X年春季學(xué)期微電子器件基礎(chǔ)第二章

第二章半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷2.1鍺、硅半導(dǎo)體中的雜質(zhì)及能級(jí)2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)及能級(jí)2.3寬禁帶半導(dǎo)體中的雜質(zhì)及能級(jí)2.4缺陷、位錯(cuò)能級(jí)本章要點(diǎn)：

半導(dǎo)體中總是存在一定量的雜質(zhì)和缺陷

半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷有多種存在形式和性質(zhì)

雜質(zhì)和缺陷對(duì)半導(dǎo)體的性質(zhì)具有重要作用甚至決定作用

可以通過(guò)摻雜改變半導(dǎo)體的性質(zhì)定義：

雜質(zhì)

構(gòu)成半導(dǎo)體的基質(zhì)原子以外的其它原子

缺陷

偏離理想半導(dǎo)體周期結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiBSiA2.1.1雜質(zhì)的空間分布及其存在的狀態(tài)2.1硅、鍺半導(dǎo)體的雜質(zhì)間隙雜質(zhì)、替位雜質(zhì)替位雜質(zhì)間隙雜質(zhì)以硅晶體摻磷為例：2.1.2施主雜質(zhì)、施主能級(jí)P+磷原子4個(gè)價(jià)電子分別與周圍4個(gè)硅原子的1個(gè)價(jià)電子成共價(jià)鍵，剩余1個(gè)價(jià)電子被輕微束縛。束縛能很小，束縛電子容易被激發(fā)到硅導(dǎo)帶成為自由電子，磷原子成為正離子。

施主能級(jí)只能被任意自旋的一個(gè)電子占據(jù)，所以簡(jiǎn)并度為2。束縛電子束縛電子P+按類氫原子模型，束縛電子的能量、軌道半徑，E對(duì)基態(tài)電子，硅半導(dǎo)體中磷雜質(zhì)電離能計(jì)算施主電離能（基態(tài)電子脫離束縛所需能量），（eV）+束縛態(tài)磷離子--導(dǎo)帶底（半導(dǎo)體中自由電子的最低能量）電離+硅晶體中磷雜質(zhì)存在狀態(tài)的能帶圖表示--施主雜質(zhì)電離能——禁帶中央能級(jí)——施主能級(jí)導(dǎo)帶電子中和+施主正電荷中心---施主雜質(zhì)電離后形成的離子實(shí)施主雜質(zhì)電離---束縛電子被釋放的過(guò)程施主雜質(zhì)電離能---束縛電子成為導(dǎo)帶電子所需最小能量施主雜質(zhì)---釋放束縛電子、并成為不可動(dòng)正電荷中心的雜質(zhì)施主能級(jí)---束縛電子的基態(tài)能量施主束縛態(tài)（中性態(tài)）---施主雜質(zhì)未電離時(shí)的狀態(tài)施主離化態(tài)---施主雜質(zhì)電離后的狀態(tài)（不可動(dòng)、帶正電）N型半導(dǎo)體---以導(dǎo)帶電子導(dǎo)電為主的半導(dǎo)體施主雜質(zhì)濃度---單位體積中施主雜質(zhì)原子數(shù)深施主雜質(zhì)---施主能級(jí)離導(dǎo)帶底較遠(yuǎn)的施主雜質(zhì)淺施主雜質(zhì)---施主能級(jí)離導(dǎo)帶底較近的施主雜質(zhì)描述施主雜質(zhì)的術(shù)語(yǔ)淺施主、深施主雜質(zhì)的能帶圖淺施主雜質(zhì)深施主雜質(zhì)深施主雜質(zhì)束縛空穴以硅半導(dǎo)體摻硼為例：2.1.3受主雜質(zhì)、受主能級(jí)B-B-硼原子3個(gè)價(jià)電子分別與周圍3個(gè)硅原子的1個(gè)價(jià)電子成共價(jià)鍵，同時(shí)產(chǎn)生1個(gè)束縛空穴。束縛能很小，被束縛空穴容易脫離束縛在價(jià)帶自由運(yùn)動(dòng)，而硼原子變成負(fù)離子。

