半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷

1、第二章半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)第二章半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)雜質(zhì)：半導(dǎo)體中存在的與本體元素不同的其它元素雜質(zhì)：半導(dǎo)體中存在的與本體元素不同的其它元素 缺陷缺陷: 晶格中的原子周期性排列被破壞晶格中的原子周期性排列被破壞 a. 點(diǎn)缺陷：空位、間隙原子點(diǎn)缺陷：空位、間隙原子 b. 線缺陷：位錯(cuò)線缺陷：位錯(cuò) c. 面缺陷：層錯(cuò)面缺陷：層錯(cuò) 雜質(zhì)和缺陷對(duì)半導(dǎo)體的物理性能和化學(xué)性能會(huì)雜質(zhì)和缺陷對(duì)半導(dǎo)體的物理性能和化學(xué)性能會(huì)產(chǎn)生決定性的影響。產(chǎn)生決定性的影響。雜質(zhì)和缺陷出現(xiàn)在半導(dǎo)體中時(shí)，雜質(zhì)和缺陷出現(xiàn)在半導(dǎo)體中時(shí)，產(chǎn)生的附加勢(shì)場(chǎng)使嚴(yán)格的周期產(chǎn)生的附加勢(shì)場(chǎng)使嚴(yán)格的周期性勢(shì)場(chǎng)遭到破壞。性勢(shì)場(chǎng)遭到破壞。雜質(zhì)能級(jí)位于

2、禁帶之中雜質(zhì)能級(jí)位于禁帶之中 Ec Ev雜質(zhì)能級(jí)雜質(zhì)能級(jí)n間隙式雜質(zhì)：雜質(zhì)原子間隙式雜質(zhì)：雜質(zhì)原子位于晶格原子的間隙位位于晶格原子的間隙位置置 間隙式雜質(zhì)原子一般比間隙式雜質(zhì)原子一般比較小較小n替位式雜質(zhì)：雜質(zhì)原子替位式雜質(zhì)：雜質(zhì)原子取代晶格原子位于晶格取代晶格原子位于晶格點(diǎn)處點(diǎn)處 替位式雜質(zhì)替位式雜質(zhì) 原子的大原子的大小與被取代的晶格原子小與被取代的晶格原子的大小比較相近的大小比較相近, ,價(jià)電價(jià)電子殼層結(jié)構(gòu)相近。子殼層結(jié)構(gòu)相近。2.1 Si、Ge晶體中的雜質(zhì)能級(jí)晶體中的雜質(zhì)能級(jí)雜質(zhì)濃度：?jiǎn)挝惑w積中的雜質(zhì)濃度：?jiǎn)挝惑w積中的雜質(zhì)原子數(shù)雜質(zhì)原子數(shù)施主雜質(zhì)：能夠施放電子而產(chǎn)生導(dǎo)電電子并形成施主雜質(zhì)

3、：能夠施放電子而產(chǎn)生導(dǎo)電電子并形成 正電中心正電中心施主雜質(zhì)和施主能級(jí)：施主雜質(zhì)和施主能級(jí)：受主雜質(zhì)和受主能級(jí)：受主雜質(zhì)和受主能級(jí)：Si中摻硼中摻硼B(yǎng) 受主雜質(zhì)：能夠接受電子而產(chǎn)生導(dǎo)電空穴并形成受主雜質(zhì)：能夠接受電子而產(chǎn)生導(dǎo)電空穴并形成 負(fù)電中心負(fù)電中心5、雜質(zhì)的補(bǔ)償作用、雜質(zhì)的補(bǔ)償作用n雜質(zhì)的補(bǔ)償雜質(zhì)的補(bǔ)償:既摻有施主又摻既摻有施主又摻有受主有受主 補(bǔ)償半導(dǎo)體補(bǔ)償半導(dǎo)體（A） ND NA 時(shí)時(shí) n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體因因 EA 在在 ED 之下，之下， ED上的束縛上的束縛電子首先填充電子首先填充EA上的空位，即上的空位，即施主與受主先相互施主與受主先相互“抵消抵消”，剩余的束縛電子再電離到導(dǎo)帶

4、剩余的束縛電子再電離到導(dǎo)帶上。上。 半導(dǎo)體是半導(dǎo)體是 n 型的型的有效的施主濃度有效的施主濃度 ND*= ND - NAED EADADnNNN（B）NAND時(shí)時(shí) p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 因因 EA 在在 ED 之下，之下， ED上的束縛電子首上的束縛電子首先填充先填充EA上的空位，上的空位，即施主與受主先相互即施主與受主先相互“抵消抵消”，剩余的束縛，剩余的束縛空穴再電離到價(jià)帶上?？昭ㄔ匐婋x到價(jià)帶上。 半導(dǎo)體是半導(dǎo)體是 p 型的型的有效的受主濃度有效的受主濃度 NA*= NA ND EAEDADApNNNn（C） NA ND時(shí)時(shí) 雜質(zhì)的高度補(bǔ)償雜質(zhì)的高度補(bǔ)償本征激發(fā)的導(dǎo)帶電子本征激發(fā)的導(dǎo)帶電子E

