?，使半?dǎo)體成為電子電子導(dǎo)電的n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體。2022-3-14112.1 2.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)DCDEEE 施主雜質(zhì)的電離過程，可以用能施主雜質(zhì)的電離過程，可以用能帶圖表示帶圖表示 如圖如圖2-4所示所示.當(dāng)電子得到能量當(dāng)電子得到能量 后，就從施主的束縛態(tài)躍遷到導(dǎo)后，就從施主的束縛態(tài)躍遷到導(dǎo)帶成為導(dǎo)電電子，所以電子被施帶成為導(dǎo)電電子，所以電子被施主雜質(zhì)束縛時(shí)的能量比導(dǎo)帶底主雜質(zhì)束縛時(shí)的能量比導(dǎo)帶底 低低 。將被施主雜質(zhì)束縛的電。將被施主雜質(zhì)束縛的電子的能量狀態(tài)稱

7、為子的能量狀態(tài)稱為施主能級(jí)施主能級(jí)，記，記為為 ，所以施主能級(jí)位于離導(dǎo)帶，所以施主能級(jí)位于離導(dǎo)帶底很近的禁帶中底很近的禁帶中DEDEDECE施主雜質(zhì)電離能施主雜質(zhì)電離能gE分立能級(jí)分立能級(jí)束縛態(tài)束縛態(tài)離化態(tài)離化態(tài)熱激發(fā)、光照等熱激發(fā)、光照等2022-3-14122.1 2.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí) 硅、鍺晶體中族雜質(zhì)的電離能2022-3-14132.1 2.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)3. 受主雜質(zhì)受主雜質(zhì) 受主能級(jí)受主能級(jí) 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(gè)價(jià)電子。與周圍的四個(gè)硅原于形成共價(jià)鍵時(shí)還缺一個(gè)電子，就從別處奪取價(jià)電子

8、，這就在Si形成了一個(gè)空穴。 這時(shí)B原子就成為多了一個(gè)價(jià)電子的磷離子B，它是一個(gè)不能移動(dòng)的負(fù)電中心負(fù)電中心。 空穴束縛在負(fù)電中心B的周圍?？昭ㄖ灰苌倌芰烤涂蓲昝撌`，成為導(dǎo)電空穴導(dǎo)電空穴在晶格中自由運(yùn)動(dòng)。2022-3-14142.1 2.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí) 族雜質(zhì)在硅、鍺中能夠接受電子而產(chǎn)生導(dǎo)電族雜質(zhì)在硅、鍺中能夠接受電子而產(chǎn)生導(dǎo)電空穴，并形成負(fù)電中心，所以稱它們?yōu)榭昭?，并形成?fù)電中心，所以稱它們?yōu)槭苤麟s受主雜質(zhì)質(zhì)或或p型雜質(zhì)型雜質(zhì)。 使空穴掙脫束縛成為導(dǎo)電空穴所需要的能量稱為使空穴掙脫束縛成為導(dǎo)電空穴所需要的能量稱為受主雜質(zhì)電離能受主雜質(zhì)電離能。 受主雜質(zhì)電離

9、后成為不可移動(dòng)的帶負(fù)電的受主離受主雜質(zhì)電離后成為不可移動(dòng)的帶負(fù)電的受主離子，同時(shí)向價(jià)帶提供空穴，使半導(dǎo)體成為子，同時(shí)向價(jià)帶提供空穴，使半導(dǎo)體成為空穴空穴導(dǎo)導(dǎo)電的電的p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體。2022-3-14152.1 2.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí) 受主雜質(zhì)的電離過程，可以用能受主雜質(zhì)的電離過程，可以用能帶圖表示帶圖表示 如圖如圖2-6所示所示.當(dāng)空穴得到能量后，當(dāng)空穴得到能量后，就從受主的束縛態(tài)躍遷到價(jià)帶成就從受主的束縛態(tài)躍遷到價(jià)帶成為導(dǎo)電空穴，所以電子被受主雜為導(dǎo)電空穴，所以電子被受主雜質(zhì)束縛時(shí)的能量比價(jià)帶頂質(zhì)束縛時(shí)的能量比價(jià)帶頂 高高 。將被受主雜質(zhì)束縛的。將被受主雜質(zhì)