空穴可以在4個(gè)共價(jià)鍵位置上出現(xiàn)，所以受主能級(jí)的簡(jiǎn)并度為4。束縛空穴B-E硅半導(dǎo)體中硼雜質(zhì)電離能計(jì)算按類氫原子模型，束縛空穴的能量值，基態(tài)空穴能量，基態(tài)空穴脫離束縛所需能量（受主電離能），-束縛態(tài)硼離子空穴電離-硅半導(dǎo)體中中硼雜質(zhì)電電離狀態(tài)的的能帶表示示--價(jià)帶頂（自自由空穴的的最高能量量）--受主雜質(zhì)電電離能——禁帶中央能能級(jí)——受主能級(jí)中和受主負(fù)電荷荷中心---受主雜質(zhì)電電離后形成成的離子實(shí)實(shí)受主雜質(zhì)電電離---束縛空穴被被釋放的過(guò)過(guò)程受主雜質(zhì)電電離能---束縛空穴成成為價(jià)帶空空穴所需最最小能量受主雜質(zhì)---釋放束縛空空穴，并成成為不可動(dòng)動(dòng)負(fù)電荷中中心的雜質(zhì)質(zhì)受主能級(jí)---被束縛空穴穴的基態(tài)能能量受主束縛態(tài)態(tài)（中性態(tài)態(tài)）---受主雜質(zhì)未未電離時(shí)的的狀態(tài)受主離化態(tài)態(tài)---受主雜質(zhì)電電離后的狀狀態(tài)（不可可動(dòng)、帶負(fù)負(fù)電）P型半導(dǎo)體---以價(jià)帶空穴穴導(dǎo)電為主主的半導(dǎo)體體受主雜質(zhì)濃濃度---單位體積中中的受主雜雜質(zhì)原子數(shù)數(shù)深受主雜質(zhì)質(zhì)---受主能級(jí)離離價(jià)帶底較較遠(yuǎn)的施主主雜質(zhì)淺受主雜質(zhì)質(zhì)---受主能級(jí)離離價(jià)帶底較較近的施主主雜質(zhì)描述受主雜雜質(zhì)的術(shù)語(yǔ)語(yǔ)淺受主、深深受主雜質(zhì)質(zhì)的能帶圖圖表示深受主雜質(zhì)質(zhì)深受主雜質(zhì)質(zhì)淺受主雜質(zhì)質(zhì)例1、(2)施主弱束縛縛電子的基基態(tài)軌道半半徑，埃(1)施主雜質(zhì)電電離能，施主雜質(zhì)電電離能施主雜質(zhì)束束縛電子電電子軌道半半徑銻化銦禁禁帶寬度度0.18eV，相對(duì)介介電常數(shù)數(shù)17，電子有有效質(zhì)量量，，計(jì)算算：1、施主雜雜質(zhì)電離離能；2、束縛電電子基態(tài)態(tài)軌道半半徑；解、施主釋放放電子填填滿全部部受主能能級(jí)后，，余下的的電子發(fā)發(fā)射到導(dǎo)導(dǎo)帶。若若雜質(zhì)全全部電離離，半導(dǎo)導(dǎo)體有效雜質(zhì)質(zhì)濃度，A、弱補(bǔ)償償（N型半導(dǎo)體體）2.1.4雜質(zhì)補(bǔ)償償半導(dǎo)體體施主向受受主能級(jí)級(jí)發(fā)射電電子，填填充部分分受主能能級(jí)，剩剩余的受受主雜質(zhì)質(zhì)向價(jià)帶帶發(fā)射空空穴。若雜質(zhì)全全部電離離，有效雜質(zhì)質(zhì)濃度，（P型半導(dǎo)體體）B、弱補(bǔ)償償C、高度補(bǔ)補(bǔ)償施主釋放放的電子子基本全全部填充充受主能能級(jí)，導(dǎo)導(dǎo)帶電子子濃度和和價(jià)帶空空穴濃度度很低。。有效雜質(zhì)質(zhì)濃度，，（贗本征半導(dǎo)導(dǎo)體）利用雜質(zhì)質(zhì)補(bǔ)償，，選擇性性改變半半導(dǎo)體芯芯片局部部區(qū)域?qū)?dǎo)電類型型或?qū)щ婋娔芰?。。