半導(dǎo)體物理2013(第二章).

1、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)l理想半導(dǎo)體：理想半導(dǎo)體：1 1、原子嚴(yán)格地周期性排列，晶體具有完整的晶、原子嚴(yán)格地周期性排列，晶體具有完整的晶格結(jié)構(gòu)。格結(jié)構(gòu)。2 2、晶體中無(wú)雜質(zhì)，無(wú)缺陷。、晶體中無(wú)雜質(zhì)，無(wú)缺陷。3 3、電子在周期場(chǎng)中作共有化運(yùn)動(dòng)，形成允帶和、電子在周期場(chǎng)中作共有化運(yùn)動(dòng)，形成允帶和禁帶禁帶電子能量只能處在允帶中的能級(jí)上，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。晶格結(jié)構(gòu)，無(wú)任何雜質(zhì)和缺陷。 l實(shí)際材

2、料中實(shí)際材料中1 1、總是有雜質(zhì)、缺陷，使周期場(chǎng)破壞，在雜、總是有雜質(zhì)、缺陷，使周期場(chǎng)破壞，在雜質(zhì)或缺陷周?chē)鹁植啃缘牧孔討B(tài)質(zhì)或缺陷周?chē)鹁植啃缘牧孔討B(tài)對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)的能級(jí)常常處在禁帶中，對(duì)半導(dǎo)體的性質(zhì)起的能級(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。著決定性的影響。2 2、雜質(zhì)電離提供載流子。、雜質(zhì)電離提供載流子。 晶體中雜質(zhì)來(lái)源晶體中雜質(zhì)來(lái)源l由于純度有限，半導(dǎo)體原材料所含有的雜質(zhì)由于純度有限，半導(dǎo)體原材料所含有的雜質(zhì)l半導(dǎo)體單晶制備和器件制作過(guò)程中的污染半導(dǎo)體單晶制備和器件制作過(guò)程中的污染l為改變半導(dǎo)體的性質(zhì)，在器件制作過(guò)程中有目為改變半導(dǎo)體的性質(zhì)，在器件制作過(guò)程中有目的摻入的某些特

3、定的化學(xué)元素原子的摻入的某些特定的化學(xué)元素原子2.1.1 2.1.1 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)體后，以雜質(zhì)原子進(jìn)入半導(dǎo)體后，以?xún)煞N方式存在兩種方式存在l一種方式是雜質(zhì)原子位于品一種方式是雜質(zhì)原子位于品格原子間的間隙位置，常稱(chēng)格原子間的間隙位置，常稱(chēng)為為間隙式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì)（A A）l另一種方式是雜質(zhì)原子取代另一種方式是雜質(zhì)原子取代晶格原子而位于晶格點(diǎn)處，晶格原子而位于晶格點(diǎn)處，常稱(chēng)為常稱(chēng)為替位式雜質(zhì)替位式雜質(zhì)（B B）間隙式雜質(zhì)和替位式雜間隙式雜質(zhì)和替位式雜質(zhì)質(zhì) 兩種雜質(zhì)特點(diǎn)：兩種雜質(zhì)特點(diǎn)：l間隙式雜質(zhì)原子小于晶體原子間隙式雜質(zhì)原子小于晶體原子l替位式雜質(zhì)：替

4、位式雜質(zhì)：1 1）雜質(zhì)原子的大小與被取代的晶格原子的大?。╇s質(zhì)原子的大小與被取代的晶格原子的大小比較相近比較相近2 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：IIIIII、V V族元素在硅、鍺中均為替位式雜質(zhì)族元素在硅、鍺中均為替位式雜質(zhì)l雜質(zhì)濃度雜質(zhì)濃度：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)的雜質(zhì)原子數(shù)：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)的雜質(zhì)原子數(shù)2.1.1 2.1.1 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)和缺陷破壞了晶體的周期性勢(shì)場(chǎng)，產(chǎn)生附雜質(zhì)和缺陷破壞了晶體的周期性勢(shì)場(chǎng)，產(chǎn)生附加勢(shì)場(chǎng)，從能帶的角度來(lái)說(shuō)就是加勢(shì)場(chǎng)，從能帶的角度來(lái)說(shuō)就是在禁帶中引入了各在禁帶中引入了各種雜質(zhì)能級(jí)和缺陷能級(jí)種雜質(zhì)能級(jí)和缺陷能級(jí)。2.