10、束縛的空穴的能量狀態(tài)稱為空穴的能量狀態(tài)稱為受主能級(jí)受主能級(jí)，記為記為 ，所以受主能級(jí)位于離價(jià)，所以受主能級(jí)位于離價(jià)帶頂很近的禁帶中帶頂很近的禁帶中AEAEAEVEAAVEEE受主雜質(zhì)電離能受主雜質(zhì)電離能gE2022-3-14162.1 2.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí) 硅、鍺晶體中族雜質(zhì)的電離能2022-3-14172.1 2.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)按雜質(zhì)向半導(dǎo)體提供載流子的類型分類n型半導(dǎo)體：以電子導(dǎo)電為主本征半導(dǎo)體p型半導(dǎo)體：以空穴導(dǎo)電為主2022-3-14182.1 2.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)4. 淺能級(jí)雜質(zhì)電離能的

11、簡(jiǎn)單計(jì)算、族雜質(zhì)在硅、鍺中的EA 、 ED都很小，即施主能級(jí)ED距導(dǎo)帶底EC很近，受主能級(jí)EA距價(jià)帶頂EV很近，這樣的雜質(zhì)能級(jí)稱為淺能級(jí)淺能級(jí)，相應(yīng)的雜質(zhì)就稱為淺能級(jí)雜質(zhì)淺能級(jí)雜質(zhì)。 如果Si、Ge中的、族雜質(zhì)濃度不太高，在包括室溫的相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)，晶格原子熱振動(dòng)的能量會(huì)傳遞給電子，使雜質(zhì)幾乎全部電離。2022-3-14192.1 2.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí) 通常情況下半導(dǎo)體中雜質(zhì)濃度不是特別高，半導(dǎo)體中雜質(zhì)分布很稀疏，因此不必考慮雜質(zhì)原子間的相互作用，被雜質(zhì)原子束縛的電子(空穴)就像單個(gè)原子中的電子一樣，處在互相分離、能量相等的雜質(zhì)能級(jí)上而不形成雜質(zhì)能帶。 當(dāng)雜

12、質(zhì)濃度很高(稱為重?fù)诫s重?fù)诫s)時(shí)，雜質(zhì)能級(jí)才會(huì)交疊，形成雜質(zhì)能帶。2022-3-14202.1 2.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí) 類氫模型類氫模型4022208nm qEh n0113.6eVEEE*0 nrmm *020nDrmEEm*020pArmEEm*11 123nnltmmmm*電導(dǎo)有效質(zhì)量0.025eV(Si) 0.0064eV(Ge) DDEE 可得同一個(gè)數(shù)量級(jí)*11123ppplphmmmm*電導(dǎo)有效質(zhì)量2022-3-14212.1 2.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)20120hrmqo0.53A*0 nrmm 2o*00*2*0.53(A

13、)rBrnnhmrmqm o*24.5A(Si)Br2022-3-14222.1 2.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)5. 雜質(zhì)的補(bǔ)償作用 如果在半導(dǎo)體中既摻入施主雜質(zhì)，又摻入受主雜質(zhì)，施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)具有相互抵消的作用，稱為雜質(zhì)的補(bǔ)償作用雜質(zhì)的補(bǔ)償作用。 從價(jià)鍵角度理解：施主周圍有多余的價(jià)電子，受主周圍缺少價(jià)電子，施主周圍有多余的價(jià)電子，受主周圍缺少價(jià)電子，施主多余的價(jià)電子正好填充受主周圍的空缺，使施主多余的價(jià)電子正好填充受主周圍的空缺，使價(jià)鍵飽和，這個(gè)時(shí)候系統(tǒng)的能量降低，處于穩(wěn)定價(jià)鍵飽和，這個(gè)時(shí)候系統(tǒng)的能量降低，處于穩(wěn)定狀態(tài)。狀態(tài)。2022-3-14232.1 2.1 硅