雜質(zhì)補(bǔ)償償原理的的應(yīng)用N型雜質(zhì)P-SiN型區(qū)高濃度P型區(qū)P-SiP-SiP-SiP型雜質(zhì)PN結(jié)歐姆接觸觸N型區(qū)P-SiPNP晶體管P-Si高度補(bǔ)償償區(qū)電阻硅半導(dǎo)體體中各種種雜質(zhì)能能級(jí)測(cè)量量結(jié)果+—施主能級(jí)級(jí)、-—受主能級(jí)級(jí)、？—還不確定定2.1.5多能級(jí)雜雜質(zhì)、雙雙性雜質(zhì)質(zhì)、雜質(zhì)質(zhì)自補(bǔ)償償Li+0.033Mg----0.110.250.550.17Te++0.14?++--Hg0.310.360.250.33參考：本本教材圖圖2-9或葉良修修“半導(dǎo)導(dǎo)體物理理”P84，圖2-37DopantTypeTetrahedralRadius(angstroms)MisfitFactorAcceptorLevel,distancefromvalenceband(eV)DonorLevel,distancefromconductionband(eV)Asn1.180-0.049Pn1.10.068-0.044Sbn1.360.153-0.039Alp1.260.0680.057-Bp0.880.2540.045-Gap1.260.0680.065-Ind1.440.220.16-Agd1.520.290.890.79Aud1.50.2720.570.76Cud1.28-0.24,0.37,0.52-Mod--0.3-Nid1.24-0.21,0.76-Od---0.16Ptd--0.42,0.920.85Tid--0.26-Znd--0.31,0.56-Fed1.26---Table1.SiliconImpuritiesandtheirProperties多能級(jí)雜雜質(zhì)雜質(zhì)多次次電離，，每次電電離相應(yīng)應(yīng)一個(gè)能能級(jí)，稱稱為多能能級(jí)雜質(zhì)質(zhì)。同種雜質(zhì)質(zhì)在同一一半導(dǎo)體體中，既既可呈施施主性，，又可呈呈受主性性。雙性雜質(zhì)質(zhì)例、0.040.040.200.150.540.35金在鍺半半導(dǎo)體中中的能級(jí)級(jí)金在硅半半導(dǎo)體中中的能級(jí)級(jí)例、金在在硅、鍺鍺半導(dǎo)體體中的多多能級(jí)、、深能級(jí)級(jí)中性態(tài)在鍺晶體體中，金金以替位位方式存存在，有有5種荷電狀狀態(tài)和對(duì)對(duì)應(yīng)能級(jí)級(jí)，AuGe金在鍺晶晶格格點(diǎn)點(diǎn)價(jià)電子6s1金原子2.2ⅢⅢ-ⅤⅤ族化合物物半導(dǎo)體體的雜質(zhì)質(zhì)2.2.1雜質(zhì)原子子的空間間位置Ⅲ族或V族原子雜質(zhì)原子子替位式間隙式Ⅲ族或V族原子T2.2.2砷化鎵中中雜質(zhì)及及其能級(jí)級(jí)狀態(tài)鋰銅銀金鈹鎂鋅鎘鉻碳硅鍺錫鉛錳鐵鈷鎳釩碲硒硫A、I族元素I族元素一一般在砷砷化鎵中中起受主主作用。。