5、1.2 施主雜質(zhì)施主雜質(zhì) 施主能級(jí)施主能級(jí)l施主雜質(zhì)施主雜質(zhì)V V族元素在硅、鍺中電離時(shí)能夠釋放電子而產(chǎn)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(chēng)此類(lèi)雜質(zhì)為生導(dǎo)電電子并形成正電中心，稱(chēng)此類(lèi)雜質(zhì)為施主雜質(zhì)或施主雜質(zhì)或n n型雜質(zhì)。型雜質(zhì)。 小概念：施主電離小概念：施主電離 束縛態(tài)和電離態(tài)束縛態(tài)和電離態(tài) 施主電離能施主電離能 施主能級(jí)施主能級(jí) n n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 以硅中摻磷以硅中摻磷P P為例：為例：n 磷原子占據(jù)硅原子的位置。磷原子占據(jù)硅原子的位置。磷其中四個(gè)價(jià)電子與周?chē)乃牧灼渲兴膫€(gè)價(jià)電子與周?chē)乃膫€(gè)硅原于形成共價(jià)鍵，還剩余個(gè)硅原于形成共價(jià)鍵，還剩余一個(gè)多余的價(jià)電子

6、，束縛在正一個(gè)多余的價(jià)電子，束縛在正電中心電中心P P的周?chē)r(jià)電子只要的周?chē)?。價(jià)電子只要很少能量就可掙脫束縛，成為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)電時(shí)磷原子就成為少了一個(gè)價(jià)電子的磷離子子的磷離子P P，它是一個(gè)不能，它是一個(gè)不能移動(dòng)的移動(dòng)的正電中心正電中心。2.1.2 施主雜質(zhì)施主雜質(zhì) 施主能級(jí)施主能級(jí)l施主雜質(zhì)向?qū)п尫烹娮拥倪^(guò)程為施主雜質(zhì)向?qū)п尫烹娮拥倪^(guò)程為施主施主電離電離l施主雜質(zhì)未電離之前是電中性的稱(chēng)為施主雜質(zhì)未電離之前是電中性的稱(chēng)為中性態(tài)或束中性態(tài)或束縛態(tài)縛態(tài)；電離后成為正電中心稱(chēng)為；電離后成為正電中心稱(chēng)為離化

7、態(tài)或電離態(tài)離化態(tài)或電離態(tài)l使多余的價(jià)電子掙脫束縛成為導(dǎo)電電子所需要的使多余的價(jià)電子掙脫束縛成為導(dǎo)電電子所需要的最小能量稱(chēng)為最小能量稱(chēng)為施主施主電離能，電離能，施主電離能為施主電離能為E ED Dl被施主雜質(zhì)束縛的電子的能量狀態(tài)稱(chēng)為被施主雜質(zhì)束縛的電子的能量狀態(tài)稱(chēng)為施主能級(jí)施主能級(jí)，記為記為E ED D，。l施主雜質(zhì)電離后成為不可移動(dòng)的帶正電的施主離施主雜質(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╇娮樱拱雽?dǎo)體成為子，同時(shí)向?qū)峁╇娮?，使半?dǎo)體成為主要依主要依靠導(dǎo)帶電子導(dǎo)電的靠導(dǎo)帶電子導(dǎo)電的n n型半導(dǎo)體（也稱(chēng)電子型半導(dǎo)型半導(dǎo)體（也稱(chēng)電子型半導(dǎo)體）體）。2.1.2 施主雜質(zhì)施主雜質(zhì)