14、、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)從能帶角度理解：從能帶角度理解： 對(duì)于雜質(zhì)補(bǔ)償?shù)陌雽?dǎo)體，若NDNA： (a) T=0K電子按順序填充能量由低到高的各個(gè)能級(jí)，由于受主能級(jí)EA比施主能級(jí)ED低，電子將先填滿受主能級(jí)EA，然后再填充施主能級(jí)ED，因此施主能級(jí)上的電子濃度為ND-NA。(b) 室溫施主能級(jí)上的ND-NA個(gè)電子就全部被激發(fā)到導(dǎo)帶，這時(shí)導(dǎo)帶中的電子濃度n0=ND-NA，為n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體。2022-3-14242.1 2.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)當(dāng)NAND時(shí)，將呈現(xiàn)p型半導(dǎo)體的特性，價(jià)帶空穴濃度p0=NA-ND通過補(bǔ)償以后半導(dǎo)體中的凈雜質(zhì)濃度稱為有效雜質(zhì)

15、濃度有效雜質(zhì)濃度。 如果NDNA，稱ND-NA為有效施主濃度有效施主濃度； 如果NAND，那么NA-ND稱為有效受主濃度有效受主濃度 1 DADANNNN 雜質(zhì)補(bǔ)償度：如果半導(dǎo)體中：NDNA，則n0ND-NAND； NAND，則p0NA-ND NA。 2022-3-14252.1 2.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí) 半導(dǎo)體器件和集成電路生產(chǎn)中就是利用雜質(zhì)補(bǔ)償作用，在n型Si外延層上的特定區(qū)域摻入比原先n型外延層濃度更高的受主雜質(zhì)，通過雜質(zhì)補(bǔ)償作用就形成了p型區(qū)，而在n型區(qū)與p型區(qū)的交界處就形成了pn結(jié)。如果再次摻入比p型區(qū)濃度更高的施主雜質(zhì)，在二次補(bǔ)償區(qū)域內(nèi)p型半導(dǎo)體就再次轉(zhuǎn)

16、化為n型，從而形成雙極型晶體管的n-p-n結(jié)構(gòu)。 2022-3-14262.1 2.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)p高度補(bǔ)償高度補(bǔ)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)的高等補(bǔ)償。這種材料容易被誤認(rèn)為高純度半導(dǎo)體，實(shí)際上含雜質(zhì)很多，性能很差，一般不能用來(lái)制造半導(dǎo)體器件。 2022-3-14272.1 2.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)6. 深能級(jí)雜質(zhì) 非、族雜質(zhì)在Si、Ge禁帶中也產(chǎn)生能級(jí) 產(chǎn)生的施主能級(jí)ED距導(dǎo)帶底EC較遠(yuǎn)，產(chǎn)生的受主能級(jí)EA距價(jià)帶頂EV較遠(yuǎn)，這種雜質(zhì)能級(jí)稱為深能深能級(jí)級(jí)，對(duì)應(yīng)的雜質(zhì)稱為深

17、能級(jí)雜質(zhì)深能級(jí)雜質(zhì)。 深能級(jí)雜質(zhì)可以多次電離，每一次電離相應(yīng)有一個(gè)能級(jí)，有的雜質(zhì)既引入施主能級(jí)又引入受主能級(jí)。2022-3-14282.1 2.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)以Ge中摻Au為例：五種帶電狀態(tài)：Au+ Au0 Au- Au2- Au3-ED EA1 EA2 EA3Au0Au+，釋放電子到導(dǎo)帶，釋放電子到導(dǎo)帶，ED略小于略小于Eg（共價(jià)鍵束縛，電離能很大）（共價(jià)鍵束縛，電離能很大）EA3EA2EA1（電子間存在庫(kù)侖排斥）（電子間存在庫(kù)侖排斥）2022-3-14292.1 2.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí) Si、Ge中其它一些深能級(jí)雜質(zhì)引入的深能