5、cEDEAEv本征激發(fā)的價(jià)帶空穴本征激發(fā)的價(jià)帶空穴n6、深能級(jí)雜質(zhì)、深能級(jí)雜質(zhì)（1）淺能級(jí)雜質(zhì)）淺能級(jí)雜質(zhì)EDEgEAEg（2）深能級(jí)雜質(zhì)）深能級(jí)雜質(zhì)E D EgEA EgEcEcEvEvEDEDEDEAEAEA深能級(jí)的特點(diǎn)：深能級(jí)的特點(diǎn)：施主能級(jí)離導(dǎo)帶較遠(yuǎn)，受主能級(jí)離價(jià)帶較遠(yuǎn)。施主能級(jí)離導(dǎo)帶較遠(yuǎn)，受主能級(jí)離價(jià)帶較遠(yuǎn)。一種雜質(zhì)可以引入若干能級(jí)，因?yàn)闀?huì)產(chǎn)生多次電離，一種雜質(zhì)可以引入若干能級(jí)，因?yàn)闀?huì)產(chǎn)生多次電離，有的雜質(zhì)既能引入施主能級(jí)，又能引入受主能級(jí)。有的雜質(zhì)既能引入施主能級(jí)，又能引入受主能級(jí)。雜質(zhì)能級(jí)是與雜質(zhì)原子的殼層結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)原子的大雜質(zhì)能級(jí)是與雜質(zhì)原子的殼層結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)原子的大小、雜質(zhì)在晶

6、格中的位置等等因素有關(guān)，目前沒(méi)有小、雜質(zhì)在晶格中的位置等等因素有關(guān)，目前沒(méi)有完善的理論加以說(shuō)明。完善的理論加以說(shuō)明。n例例1：Au（族）在族）在Ge中中Au在在Ge中共有五種可能的狀態(tài)：中共有五種可能的狀態(tài)：（1）Au+； （2） Au0 ； （3） Au一一 ； （4） Au二二 ； （5） Au三。三。n（1）Au+： Au0 e Au+ECEgEDEVE D(2) Au0電中性態(tài)電中性態(tài)n（3） Au一一： Au0 + e Au一一ECEVEAEA1n（4） Au二二：Au一 + e Au二EA2=EA1EA2ECEVEA2n（5） Au三三： Au二 + e Au三EA3=EA3EA2

7、EA1EVEC7、等電子陷阱、等電子陷阱（1）等電子雜質(zhì)）等電子雜質(zhì)特征：特征：a、與本征元素同族但不同原子序數(shù)、與本征元素同族但不同原子序數(shù) b、以替位形式存在于晶體中，基本、以替位形式存在于晶體中，基本 上是電中性的。上是電中性的。條件：電負(fù)性、共價(jià)半徑相差較大條件：電負(fù)性、共價(jià)半徑相差較大 同族元素原子序數(shù)越小，電負(fù)性越大，共價(jià)半同族元素原子序數(shù)越小，電負(fù)性越大，共價(jià)半徑越小。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)時(shí)，等電子雜質(zhì)電負(fù)性大于基質(zhì)晶體原子的電負(fù)時(shí)，取代后將成為負(fù)電中心；反之，將成為正電中心。取代后將成為負(fù)電中心；反之，將成為正電中心。原子的電負(fù)性是描述化合物分子中組

8、成原子吸引電原子的電負(fù)性是描述化合物分子中組成原子吸引電子傾向強(qiáng)弱的物理量，顯然與原子的電離能、親合子傾向強(qiáng)弱的物理量，顯然與原子的電離能、親合能及價(jià)態(tài)有關(guān)能及價(jià)態(tài)有關(guān)n（2）等電子陷阱）等電子陷阱等電子雜質(zhì)（如等電子雜質(zhì)（如N）占據(jù)本征原子位置）占據(jù)本征原子位置（如（如GaP中的中的P位置）后，即位置）后，即 N NPN 的共價(jià)半徑為的共價(jià)半徑為 0.07nm，電負(fù)性為，電負(fù)性為3.0;P 的共價(jià)半徑為的共價(jià)半徑為 0.11nm，電負(fù)性為，電負(fù)性為2.1所以氮取代磷后能俘獲電子成為負(fù)電中心，它們可以所以氮取代磷后能俘獲電子成為負(fù)電中心，它們可以吸引一個(gè)導(dǎo)帶電子而變成負(fù)離子，這就是電子陷阱，吸

9、引一個(gè)導(dǎo)帶電子而變成負(fù)離子，這就是電子陷阱，相反如果成為正電中心即可吸引一個(gè)價(jià)帶空穴而變成相反如果成為正電中心即可吸引一個(gè)價(jià)帶空穴而變成正離子這就是空穴陷阱。正離子這就是空穴陷阱。1、N在在GaP中：中：NP 2、C在在Si中：中：CSi 3、O在在ZnTe中：中：n其存在形式可以是其存在形式可以是 （1）替位式）替位式 （2）復(fù)合體，如）復(fù)合體，如 Zn-On8、束縛激子、束縛激子 即等電子陷阱俘獲一種符號(hào)的載流子后，又即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，這就是流子，這就是束縛激子束縛激子。n9、