8、 施主能級(jí)施主能級(jí)2.1.3 受主雜質(zhì)受主雜質(zhì) 受主能級(jí)受主能級(jí)l受主雜質(zhì)受主雜質(zhì)IIIIII族元素在硅、鍺中電離時(shí)能夠接受電子而族元素在硅、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(chēng)此類(lèi)雜質(zhì)產(chǎn)生導(dǎo)電空穴并形成負(fù)電中心，稱(chēng)此類(lèi)雜質(zhì)為受主雜質(zhì)或?yàn)槭苤麟s質(zhì)或p p型雜質(zhì)。型雜質(zhì)。 小概念：受主電離小概念：受主電離 受主電離能受主電離能 受主能級(jí)受主能級(jí) p p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 以硅中摻硼以硅中摻硼B(yǎng) B為例：為例：n InIn原子占據(jù)硅原子的位置，原子占據(jù)硅原子的位置，與周?chē)乃膫€(gè)硅原于形成共價(jià)與周?chē)乃膫€(gè)硅原于形成共價(jià)鍵時(shí)還缺一個(gè)電子，就從別處鍵時(shí)還缺一個(gè)電子，就從別處奪取價(jià)電子，這

9、就在奪取價(jià)電子，這就在SiSi形成了形成了一個(gè)空穴。這時(shí)一個(gè)空穴。這時(shí)InIn原子就成為原子就成為多了一個(gè)價(jià)電子的磷離子，它多了一個(gè)價(jià)電子的磷離子，它是一個(gè)不能移動(dòng)的負(fù)是一個(gè)不能移動(dòng)的負(fù)電中心電中心?？昭ㄖ灰苌倌芰烤涂蓲昝撌昭ㄖ灰苌倌芰烤涂蓲昝撌`，成為縛，成為導(dǎo)電空穴導(dǎo)電空穴在晶格中自在晶格中自由運(yùn)動(dòng)。由運(yùn)動(dòng)。2.1.3 受主雜質(zhì)受主雜質(zhì) 受主能級(jí)受主能級(jí)l受主雜質(zhì)釋放空穴的過(guò)程稱(chēng)為受主雜質(zhì)釋放空穴的過(guò)程稱(chēng)為受主電離受主電離l使空穴掙脫束縛成為導(dǎo)電空穴所需要的最小能使空穴掙脫束縛成為導(dǎo)電空穴所需要的最小能量稱(chēng)為量稱(chēng)為受主電離能，受主電離能，記為記為E EA Al空穴被受主雜質(zhì)束縛時(shí)的能

10、量狀態(tài)稱(chēng)為空穴被受主雜質(zhì)束縛時(shí)的能量狀態(tài)稱(chēng)為受主能受主能級(jí)，級(jí)，記為記為E EA Al受主雜質(zhì)電離后成為不可移動(dòng)的帶負(fù)電的受主受主雜質(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)體成為離子，同時(shí)向價(jià)帶提供空穴，使半導(dǎo)體成為主主要依靠空穴導(dǎo)電的要依靠空穴導(dǎo)電的p p型半導(dǎo)體（也稱(chēng)空穴型半導(dǎo)型半導(dǎo)體（也稱(chēng)空穴型半導(dǎo)體）。體）。2.1.3 受主雜質(zhì)受主雜質(zhì) 受主能級(jí)受主能級(jí) 2.1.4 淺能級(jí)雜質(zhì)電離能的簡(jiǎn)單計(jì)算淺能級(jí)雜質(zhì)電離能的簡(jiǎn)單計(jì)算l淺能級(jí)雜質(zhì)淺能級(jí)雜質(zhì)：電離能小的雜質(zhì)稱(chēng)為淺能級(jí)雜質(zhì)。：電離能小的雜質(zhì)稱(chēng)為淺能級(jí)雜質(zhì)。l所謂所謂淺能級(jí)淺能級(jí)，是指施主能級(jí)靠近導(dǎo)帶底，受主能，是

11、指施主能級(jí)靠近導(dǎo)帶底，受主能級(jí)靠近價(jià)帶頂。級(jí)靠近價(jià)帶頂。l室溫下，摻雜濃度不很高的情況下，淺能級(jí)雜質(zhì)室溫下，摻雜濃度不很高的情況下，淺能級(jí)雜質(zhì)幾乎可以可以全部電離。幾乎可以可以全部電離。 五價(jià)元素磷（五價(jià)元素磷（P P）、砷（）、砷（AsAs）、銻（）、銻（SbSb）在硅、）在硅、鍺中是淺施主雜質(zhì)；鍺中是淺施主雜質(zhì)； 三價(jià)元素硼（三價(jià)元素硼（B B）、鋁（）、鋁（AlAl）、鎵（）、鎵（GaGa）、銦）、銦（InIn）在硅、鍺中為淺受主雜質(zhì)。）在硅、鍺中為淺受主雜質(zhì)。l類(lèi)氫模型類(lèi)氫模型*020nDrmEEm*020pArmEEm11 123nnltmmmm電導(dǎo)有效質(zhì)量222040)4(2nqm

