半導(dǎo)體物理第2章

第2章半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級要求掌握鍺、硅晶體中的雜質(zhì)能級，Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體的雜質(zhì)能級。理解點(diǎn)缺陷。雜質(zhì)(impurity)：在半導(dǎo)體晶體中引入的新的原子或離子缺陷(defect)：晶體按周期性排列的結(jié)構(gòu)受到破壞

實(shí)際半導(dǎo)體晶體理想半導(dǎo)體晶體在平衡位置附近振動(dòng)原子靜止在格點(diǎn)位置上純凈的含有雜質(zhì)晶格結(jié)構(gòu)完整無缺存在著各種缺陷實(shí)際晶體與理想晶體的區(qū)別Si能夠得到廣泛應(yīng)用的重要原因：對其雜質(zhì)實(shí)現(xiàn)可控操作，從而實(shí)現(xiàn)對半導(dǎo)體性能的精確控制雜質(zhì)主要來源：無意摻入：制備半導(dǎo)體的原材料純度不夠，加工工藝有意摻入：為了控制半導(dǎo)體的某些性質(zhì)，人為摻入某種原子。摻雜工藝在單晶生長過程中摻入雜質(zhì)在高溫下通過雜質(zhì)擴(kuò)散的工藝摻入雜質(zhì)離子注入雜質(zhì)在薄膜外延工藝過程中摻入雜質(zhì)用合金工藝將雜質(zhì)摻入半導(dǎo)體中——為控制半導(dǎo)體的性質(zhì)，人為摻入雜質(zhì)的工藝過程雜質(zhì)濃度：單位體積中雜質(zhì)原子數(shù)

DiffusionProcess

IonImplantation摻雜濃度

(施主雜質(zhì)ND，受主雜質(zhì)NA)摻雜濃度：單位體積中摻入雜質(zhì)的數(shù)目。1014~1020cm－3硅晶體中：5x1022cm－3個(gè)原子請估算雜質(zhì)原子與Si原子的比例。為什么極微量的雜質(zhì)和缺陷，能夠?qū)Π雽?dǎo)體材料的物理、化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生決定性影響？ 雜質(zhì)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)（即能級），從而對半導(dǎo)體的性質(zhì)產(chǎn)生決定性影響。雜質(zhì)、缺陷能級位于禁帶之中雜質(zhì)、缺陷能級Ec

Ev2.1.1替位式雜質(zhì)、間隙式雜質(zhì)替位式雜質(zhì):取代晶格原子雜質(zhì)原子的大小與晶體原子相似III、V族元素在硅、鍺中均為替位式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì):位于晶格原子間隙位置雜質(zhì)原子小于晶體原子雜質(zhì)濃度：單位體積內(nèi)的雜質(zhì)原子數(shù)2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級元素周期表2.1.2施主雜質(zhì)、施主能級施主雜質(zhì)V族元素在硅、鍺中電離時(shí)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)。施主電離施主雜質(zhì)釋放電子的過程。施主能級被施主雜質(zhì)束縛的電子的能量狀態(tài)，記為ED，施主電離能量為ΔED。n型半導(dǎo)體依靠導(dǎo)帶電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖本征半導(dǎo)體：純凈的、不含其它雜質(zhì)的半導(dǎo)體。

N型半導(dǎo)體

晶體雜質(zhì)

PAsSbSi0.0440.0490.039

Ge0.01260.01270.0096施主雜質(zhì)的電離能小，在常溫下基本上電離。Si、Ge中Ⅴ族雜質(zhì)的電離能△ED（eV）2.1.3受主雜質(zhì)、受主能級受主雜質(zhì)III族元素在硅、鍺中電離時(shí)能夠接受電子而產(chǎn)生導(dǎo)電空穴并形成負(fù)電中心，稱此類雜質(zhì)為受主雜質(zhì)或p型雜質(zhì)。受主電離受主雜質(zhì)釋放空穴的過程。受主能級被受主雜質(zhì)束縛的空穴的能量狀態(tài)，記為EA。受主電離能量為ΔEAp型半導(dǎo)體依靠價(jià)帶空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體受主雜質(zhì)的電離能小，在常溫下基本上電離。

Si、Ge中Ⅲ族雜質(zhì)的電離能△EA（eV）

晶體雜質(zhì)

BAlGaInSi0.0450.0570.0650.16

Ge0.010.010.0110.011雜質(zhì)半導(dǎo)體的簡化表示法淺能級雜質(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(jià)帶頂。室溫下，摻雜濃度不很高的情況下，淺能級雜質(zhì)幾乎可以全部電離。五價(jià)元素磷（P）、銻在硅、鍺中是淺施主雜質(zhì)三價(jià)元素硼（B）、鋁、鎵、銦在硅、鍺中為淺受主雜質(zhì)。淺能級雜質(zhì)電離能比禁帶寬度小得多，雜質(zhì)種類對半導(dǎo)體的導(dǎo)電性影響很大。在N型半導(dǎo)體中，電子濃度大于空穴濃度，電子稱為多數(shù)載流子，空穴稱為少數(shù)載流子。在P型半導(dǎo)體中，空穴濃度大于電子濃度，空穴稱為多數(shù)載流子，電子稱為少數(shù)載流子。施主雜質(zhì)與受主雜質(zhì)比較

