第二章半導體中雜質(zhì)和缺陷能級

§2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級學習重點：沈陽工業(yè)大學電子科學與技術(shù)系淺能級雜質(zhì)、深能級雜質(zhì)雜質(zhì)補償當前1頁，總共28頁。1、雜質(zhì)與雜質(zhì)能級（1）雜質(zhì)半導體中存在的與本體元素不同的其它元素。（2）雜質(zhì)來源無意摻入有意摻入（3）雜質(zhì)在半導體中的分布狀況替位式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì)雜質(zhì)出現(xiàn)在半導體中時，產(chǎn)生的附加勢場使嚴格的周期性勢場遭到破壞。當前2頁，總共28頁。（4）雜質(zhì)能級雜質(zhì)引起的電子能級稱為雜質(zhì)能級。通常位于禁帶之中的雜質(zhì)能級對半導體性能有顯著影響。EgECEV雜質(zhì)能級當前3頁，總共28頁。2、施主能級雜質(zhì)電離后能夠施放電子而產(chǎn)生自由電子并形成正電中心（正離子）。這種雜質(zhì)稱為施主雜質(zhì)。以硅為例：在硅單晶中摻入磷（P）等V族元素。電離施主導帶電子硅原子（1）施主雜質(zhì)當前4頁，總共28頁。在Si單晶中，V族施主替位雜質(zhì)的兩種荷電狀態(tài)的價鍵

(a)電離態(tài)(b)中性施主態(tài)當前5頁，總共28頁。施主能級（2）施主電離施主未電離時，在飽和共價鍵外還有一個電子被施主雜質(zhì)所束縛，該束縛態(tài)所對應的能級稱為施主能級。特征：

①施主雜質(zhì)電離，導帶中出現(xiàn)

施主提供的導電電子；

②電子濃度大于空穴濃度，

即n>p。摻入施主的半導體以電子導電為主，被稱為n型半導體ECEV當前6頁，總共28頁。施主電離能△ED=EC-EDEgECEV施主能級ED△ED=EC-EDSi、Ge中V族雜質(zhì)的電離能晶體雜質(zhì)磷P砷As銻Sb硅Si鍺Ge0.0440.01260.0490.01270.0390.0096當前7頁，總共28頁。施主電離過程示意圖施主雜質(zhì)電離的結(jié)果：導帶中的電子數(shù)增加了，這就是摻施主雜質(zhì)的意義所在。當前8頁，總共28頁。3、受主能級束縛在雜質(zhì)能級上的空穴被激發(fā)到價帶EV，成為價帶空穴，該雜質(zhì)電離后成為負電中心（負離子）。這種雜質(zhì)稱為受主雜質(zhì)。或定義為：能夠向半導體提供空穴并形成負電中心的雜質(zhì)。以硅為例：在硅單晶中摻入硼（B）等III族元素。電離受主價帶空穴硅原子（1）受主雜質(zhì)當前9頁，總共28頁。在Si單晶中，III族受主替位雜質(zhì)的兩種荷電狀態(tài)的價鍵

(a)電離態(tài)(b)中性受主態(tài)當前10頁，總共28頁。受主能級（2）受主電離受主雜質(zhì)電離后所接受的電子被束縛在原來的空狀態(tài)上，該束縛態(tài)所對應的能級稱為受主能級。特征：

①受主雜質(zhì)電離，價帶中出現(xiàn)