12、EneVEEE6 .1310基態(tài)電子的電離能為rnmm00*0 2.1.4 淺能級(jí)雜質(zhì)電離能的簡(jiǎn)單計(jì)算淺能級(jí)雜質(zhì)電離能的簡(jiǎn)單計(jì)算2.1.5 雜質(zhì)的補(bǔ)償作用雜質(zhì)的補(bǔ)償作用l雜質(zhì)補(bǔ)償雜質(zhì)補(bǔ)償：半導(dǎo)體中同時(shí)存在施主雜質(zhì)和受主雜半導(dǎo)體中同時(shí)存在施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)時(shí)，它們的共同作用會(huì)使載流子減少，這種作質(zhì)時(shí)，它們的共同作用會(huì)使載流子減少，這種作用稱(chēng)為雜質(zhì)補(bǔ)償。在制造半導(dǎo)體器件的過(guò)程中，用稱(chēng)為雜質(zhì)補(bǔ)償。在制造半導(dǎo)體器件的過(guò)程中，通過(guò)采用雜質(zhì)補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)改變半導(dǎo)體某個(gè)區(qū)域通過(guò)采用雜質(zhì)補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)改變半導(dǎo)體某個(gè)區(qū)域的導(dǎo)電類(lèi)型或電阻率。（參看書(shū)中圖的導(dǎo)電類(lèi)型或電阻率。（參看書(shū)中圖2.72.7） l1 1） ：剩

13、余雜質(zhì)：剩余雜質(zhì)l2 2） ：剩余雜質(zhì)：剩余雜質(zhì)DANNDANNDANNADNNl當(dāng)當(dāng)N ND DNNA A 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，這種不大或二者相等，則不能提供電子或空穴，這種情況稱(chēng)為雜質(zhì)的高度補(bǔ)償。這種材料容易被誤認(rèn)情況稱(chēng)為雜質(zhì)的高度補(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，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。一般不能用來(lái)制造半導(dǎo)體器件。 l有效雜質(zhì)濃度有效雜質(zhì)濃度l補(bǔ)償后半導(dǎo)體中的凈雜質(zhì)濃度。補(bǔ)償后半導(dǎo)體中的凈雜質(zhì)濃度。2.1.5

14、 雜質(zhì)的補(bǔ)償作用雜質(zhì)的補(bǔ)償作用2.1.6 深能級(jí)雜質(zhì)深能級(jí)雜質(zhì)l深能級(jí)雜質(zhì)深能級(jí)雜質(zhì)：非：非、族雜質(zhì)在族雜質(zhì)在SiSi、GeGe的禁帶的禁帶中產(chǎn)生的施主能級(jí)遠(yuǎn)離導(dǎo)帶底，受主能級(jí)遠(yuǎn)離中產(chǎn)生的施主能級(jí)遠(yuǎn)離導(dǎo)帶底，受主能級(jí)遠(yuǎn)離價(jià)帶頂。雜質(zhì)電離能大，能夠產(chǎn)生多次電離。價(jià)帶頂。雜質(zhì)電離能大，能夠產(chǎn)生多次電離。 深能級(jí)雜質(zhì)在半導(dǎo)體禁帶中可能會(huì)引入多深能級(jí)雜質(zhì)在半導(dǎo)體禁帶中可能會(huì)引入多個(gè)能級(jí)，其中可能有施主能級(jí)，也可能有受主個(gè)能級(jí)，其中可能有施主能級(jí)，也可能有受主能級(jí)，這與雜質(zhì)原子的電子殼層結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)原能級(jí)，這與雜質(zhì)原子的電子殼層結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)原子的大小、雜質(zhì)在半導(dǎo)體中的位置等因素都有子的大小、雜質(zhì)在半導(dǎo)體中的