銀--替位，受主主能級(jí)（EV+0.11）eV、（EV+0.238）eV；金--替位，受主主能級(jí)（EV+0.09）eV；銅--替位，受主主能級(jí)（EV+0.14）eV、（EV+0.44）eV；--替位銅原子子對(duì)Cu-Cu，受主能級(jí)級(jí)（EV+0.24）eV；--間隙，施主主能級(jí)（EC-0.07）eV；鋰--間隙，受主主能級(jí)（EV+0.023）eV；鈉--施主，遷移移率高、不不穩(wěn)定，不不能作為摻摻雜劑；B、Ⅱ族元素鈹、鎂、鋅鋅、鎘比鎵原子少1個(gè)價(jià)電子，，替位取代代鎵原子，獲得得一個(gè)電子子形成共價(jià)價(jià)鍵，產(chǎn)生生4個(gè)淺受主能能級(jí)：（EV+0.030）eV（EV+0.030）eV（EV+0.024）eV（EV+0.021）eVC、III族元素、V族元素等電子雜質(zhì)質(zhì)、等電子子陷阱雜質(zhì)原子替替代同族原原子，稱為為等電子雜質(zhì)質(zhì)。若雜質(zhì)原子子負(fù)電性大大于被替代代原子，能能俘獲電子子形成負(fù)電電中心；若雜質(zhì)原子子負(fù)電性小小于被替代代原子，能能俘獲空穴穴形成正電電中心；等電子雜質(zhì)質(zhì)形成的帶帶電中心稱稱為等電子陷阱阱。例：磷化鎵鎵GaP摻NPGaGaGaGaN取代Ｐ后,能捕獲電子子成負(fù)電中中心，被捕捕獲電子的的電離能0.008eV0.008N原子價(jià)電子子組態(tài)2s2２p3,負(fù)電性3.0P原子價(jià)電子子組態(tài)3s23p3,負(fù)電性2.1等電子陷阱阱俘獲一種種載流子成成為帶電中中心后，又又俘獲另一一種電荷符符號(hào)相反的的載流子，，形成束縛激子。例、磷化鎵鎵的等電子子絡(luò)合物束縛激子等電子絡(luò)合合物O替代ＰZn替代Ga負(fù)電性：P=2.1，O=3.5，Zn=1.6，Ga=1.62價(jià)Zn、6價(jià)O原子處于相相鄰格點(diǎn)時(shí)時(shí)，結(jié)合更更緊密，Zn-O絡(luò)合物俘獲獲電子帶負(fù)負(fù)電，稱為為等電子絡(luò)絡(luò)合物。PGaGaGaGaD、IV族元素碳、、硅、鍺、、錫、鉛①IV族原子替位位III族起施主作作用,IV族原子替位位V族原子起受受主作用，，產(chǎn)生雙性性多能級(jí)。。GaSiAs例、GaGaEC-0.002eV--淺施主，SiGaEV+0.03eV--淺受主，SiAsGa砷化鎵摻硅硅濃度1018cm-3時(shí)，部分硅硅原子替代代鎵起淺施施主作用，，部分硅原原子替代砷砷起淺受主主作用。導(dǎo)導(dǎo)帶電子濃濃度趨于飽飽和，不隨隨硅雜質(zhì)濃濃度增加而而增加，形形成自補(bǔ)償償。101810191020砷化鎵中中硅原子子濃度導(dǎo)帶電子子濃度101710181019②自補(bǔ)償工業(yè)上，，采用硅硅、鍺、、錫作為為砷化鎵鎵摻雜劑劑獲得N型砷化鎵鎵。EV+0.10eV--(SiGa–SiAs)或(SiGa-VGa)絡(luò)合物EC-0.002eV--淺施主，，SiGaEV+0.22eV--砷-空位絡(luò)合合物EV+0.03eV--淺受主，，SiAs③SiGa–SiAs絡(luò)合物、、SiGa-VGa絡(luò)合物、、As-空位絡(luò)合合物AsGaSiGaVGaGaSiGa–SiAs絡(luò)合物GaSiGaSiAsGaGaSiGa-VGa絡(luò)合物AsGaVGaGaGa砷-空位絡(luò)合合物VI族原子替替代V族原子，，比V族原子多多的一個(gè)個(gè)價(jià)電子子容易失失去，產(chǎn)產(chǎn)生施主主能級(jí)。。摻碲或硒獲得N型砷化鎵鎵。