10、兩性雜質(zhì)、兩性雜質(zhì)舉例：舉例：GaAs 中中 摻摻 Si（族）族）Ga：族族 As：族族Si Ga受主受主SiAs施主施主兩性雜質(zhì)兩性雜質(zhì)：在化合物半導(dǎo)體中，某種雜質(zhì)在兩性雜質(zhì)：在化合物半導(dǎo)體中，某種雜質(zhì)在 其中既可以作施主又可以作受其中既可以作施主又可以作受 主，這主，這 種雜質(zhì)稱為種雜質(zhì)稱為兩性雜質(zhì)兩性雜質(zhì)。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)鋁、鎵、銦和磷、砷、銻組成的九種化合物鋁、鎵、銦和磷、砷、銻組成的九種化合物化學(xué)計(jì)量比：化學(xué)計(jì)量比：1:1晶體結(jié)構(gòu)：閃鋅礦結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)：閃鋅礦結(jié)構(gòu)替位式雜質(zhì)替位式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì) 一族元素，引入受主能級(jí)一族元素，引入受主能級(jí) 二

11、族元素，受主能級(jí)二族元素，受主能級(jí) 三、五族元素，一般是電中性雜質(zhì)，另一種等電子三、五族元素，一般是電中性雜質(zhì)，另一種等電子雜質(zhì)效應(yīng)雜質(zhì)效應(yīng)等電子雜質(zhì)：等電子雜質(zhì)：特征：特征：a、與本征元素同族但不同原子序數(shù)、與本征元素同族但不同原子序數(shù) b、以替位形式存在于晶體中，基本、以替位形式存在于晶體中，基本 上是電中性的。上是電中性的。條件：電負(fù)性、共價(jià)半徑相差較大條件：電負(fù)性、共價(jià)半徑相差較大 同族元素原子序數(shù)越小，電負(fù)性越大，共價(jià)半同族元素原子序數(shù)越小，電負(fù)性越大，共價(jià)半徑越小。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)時(shí)，等電子雜質(zhì)電負(fù)性大于基質(zhì)晶體原子的電負(fù)時(shí)，取代后將成為負(fù)電中心；反

12、之，將成為正電中心。取代后將成為負(fù)電中心；反之，將成為正電中心。等電子雜質(zhì)（如等電子雜質(zhì)（如N）占據(jù)本征原子位置）占據(jù)本征原子位置（如（如GaP中的中的P位置）后，即位置）后，即 N NPN 的共價(jià)半徑為的共價(jià)半徑為 0.07nm，電負(fù)性為，電負(fù)性為3.0;P 的共價(jià)半徑為的共價(jià)半徑為 0.11nm，電負(fù)性為，電負(fù)性為2.1所以氮取代磷后能俘獲電子成為負(fù)電中心，它們可以所以氮取代磷后能俘獲電子成為負(fù)電中心，它們可以吸引一個(gè)導(dǎo)帶電子而變成負(fù)離子，這就是電子陷阱，吸引一個(gè)導(dǎo)帶電子而變成負(fù)離子，這就是電子陷阱，相反如果成為正電中心即可吸引一個(gè)價(jià)帶空穴而變成相反如果成為正電中心即可吸引一個(gè)價(jià)帶空穴而變

13、成正離子這就是空穴陷阱。正離子這就是空穴陷阱。（4）四族元素，兩性雜質(zhì)）四族元素，兩性雜質(zhì)舉例：舉例：GaAs 中中 摻摻 Si（族）族）Ga：族族 As：族族Si Ga受主受主SiAs施主施主兩性雜質(zhì)兩性雜質(zhì)：在化合物半導(dǎo)體中，某種雜質(zhì)在兩性雜質(zhì)：在化合物半導(dǎo)體中，某種雜質(zhì)在 其中既可以作施主又可以作受其中既可以作施主又可以作受 主，這主，這 種雜質(zhì)稱為種雜質(zhì)稱為兩性雜質(zhì)兩性雜質(zhì)。（5）六族元素，常取代五族元素，施主雜質(zhì)）六族元素，常取代五族元素，施主雜質(zhì)（6）過(guò)渡族元素除釩產(chǎn)生施主能級(jí)，其余均產(chǎn)生）過(guò)渡族元素除釩產(chǎn)生施主能級(jí)，其余均產(chǎn)生受主能級(jí)受主能級(jí)2.2 缺 陷 能 級(jí)n1、 點(diǎn)點(diǎn) 缺缺 陷陷：空位空位 間隙原子間隙原子弗倫克爾缺陷和肖特基缺陷弗倫克爾缺陷和肖特基缺陷（1）Si中的點(diǎn)缺陷：中的點(diǎn)缺陷：空位空位受主作用受主作用間隙原子間隙原子 施主作用施主作用（2）化合物）化合物砷化鎵中的砷空位和鎵空位均表現(xiàn)出受主作用砷化鎵中的砷空位和鎵空位均表現(xiàn)出受主作用二六族化合物，離子型較強(qiáng)，正離子空位是受二六族化合物，離子型較強(qiáng)，正離子空位是受主，負(fù)離子空位是施主