15、位置等因素都有關(guān)系。關(guān)系。深能級(jí)的形成深能級(jí)的形成l族雜質(zhì)族雜質(zhì). .多于兩個(gè)價(jià)電子被兩個(gè)正電荷的雜質(zhì)多于兩個(gè)價(jià)電子被兩個(gè)正電荷的雜質(zhì)中心束縛，類(lèi)似于一個(gè)氦原子，其每個(gè)電子平均中心束縛，類(lèi)似于一個(gè)氦原子，其每個(gè)電子平均受到大于一電子電荷的正電中心的作用，從而深受到大于一電子電荷的正電中心的作用，從而深能級(jí)雜質(zhì)的電離能比淺能級(jí)雜質(zhì)要大。在電離出能級(jí)雜質(zhì)的電離能比淺能級(jí)雜質(zhì)要大。在電離出一個(gè)電子后，帶有兩個(gè)正電荷的雜質(zhì)中心使第二一個(gè)電子后，帶有兩個(gè)正電荷的雜質(zhì)中心使第二個(gè)電子電離需要更大能量，對(duì)應(yīng)更深的能級(jí)，所個(gè)電子電離需要更大能量，對(duì)應(yīng)更深的能級(jí)，所以以族雜質(zhì)在硅鍺中一般產(chǎn)生兩重施主能級(jí)，如族雜

16、質(zhì)在硅鍺中一般產(chǎn)生兩重施主能級(jí)，如鍺中的硒、碲。鍺中的硒、碲。2.1.6 深能級(jí)雜質(zhì)深能級(jí)雜質(zhì)深能級(jí)的形成深能級(jí)的形成l族雜質(zhì)族雜質(zhì). . 一方面可以失去唯一價(jià)電子產(chǎn)生一個(gè)一方面可以失去唯一價(jià)電子產(chǎn)生一個(gè)施主能級(jí)，另一方面也能依次接受三個(gè)電子與周施主能級(jí)，另一方面也能依次接受三個(gè)電子與周?chē)膫€(gè)近鄰原子形成共價(jià)鍵，相應(yīng)產(chǎn)生三個(gè)由淺圍四個(gè)近鄰原子形成共價(jià)鍵，相應(yīng)產(chǎn)生三個(gè)由淺到深的受主深能級(jí)。原則上到深的受主深能級(jí)。原則上族雜質(zhì)能產(chǎn)生三重族雜質(zhì)能產(chǎn)生三重受主能級(jí)，但是較深的受主能級(jí)有可能處于允帶受主能級(jí)，但是較深的受主能級(jí)有可能處于允帶之中，某些之中，某些族雜質(zhì)受主能級(jí)少于三個(gè)。族雜質(zhì)受主能級(jí)少于三

17、個(gè)。l族雜質(zhì)。與族雜質(zhì)。與族雜質(zhì)情況類(lèi)似，可以產(chǎn)生兩重族雜質(zhì)情況類(lèi)似，可以產(chǎn)生兩重受主能級(jí)。受主能級(jí)。2.1.6 深能級(jí)雜質(zhì)深能級(jí)雜質(zhì)l深能級(jí)的基本特點(diǎn)：深能級(jí)的基本特點(diǎn)：1、含量極少，而且能級(jí)較深，不易在室溫下電離，、含量極少，而且能級(jí)較深，不易在室溫下電離，對(duì)載流子濃度影響不大；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、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)。產(chǎn)生受主能級(jí)。3、能級(jí)位置利于促進(jìn)載流子的復(fù)合，其復(fù)合作用、能級(jí)位置利于促進(jìn)載流子的復(fù)合，其復(fù)合作用比淺能級(jí)雜質(zhì)強(qiáng)，使少數(shù)載流子壽命降低，稱(chēng)這比淺能級(jí)雜質(zhì)強(qiáng)，使少數(shù)載流子壽命降低，稱(chēng)這些雜質(zhì)為復(fù)