18、級(jí)也可以類似地做出解釋。 深能級(jí)雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體中載流子濃度和導(dǎo)電類型的影響不像淺能級(jí)雜質(zhì)那樣顯著，其濃度通常也較低，主要起復(fù)合中心的作用。 采用摻金工藝能夠提高高速半導(dǎo)體器件的工作速度。2022-3-14302.1 2.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí) 四個(gè)基本特點(diǎn)：四個(gè)基本特點(diǎn)：1) 不容易電離，對(duì)載流子濃度影響不大；2) 一般會(huì)產(chǎn)生多重能級(jí)，甚至既產(chǎn)生施主能級(jí)也產(chǎn)生受主能級(jí)。3) 能起到復(fù)合中心作用，使少數(shù)載流子壽命降低（在第五章詳細(xì)討論）。4) 深能級(jí)雜質(zhì)電離后為帶電中心，對(duì)載流子起散射作用，使載流子遷移率減少，導(dǎo)電性能下降。2022-3-14312.2 2.2 族化合物中

19、的雜質(zhì)能級(jí)族化合物中的雜質(zhì)能級(jí)雜質(zhì)在GaAs中的存在形式 三種情況： 1）取代砷）取代砷 2）取代鎵）取代鎵 3）填隙）填隙2022-3-14322.2 2.2 族化合物中的雜質(zhì)能級(jí)族化合物中的雜質(zhì)能級(jí) 施主雜質(zhì)周期表中的周期表中的族元素族元素(Se、S、Te)在在GaAs中通常都替代中通常都替代族元素族元素As原子的晶格位置，原子的晶格位置，由于由于族原子比族原子比族原子多一個(gè)價(jià)電子，族原子多一個(gè)價(jià)電子，因此因此族雜質(zhì)在族雜質(zhì)在GaAs中一般起施主作用，中一般起施主作用，為淺施主雜質(zhì)。為淺施主雜質(zhì)。2022-3-14332.2 2.2 族化合物中的雜質(zhì)能級(jí)族化合物中的雜質(zhì)能級(jí) 受主雜質(zhì)族元素

20、（族元素（Zn、Be、Mg、Cd、Hg）在）在GaAs中通常都取代中通常都取代族元素族元素Ga原子的晶格位置，原子的晶格位置，由于由于族原子比族原子比族原子少一個(gè)價(jià)電子，因此族原子少一個(gè)價(jià)電子，因此族元素雜質(zhì)在族元素雜質(zhì)在GaAs中通常起受主作用，均中通常起受主作用，均為淺受主。為淺受主。2022-3-14342.2 2.2 族化合物中的雜質(zhì)能級(jí)族化合物中的雜質(zhì)能級(jí) 兩性雜質(zhì)族元素雜質(zhì)（族元素雜質(zhì)（Si、Ge、Sn、Pb）在）在GaAs中中的作用比較復(fù)雜，可以取代的作用比較復(fù)雜，可以取代族的族的Ga，也可以，也可以取代取代族的族的As，甚至可以同時(shí)取代兩者，因此，甚至可以同時(shí)取代兩者，因此族雜

21、質(zhì)不僅可以起施主作用還可以起受主作族雜質(zhì)不僅可以起施主作用還可以起受主作用。如用。如Si在在GaAs中引入的施主能級(jí)和受主能級(jí)中引入的施主能級(jí)和受主能級(jí)分別在導(dǎo)帶以下分別在導(dǎo)帶以下0.006eV和價(jià)帶以上和價(jià)帶以上0.03eV處。處。2022-3-14352.2 2.2 族化合物中的雜質(zhì)能級(jí)族化合物中的雜質(zhì)能級(jí) 摻摻Si的的GaAs一般表現(xiàn)為一般表現(xiàn)為n型。這型。這是因?yàn)閾饺氲氖且驗(yàn)閾饺氲腟i大部分占據(jù)大部分占據(jù)Ga的位置。的位置。 在在Si的濃度小于的濃度小于1018cm3,電電子濃度大致與子濃度大致與Si的濃度相等。的濃度相等。但當(dāng)?shù)?dāng)Si的濃度更高時(shí)，電子濃的濃度更高時(shí)，電子濃度低于度低