1）雜質(zhì)的帶電性?未電離：?電離后：2）雜質(zhì)能級的電子占據(jù)?未電離：?電離后：3）對載流子數(shù)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(fù)電施主能級滿，受主能級空施主能級空，受主能級滿電子數(shù)大于空穴數(shù)電子數(shù)小于空穴數(shù)2.1.4淺能級雜質(zhì)電離能簡單計(jì)算類氫模型氫原子中電子能量n=1,2,3……，為主量子數(shù)，當(dāng)n=1和無窮時(shí)氫原子基態(tài)電子的電離能考慮到

1、正、負(fù)電荷處于介電常數(shù)ε=ε0εr的介質(zhì)中

2、電子不在空間運(yùn)動(dòng)，而是處于晶格周期性勢場中運(yùn)動(dòng)施主雜質(zhì)電離能受主雜質(zhì)電離能估算結(jié)果與實(shí)際測量值有相同數(shù)量級Ge：△ED

～0.0064eVSi:△ED

～0.025eV2.1.5雜質(zhì)的補(bǔ)償作用假如半導(dǎo)體中，同時(shí)存在著施主和受主雜質(zhì)，半導(dǎo)體是n型還是p型呢？這要看哪一種雜質(zhì)濃度大，因?yàn)槭┲骱褪苤麟s質(zhì)之間有互相抵消的作用通常稱為雜質(zhì)的補(bǔ)償作用雜質(zhì)的補(bǔ)償作用雜質(zhì)的補(bǔ)償作用當(dāng)ND>NA時(shí)

ND-NA為有效施主濃度當(dāng)ND<NA時(shí)

NA-ND為有效受主濃度當(dāng)ND>>NA時(shí)

n=ND-NA≈

ND，半導(dǎo)體是n型的當(dāng)ND<<NA時(shí)

p=NA-ND≈

NA，半導(dǎo)體是p型的當(dāng)ND≈NA時(shí)雜質(zhì)的高度補(bǔ)償有效雜質(zhì)濃度補(bǔ)償后半導(dǎo)體中的凈雜質(zhì)濃度。雜質(zhì)的補(bǔ)償作用的應(yīng)用利用雜質(zhì)的補(bǔ)償作用，根據(jù)擴(kuò)散或離子注入的方法來改變半導(dǎo)體某一區(qū)域的導(dǎo)電類型，制成各種器件。在一塊n型半導(dǎo)體基片的一側(cè)摻入較高濃度的受主雜質(zhì)，由于雜質(zhì)的補(bǔ)償作用，該區(qū)就成為ｐ型半導(dǎo)體。

2.1.6深能級雜質(zhì)非III、V族元素在硅、鍺的禁帶中產(chǎn)生的施主能級距離導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂較遠(yuǎn)，形成深能級，稱為深能級雜質(zhì)。特點(diǎn)不容易電離，對載流子濃度影響不大深能級雜質(zhì)能夠產(chǎn)生多次電離，每次電離均對應(yīng)一個(gè)能級。能起到復(fù)合中心作用，使少數(shù)載流子壽命降低

2.2III-V族化合物中的雜質(zhì)能級III族元素：硼(B)、鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In)、鉈(Tl)V族元素：氮(N)、磷(P)、砷(As)、銻(Sb)、鉍(Bi)和硅、鍺晶體一樣，當(dāng)雜質(zhì)進(jìn)入III-V族化合物后，或者是處于晶格原子間隙中的間隙式雜質(zhì)，或者成為取代晶格原子的替位式雜質(zhì)，不過具體情況比硅、鍺更復(fù)雜。1、I族元素一般在砷化鎵中引入受主能級。如：鋰。2、II族元素如：鈹、鎂、鋅、鎘、汞。它們的價(jià)電子比III族元素少一個(gè)，有獲得一個(gè)電子形成共價(jià)鍵的傾向，表現(xiàn)為受主雜質(zhì)，引入淺受主能級。常用摻鋅或鎘以獲得III-V族化合物的p型材料。3、III、V族元素（1）等電子雜質(zhì)特征：