18、合中心雜質(zhì)。（在第五章詳細(xì)討論）些雜質(zhì)為復(fù)合中心雜質(zhì)。（在第五章詳細(xì)討論）4、深能級(jí)雜質(zhì)電離后對(duì)載流子起散射作用，使載、深能級(jí)雜質(zhì)電離后對(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。流子遷移率減少，導(dǎo)電性能下降。2.1.6 深能級(jí)雜質(zhì)深能級(jí)雜質(zhì)2.1.7 化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí)化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí) 雜質(zhì)在砷化鎵中的存在形式雜質(zhì)在砷化鎵中的存在形式 三種情況：三種情況： 1 1）取代砷；）取代砷；2 2）取代鎵；）取代鎵； 3 3）填隙）填隙 族元素：族元素：一般引入受主能級(jí)，起受主作用。一般引入受主能級(jí)，起受主作用。族雜族雜質(zhì)與質(zhì)與族原子價(jià)電子數(shù)相近，通常取代晶格中族原子價(jià)電子數(shù)

19、相近，通常取代晶格中族原族原子，因?yàn)樯僖粋€(gè)價(jià)電子，取代晶格原子后，具有獲得子，因?yàn)樯僖粋€(gè)價(jià)電子，取代晶格原子后，具有獲得一個(gè)電子完成共價(jià)鍵的趨勢(shì)，是受主雜質(zhì)，而且電離一個(gè)電子完成共價(jià)鍵的趨勢(shì)，是受主雜質(zhì)，而且電離能較小，在能較小，在-族化合物中引入淺受主能級(jí)。所以族化合物中引入淺受主能級(jí)。所以族雜質(zhì)是族雜質(zhì)是-族化合物半導(dǎo)體的族化合物半導(dǎo)體的p p型摻雜劑，如型摻雜劑，如GaAsGaAs中的中的MgMg、ZnZn。l族雜質(zhì)族雜質(zhì)：與：與族晶格原子的價(jià)電子數(shù)相近，族晶格原子的價(jià)電子數(shù)相近，在在-族化合物中取代族化合物中取代族晶格原子族晶格原子，與周，與周?chē)Ц裨有纬晒矁r(jià)鍵后多余一個(gè)價(jià)電子，易圍

20、晶格原子形成共價(jià)鍵后多余一個(gè)價(jià)電子，易失去這個(gè)價(jià)電子成為施主雜質(zhì)，一般失去這個(gè)價(jià)電子成為施主雜質(zhì)，一般引入淺施引入淺施主能級(jí)主能級(jí)，如，如GaAsGaAs中的中的S S、SeSe?？勺鳛??？勺鳛閚 n型摻雜劑。型摻雜劑。l族雜質(zhì)族雜質(zhì)：既可以取代：既可以取代族晶格原子起施主作族晶格原子起施主作用，又可以取代用，又可以取代族晶格原子起受主作用，從族晶格原子起受主作用，從而在而在-族化合物中引入雙重能級(jí)族化合物中引入雙重能級(jí)雙性雙性行為行為。2.1.7 化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí)化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí)n 四族元素四族元素：硅：硅在砷化鎵中會(huì)產(chǎn)生雙性行為，即硅在砷化鎵中會(huì)產(chǎn)生雙性行為，即硅的濃度較低

21、時(shí)主要起施主雜質(zhì)作用，當(dāng)硅的濃度較高的濃度較低時(shí)主要起施主雜質(zhì)作用，當(dāng)硅的濃度較高時(shí)，一部分硅原子將起到受主雜質(zhì)作用。時(shí)，一部分硅原子將起到受主雜質(zhì)作用。n 這種雙性行為可作如下解釋?zhuān)哼@種雙性行為可作如下解釋?zhuān)?因?yàn)樵诠桦s質(zhì)濃度較高時(shí)，硅原子不僅取代鎵原因?yàn)樵诠桦s質(zhì)濃度較高時(shí)，硅原子不僅取代鎵原子起著施主雜質(zhì)的作用，而且硅也取代了一部分子起著施主雜質(zhì)的作用，而且硅也取代了一部分V V族族砷原子而起著受主雜質(zhì)的作用，因而對(duì)于取代砷原子而起著受主雜質(zhì)的作用，因而對(duì)于取代族原族原子鎵的硅施主雜質(zhì)起到補(bǔ)償作用，從而降低了有效施子鎵的硅施主雜質(zhì)起到補(bǔ)償作用，從而降低了有效施主雜質(zhì)的濃度，電子濃度趨于飽和