22、于Si的濃度，且電子濃度的濃度，且電子濃度有飽和的傾向。這說(shuō)明有相當(dāng)有飽和的傾向。這說(shuō)明有相當(dāng)一部分硅占據(jù)了一部分硅占據(jù)了As的位置而起的位置而起受主作用。而出現(xiàn)了雜質(zhì)的補(bǔ)受主作用。而出現(xiàn)了雜質(zhì)的補(bǔ)償作用。償作用。Ge和和Sn在在GaAs中也主要起中也主要起施主作用，常用作施主作用，常用作n型材料型材料的摻雜劑的摻雜劑雜質(zhì)的雙性行為雜質(zhì)的雙性行為2022-3-14362.2 2.2 族化合物中的雜質(zhì)能級(jí)族化合物中的雜質(zhì)能級(jí) 中性雜質(zhì)族元素（族元素（B、Al、In）和）和族元素（族元素（P、Sb）在在GaAs中通常分別替代中通常分別替代Ga和和As，由于雜質(zhì)在，由于雜質(zhì)在晶格位置上并不改變?cè)械?/p>

23、價(jià)電子數(shù)，因此既晶格位置上并不改變?cè)械膬r(jià)電子數(shù)，因此既不給出電子也不俘獲電子而呈電中性，對(duì)不給出電子也不俘獲電子而呈電中性，對(duì)GaAs的電學(xué)性質(zhì)沒有明顯影響。的電學(xué)性質(zhì)沒有明顯影響。2022-3-14372.2 2.2 族化合物中的雜質(zhì)能級(jí)族化合物中的雜質(zhì)能級(jí) 等電子陷阱在某些化合物半導(dǎo)體中，例如GaP中摻入V族元素N或Bi，N或Bi將取代P并在禁帶中產(chǎn)生能級(jí)。這個(gè)能級(jí)稱為等電子陷阱等電子陷阱。這種效應(yīng)稱為等電子等電子雜質(zhì)效應(yīng)雜質(zhì)效應(yīng)。等電子雜質(zhì)的特征 與本征元素同族但不同原子序數(shù) 以替位形式存在于晶體中，基本上是電中性的。2022-3-14382.2 2.2 族化合物中的雜質(zhì)能級(jí)族化合物中

24、的雜質(zhì)能級(jí)這類雜質(zhì)一般不能提供電子或空穴，但在一定條件下，可以收容一個(gè)電子或一個(gè)空穴，作為電子陷阱或空穴陷阱起作用，通常稱之為等電子陷阱等電子陷阱。n GaP中的中的NN在占據(jù)P的位置后，不會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)程作用的庫(kù)侖勢(shì)，但N和P的負(fù)電性有明顯的差異(分別為3.0和2.1)，因此N有較強(qiáng)的獲得電子的傾向有較強(qiáng)的獲得電子的傾向?；蛘邚牧硪唤嵌日f(shuō)，由于N和P電子結(jié)構(gòu)的差異，在N中心處存在對(duì)電子的短程作用勢(shì)。結(jié)果可以形成電子的束縛態(tài)(電子陷阱電子陷阱)。在GaP中，N能級(jí)在導(dǎo)帶以下約10meV。顯然這種雜質(zhì)不是施主，也不是典型的受主，但它能收容一個(gè)電子(起受主作用起受主作用）。2022-3-14392.2