a、與基體原子同族另外原子如：III硼、鋁V磷、銻。

b、以替位形式存在于晶體中（2）等電子陷阱等電子雜質(zhì)（如N或Bi

）占據(jù)本征原子位置（如GaP中的P位置）后，由于原子序數(shù)的變化，原子的半徑和電負(fù)性有差別，因而它們能俘獲某種載流子而成為帶電中心。這個(gè)帶電中心就稱為等電子陷阱（電子陷阱或空穴陷阱）。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)半徑方面具有較大差別時(shí)，才能形成等電子陷阱。一般來說，同族元素原子序數(shù)越小，電負(fù)性越大，共價(jià)半徑越小。等電子雜質(zhì)電負(fù)性大于基質(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；反之，它能俘獲空穴成為正電中心。GaPN(共價(jià)半徑和電負(fù)性分別為0.070nm和3.0)P(磷的共價(jià)半徑和電負(fù)性分別為0.11nm和2.1)Bi(共價(jià)半徑和電負(fù)性分別為0.146nm和1.9)ED＝0.008eVEA＝0.038eV正電中心，空穴陷阱負(fù)電中心，電子陷阱例：等電子陷阱（3）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。這種束縛激子在由間接帶隙半導(dǎo)體材料制造的發(fā)光器件中起主要作用。4、IV族元素碳、硅、鍺、錫、鉛當(dāng)取代III族原子則起施主雜質(zhì)作用，當(dāng)取代V族原子則起受主作用。IV族元素還可以雜亂地分布在III族原子和V族原子的格點(diǎn)上，這時(shí)雜質(zhì)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(shí)的外界條件有關(guān)。兩性雜質(zhì)兩性雜質(zhì)是指在半導(dǎo)體中既可作施主又可作受主的雜質(zhì)。如Ⅲ-Ⅴ族GaAs中摻Ⅳ族Si。如果Si替位Ⅲ族Ga，則Si為施主；如果Si替位Ⅴ族As，則Si為受主。所摻入的雜質(zhì)具體是起施主還是受主與工藝有關(guān)。5、VI族元素氧、硫、硒、碲與V族元素性質(zhì)相近，常取代V族原子。因?yàn)樗鼈儽萔族元素多一個(gè)價(jià)電子而且容易失去，所以表現(xiàn)為施主雜質(zhì)，并引入施主能級。2.4缺陷能級缺陷的種類：點(diǎn)缺陷：空位、間隙原子等線缺陷：位錯(cuò)等面缺陷：層錯(cuò)、晶粒間界等在半導(dǎo)體晶體中的作用：受主施主深能級點(diǎn)缺陷的種類：2.4.1點(diǎn)缺陷熱缺陷偏離化學(xué)比缺陷替位原子

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弗侖克耳缺陷：原子空位和間隙原子同時(shí)存在熱缺陷：由于原子熱運(yùn)動(dòng)所形成的缺陷A、空位B、填隙原子SiSiSiSiSiSiSiSiSiSi熱缺陷特點(diǎn)：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(diǎn)缺陷中形成肖特基缺陷需要的能量最小。（可參閱葉良修《半導(dǎo)體物理學(xué)》p24和p94）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(kuò)散）后的晶片一般都需要進(jìn)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(qiáng)化合物的半導(dǎo)體，由于組成晶體的元素偏離正?；瘜W(xué)比而形成的缺陷。偏離化學(xué)比缺陷：ABABABABBABABABABABABABABAABABABABAB(如PbS,ZnO)VAVB替位式原子（反結(jié)構(gòu)缺陷）例如二元化合物AB中，替位原子可以有兩種，A取代B的稱為AB，B取代A的稱為BA。一般認(rèn)為AB是受主，BA是施主。因?yàn)锽的價(jià)電子比A的多，B取代A后，有把多余的價(jià)電子施放給導(dǎo)帶的趨勢；相反，A取代B后則有接受電子的傾向。例如在砷化鎵中，砷取代鎵原子為AsGa，起施主作用，而鎵取代砷原子為GaAs，起受主作用。這種點(diǎn)缺陷也稱為反結(jié)構(gòu)缺陷。ABABABABBBABABABABABABABABAAABABABABBAAB點(diǎn)缺陷對半導(dǎo)體性質(zhì)的影響：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。很多熱缺陷能級為深能級，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?？瘴蝗毕萦欣陔s質(zhì)擴(kuò)散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(zhì)？它們電離后有何特點(diǎn)？解：淺能級雜質(zhì)是指其雜質(zhì)電離能遠(yuǎn)小于本征半導(dǎo)體的禁帶寬度的雜質(zhì)。它們電離后將成為帶正電（電離施主）或帶負(fù)電（電離受主）的離子，并同時(shí)向?qū)峁╇娮踊蛳騼r(jià)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征？試舉例說明之。解：半導(dǎo)體中摻入雜質(zhì)，雜質(zhì)電離后將成為帶正電離子，并同時(shí)向?qū)峁╇娮樱@種雜質(zhì)就叫施主。施主向?qū)峁╇娮?，成為帶正電離子的過程就叫施主電離。施主電離前不帶電，電離后帶正電。例如，在Si中摻P，P為Ⅴ族元素，本征半導(dǎo)體Si為Ⅳ族元素，P摻入Si中后