受主提供的導電空穴；

②空穴濃度大于電子濃度，

即p>n。摻入受主雜質(zhì)的半導體以空穴導電為主被稱為p型半導體ECEV當前11頁，總共28頁。受主電離能△EA=EA-EVEgECEV受主能級EASi、Ge中Ⅲ族雜質(zhì)的電離能晶體雜質(zhì)硼B(yǎng)鋁Al銦In硅Si鍺Ge△EA=EA-EV鎵Ga0.0450.0570.0650.1600.010.010.0110.011當前12頁，總共28頁。受主電離過程示意圖受主雜質(zhì)電離的結(jié)果：價帶中的空穴數(shù)增加了，這就是摻受主雜質(zhì)的意義所在。當前13頁，總共28頁。4、淺能級雜質(zhì)（1）淺能級雜質(zhì)的特點一般是替位式雜質(zhì)施主電離能△ED遠小于禁帶寬度△Eg，通常為V族元素。受主電離能△EA遠小于禁帶寬度△Eg。通常為III族元素。當前14頁，總共28頁。（2）淺能級雜質(zhì)的作用改變半導體的電阻率；決定半導體的導電類型。（3）控制雜質(zhì)濃度的方法在單晶生長過程中摻入雜質(zhì)在高溫下通過雜質(zhì)擴散的工藝摻入雜質(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)摻入半導體中當前15頁，總共28頁。5、淺能級雜質(zhì)電離能的簡單計算氫原子滿足：解得電子能量：氫原子基態(tài)能量：氫原子自由態(tài)能量：故基態(tài)電子的電離能：（1）氫原子基態(tài)電子的電離能n=1,2,3,……當前16頁，總共28頁。（2）用類氫原子模型估算淺能級雜質(zhì)的電離能淺能級雜質(zhì)=雜質(zhì)離子+束縛電子（或空穴）當前17頁，總共28頁。正、負電荷所處介質(zhì)的介電常數(shù)為：電勢能：施主電離能：受主電離能：（mn*和mp*分別為電導有效質(zhì)量）(3)(4)估算結(jié)果與實際測量值有誤差，但數(shù)量級相同。這種估算有優(yōu)點，也有缺點。Ge：△ED~0.0064eVSi：△ED~0.025eV當前18頁，總共28頁。6、雜質(zhì)補償半導體中同時存在施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)時，受主雜質(zhì)會接受施主雜質(zhì)的電子，導致兩者提供載流子的能力相互抵消，這種作用稱為雜質(zhì)補償。在制造半導體器件的過程中，通過采用雜質(zhì)補償?shù)姆椒▉砀淖儼雽w某個區(qū)域的導電類型或電阻率。高度補償：若施主雜質(zhì)濃度與受主雜質(zhì)濃度相差很小或二者相等，則不能提供電子或空穴，此時半導體的導電能力與本征半導體相當，這種情況稱為雜質(zhì)的高度補償。當前19頁，總共28頁。ND>NA時：n型半導體因EA在ED之下，ED上的束縛電子首先填充EA上的空位，即施主與受主先相互“抵消”，剩余的束縛電子再電離到導帶上。有效施主濃度：ND*=ND-NA當前20頁，總共28頁。NA>ND時：p型半導體因EA在ED之下，ED上的束縛電子首先填充EA上的空位，即施主與受主先相互“抵消”，剩余的束縛空穴再電離到價帶上。有效受主濃度：NA*=NA-ND當前21頁，總共28頁。NA≌ND時：雜質(zhì)高度補償ECEDEAEVEg本征激發(fā)的價帶空穴本征激發(fā)的導帶電子高度補償：若施主雜質(zhì)濃度與受主雜質(zhì)嘗試相差不大或二

者相等，則不能提供電子或空穴，這種情況稱

為雜質(zhì)的高度補償。當前22頁，總共28頁。7、深能級雜質(zhì)EgECEVED△ED

EA△EAEgECEVED△ED

EA△EA淺能級雜質(zhì)深能級雜質(zhì)△ED<<Eg△EA<<Eg△ED≤Eg△EA≤Eg當前23頁，總共28頁。例1：Au（I族）在Ge中Au在Ge中共有五種可能的狀態(tài)：①Au0②Au+③Au一④Au二;⑤Au三②Au+：Au

0–e→Au+①Au

0：電中性態(tài)③Au一：Au0+e→Au一④Au二：Au一+e→Au二⑤Au三：Au二+e→Au三EgECEVED0.04eVEgECEVED0.04eV0.15eVEAEgED0.04eV0.15eVEA10.20eVEA2ECEVEgED0.04eV0.15eVEA1EA2EA3ECEV當前24頁，總共28頁。例2：Au（I族）在Si中ECEVED0.35eVEA0.54eV當前25頁，總共28頁。在化合物半導體中，某種雜質(zhì)在其中既可以作施主又可以作受主，這種雜質(zhì)稱為兩性雜質(zhì)。例如：GaAs中摻Si（IV族）SiGa施主SiAs受主與元素半導體情況相類似。但IV族元素具有雙性行為，而III-V族雜質(zhì)一般表現(xiàn)為中性。兩性雜質(zhì)§2.2III-V族化合物中的雜質(zhì)能級當前26頁，總共28頁?！?.3缺陷能級ImperfectionLeve