25、2.2 族化合物中的雜質(zhì)能級(jí)族化合物中的雜質(zhì)能級(jí)是否周期表中同族元素均能形成等電子陷阱呢？ 只有當(dāng)摻入原子與基質(zhì)晶體原子在電負(fù)性、共價(jià)半徑方只有當(dāng)摻入原子與基質(zhì)晶體原子在電負(fù)性、共價(jià)半徑方面有較大差別時(shí)，才能形成等電子陷阱。一般說(shuō)，同族面有較大差別時(shí)，才能形成等電子陷阱。一般說(shuō)，同族元素原子序數(shù)越小，電負(fù)性越大，共價(jià)半徑越小。等電元素原子序數(shù)越小，電負(fù)性越大，共價(jià)半徑越小。等電子雜質(zhì)電負(fù)性子雜質(zhì)電負(fù)性(即小原子序數(shù)即小原子序數(shù))大于基質(zhì)晶體原子的電負(fù)大于基質(zhì)晶體原子的電負(fù)性時(shí)，取代后，它便能俘獲電子成為負(fù)電中心（性時(shí)，取代后，它便能俘獲電子成為負(fù)電中心（電子陷電子陷阱阱）。）。 反之，俘獲空穴

26、成為正電中心（反之，俘獲空穴成為正電中心（空穴陷阱空穴陷阱）。）。 存在形式 替位式（等電子雜質(zhì)） 復(fù)合體，如 Zn-O（等電子絡(luò)合物）2022-3-14402.2 2.2 族化合物中的雜質(zhì)能級(jí)族化合物中的雜質(zhì)能級(jí) 束縛激子等電子陷阱俘獲一種符號(hào)的載流子后，又因帶電等電子陷阱俘獲一種符號(hào)的載流子后，又因帶電中心的庫(kù)侖作用又俘獲另一種帶電符號(hào)的載流子，中心的庫(kù)侖作用又俘獲另一種帶電符號(hào)的載流子，這就是這就是束縛激子束縛激子。束縛激子在由間接禁帶半導(dǎo)體材料制造的發(fā)光束縛激子在由間接禁帶半導(dǎo)體材料制造的發(fā)光器件中起主要作用。器件中起主要作用。2022-3-14412.2 2.2 族化合物中的雜質(zhì)能級(jí)

27、族化合物中的雜質(zhì)能級(jí)2022-3-14422.2 2.2 族化合物中的雜質(zhì)能級(jí)族化合物中的雜質(zhì)能級(jí)2022-3-14432.3 缺陷、位錯(cuò)能級(jí)1. 點(diǎn)缺陷 點(diǎn)缺陷的種類：弗侖克耳缺陷：原子空位和間隙原子同時(shí)存在原子空位和間隙原子同時(shí)存在肖特基缺陷：晶體中只有晶格原子空位晶體中只有晶格原子空位反肖特基缺陷：只有間隙原子而無(wú)原子空位只有間隙原子而無(wú)原子空位點(diǎn)缺陷（熱缺陷）特點(diǎn) ：熱缺陷的數(shù)目隨溫度升高而增加熱缺陷的數(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）。熱缺陷中以肖特基缺陷為主（即原子空位為主）。淬火后可以淬火后可以“凍結(jié)凍結(jié)”高溫下形成的缺陷。高溫下形成的缺陷。退火后可以消除大部分缺陷。退火后可以消除大部分缺陷。2022-3-14442.3 缺陷、位錯(cuò)能級(jí)點(diǎn)缺陷對(duì)半導(dǎo)體性質(zhì)的影響： 1 1）缺陷處晶格畸變，周期性勢(shì)場(chǎng)被破壞，致使在）缺陷處晶格畸變，周期性勢(shì)場(chǎng)被破壞，致使在禁帶中產(chǎn)生能級(jí)。禁帶中產(chǎn)生能級(jí)。2 2）熱缺陷能級(jí)大多為深能級(jí)，在半導(dǎo)體中起復(fù)合）熱缺陷能級(jí)大多為深能級(jí)，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。中心作用，使非平衡載流子濃度和壽命降低。3 3）空位缺陷有利于雜質(zhì)擴(kuò)散）空位缺陷有利于雜質(zhì)擴(kuò)散4 4）對(duì)載流子有散射作用，使載流子遷移率和壽命）對(duì)載流子有散射作用，使載流子遷移率和壽命降低。降低