p型砷化鎵鎵摻氧獲得電阻阻率107Ωcm的半絕緣緣砷化鎵鎵。E、VI族元素氧氧、硫、、硒、碲碲釩產(chǎn)生深施施主能級(jí)級(jí)（EC-0.22）eV，鉻、錳、、鐵、鈷鈷、鎳分別產(chǎn)生生受主能能級(jí)（EV+0.79）eV、（EV+0.095）eV、（EV+0.52）eV、（EV+0.16）eV、（EV+0.21）eV。N型砷化鎵鎵摻鉻制得電阻阻率107Ωcm的半絕緣緣砷化鎵鎵。F、過(guò)渡族元元素釩、、鉻、錳錳、鐵、、鈷、鎳鎳過(guò)渡族元元素--d、f殼層部分分填充電電子的元元素2.3寬禁帶半半導(dǎo)體GaN、AlN、SiC中的雜質(zhì)質(zhì)及雜質(zhì)質(zhì)能級(jí)雜質(zhì)或缺陷鎵位氮位性質(zhì)Si0.012-0.02DVN(氮空位）0.03;0.1DC0.11-0.14DMg0.26;0.6DVGa(鎵空位）0.14AMg0.14-0.21ASi0.19AZn0.21-0.34AHg0.41ACd0.55ABe0.7AC0.89Li0.75A表2-4纖鋅礦型型GaN雜質(zhì)能級(jí)級(jí)(eV)圖2-14纖鋅礦型型AlN雜質(zhì)能級(jí)級(jí)(eV)導(dǎo)帶價(jià)帶0123456--氮空位--碳替代鋁鋁--鋁替代氮氮雜質(zhì)6H-SiC4H-SiC3C-SiCN0.081(D)0.052(D)0.06-0.1(D)0.138(D)0.092(D)0.142(D)Al0.23(A)0.23(A)0.26(A)0.1-0.27(A)B0.35(A)0.29(A)0.735(A)Ga0.29(A)0.3(A)0.343(A)Sc0.52-0.55(A)Ti0.6(A)0.12(D)(Ti-N對(duì)）0.16(D)Cr0.54(D)0.15(D)0.18(D)0.74(D)表2-53C-SiC、4H-SiC、6H-SiC的雜質(zhì)能能級(jí)(eV)雜質(zhì)6H-SiC4H-SiC3C-SiCV0.7(D)0.97(D)0.66(D)1.6(A)0.092(D)Be0.32-0.42(A)0.23(A)0.26(A)P0.085(D)0.135(D)熱漲落使使部分格格點(diǎn)原子子克服勢(shì)勢(shì)壘，遷遷移到晶晶體表面面格點(diǎn)，，形成空空位。一定溫度度下空位位濃度，，肖特基缺缺陷勢(shì)壘V2.4半導(dǎo)體的的本征點(diǎn)點(diǎn)缺陷、、線缺陷陷及其性性質(zhì)2.4.1半導(dǎo)體的的本征點(diǎn)點(diǎn)缺陷--晶格原子子濃度格點(diǎn)原子子脫離格格點(diǎn)進(jìn)入入間隙，，形成間間隙原子子和空位位。一定溫度度下，弗侖克耳耳缺陷濃濃度，弗侖克耳耳缺陷V勢(shì)壘—晶格間隙隙濃度—晶格空位位濃度空位最近近鄰4個(gè)硅原子子各有１１個(gè)不成成鍵電子子，能接接受電子子，起受受主作用用。間隙硅原原子的4個(gè)價(jià)電子子可以失失去，起起施主作作用。SiSiSiSiSiSiSiSi空位位硅、、鍺鍺半半導(dǎo)導(dǎo)體體的的本本征征點(diǎn)點(diǎn)缺缺陷陷及及其其性性質(zhì)質(zhì)性質(zhì)質(zhì)：：①正離離子子空空位位帶帶負(fù)負(fù)電電(受主主性性）），，負(fù)負(fù)離離子子空空位位帶帶正正電電（（施施主主性性））②負(fù)電電性性小小的的間間隙隙原原子子是是施施主主，，負(fù)負(fù)電電性性大大的的間間隙隙原原子子是是受受主主③負(fù)電電性性小小的的原原子子偏偏多多產(chǎn)產(chǎn)生生負(fù)負(fù)離離子子空空位位，，負(fù)負(fù)電電性性大大的的原原子子偏偏多多產(chǎn)生生正正離離子子空空位位化合合物物半半導(dǎo)導(dǎo)體體的的本本征征點(diǎn)點(diǎn)缺缺陷陷及及其其性性質(zhì)質(zhì)例1、A+B-型離離子子晶晶體體本本征征點(diǎn)點(diǎn)缺缺陷陷-+-+-++---+-+-+++-+--+-+-+-+負(fù)離離子子空空位位（帶帶正正電電））正離離子子空空位位（（帶帶負(fù)負(fù)電電））+間隙隙正正離離子子（帶帶正正電電））-間隙隙負(fù)負(fù)離離子子（（帶帶負(fù)負(fù)電電））例1、在硫硫分分壓壓大大的的氣氣氛氛中中處處理理硫硫化化鉛鉛，，產(chǎn)產(chǎn)生生鉛鉛空空位位獲獲得得P型硫硫化化鉛鉛；；在鉛鉛分分壓壓大大的的氣氣氛氛中中處處理理硫硫化化鉛鉛，，產(chǎn)產(chǎn)生生硫硫空空位位獲獲得得N型硫硫化化鉛鉛；；通過(guò)過(guò)控控制制成成分分及及其其比比例例改改變變化化合合物物半半導(dǎo)導(dǎo)體體的的導(dǎo)導(dǎo)電電類類型型例2、在真真空空中中對(duì)對(duì)氧氧化化鋅鋅進(jìn)進(jìn)行行脫脫氧氧處處理理，，產(chǎn)產(chǎn)生生氧氧空空位位獲獲得得N型氧氧化化鋅鋅；；負(fù)電電性性：：硫—2.58鉛—2.33負(fù)電電性性：：氧—3.5鋅—1.65AsAsAsGaAsGaAsGaGaGaGaGa砷化化鎵鎵半半導(dǎo)導(dǎo)體體的的本本征征點(diǎn)點(diǎn)缺缺陷陷及及其其性性質(zhì)質(zhì)GaGaGaAsAsGaAsAsAsAsGaGaVGaVAs砷空空位位---產(chǎn)生生1個(gè)受受主主能能級(jí)級(jí)：：（（EV+0.12）eV鎵空空位位—產(chǎn)生生2個(gè)受受主主能能級(jí)級(jí)：：(EV+0.01)、(EV+0.18)eV鎵偏偏多多或或砷砷偏偏多多，，容容易易形形成成砷砷空空位位或或鎵鎵空空位位As負(fù)電電性性：：Ga=1.5，As=2.0XXXXMXMVMMMXMXMMXMMMXXMMVXM--負(fù)電電性性小小的的原原子子X(jué)--負(fù)電電性性大大的的原原子子VM--正離離子子空空位位VX--負(fù)離離子子空空位位離子子半半導(dǎo)導(dǎo)體體（（硫硫化化物物、、硒硒化化物物、、氧氧化化物物））的的本本征征點(diǎn)點(diǎn)缺缺陷陷XMX強(qiáng)離離子子性性化化合合物物半半導(dǎo)導(dǎo)體體庫(kù)庫(kù)侖侖排排斥斥力力大大，，形形成成替替位位原原子子需需較較大大能能量量，，反反結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)缺缺陷陷少少。。BBSiSiABABSiSiSiSiSiSiGaGaGaGaBAABAAABABABABBAA--價(jià)電子少的原原子B--價(jià)電子多的原原子AB--A替代BBA--B替代A反結(jié)構(gòu)缺陷（（替位原子））AB--受主，BA--施主AB中性受主施主位錯(cuò)原子與周周圍3個(gè)原子形成共共價(jià)鍵，1個(gè)不成對(duì)電子子形成不飽和和共價(jià)鍵。位錯(cuò)原子與周周圍3個(gè)