22、。主雜質(zhì)的濃度，電子濃度趨于飽和。 2.1.7 化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí)化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí)l、族元素族元素：等電子雜質(zhì)等電子雜質(zhì) 當(dāng)當(dāng)族或族或族雜質(zhì)摻入不是由它們本身構(gòu)成的族雜質(zhì)摻入不是由它們本身構(gòu)成的-族化合物中，取代同族晶格原子時(shí)，既可以引族化合物中，取代同族晶格原子時(shí)，既可以引入雜質(zhì)能級(jí)，也可能不引入能級(jí)，這取決于雜質(zhì)種類(lèi)入雜質(zhì)能級(jí)，也可能不引入能級(jí)，這取決于雜質(zhì)種類(lèi)和和-族化合物的種類(lèi)。族化合物的種類(lèi)。2.1.7 化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí)化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí)l 與晶格基質(zhì)原子具有相同價(jià)電子的雜質(zhì)稱(chēng)為等電子與晶格基質(zhì)原子具有相同價(jià)電子的雜質(zhì)稱(chēng)為等電子雜質(zhì)。雜質(zhì)。等電子雜質(zhì)取代晶

23、格上的同族原子后，因?yàn)榕c晶等電子雜質(zhì)取代晶格上的同族原子后，因?yàn)榕c晶格原子的共價(jià)半徑與電負(fù)性的顯著差別，能夠在晶體中格原子的共價(jià)半徑與電負(fù)性的顯著差別，能夠在晶體中俘獲某種載流子成為帶電中心，這種帶電中心叫俘獲某種載流子成為帶電中心，這種帶電中心叫等電子等電子陷阱陷阱。 例例如，如，GaAsGaAs中，中，（或（或）族雜質(zhì)取代）族雜質(zhì)取代GaGa( (或或As)As)時(shí)，時(shí)，不引入禁帶能級(jí)。在不引入禁帶能級(jí)。在GaPGaP中中族雜質(zhì)族雜質(zhì)N N、BiBi取代取代P P就能在禁就能在禁帶中引入能級(jí)，帶中引入能級(jí)，N N和和BiBi就是等電子陷阱，等電子陷阱俘獲就是等電子陷阱，等電子陷阱俘獲的載流

24、子的能量狀態(tài)就是在禁帶中引入的相應(yīng)能級(jí)。的載流子的能量狀態(tài)就是在禁帶中引入的相應(yīng)能級(jí)。2.1.7 化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí)化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí)2.2 2.2 半導(dǎo)體中的缺陷能級(jí)半導(dǎo)體中的缺陷能級(jí)(defect levels)(defect levels)2.2.1 點(diǎn)缺陷（熱缺陷）點(diǎn)缺陷（熱缺陷）point defects/ point defects/ thermaldefects thermaldefects l點(diǎn)缺陷的種類(lèi)：點(diǎn)缺陷的種類(lèi)：弗侖克耳缺陷：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：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

25、間隙原子缺陷：間隙原子缺陷：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2.2.1 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷l點(diǎn)缺陷（熱缺陷）特點(diǎn)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）。原因：三種點(diǎn)缺陷中形成肖特基缺陷需要的能量最原因：三種點(diǎn)缺陷中形成肖特基缺陷需要的能量最小小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。半導(dǎo)體器件生產(chǎn)工藝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)中，經(jīng)高溫加工（如

26、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(lái)消除。行退火處理。離子注入形成的缺陷也用退火來(lái)消除。l點(diǎn)缺陷對(duì)半導(dǎo)體性質(zhì)的影響：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）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)。在禁帶中產(chǎn)生能級(jí)。2 2）點(diǎn)缺陷對(duì)材料的導(dǎo)電類(lèi)型起一定的作用）點(diǎn)缺陷對(duì)材料的導(dǎo)電類(lèi)型起一定的作用3 3）熱缺陷能級(jí)大多為深能級(jí)，在半導(dǎo)體中起復(fù)）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。合中心作用，使非平衡載流子濃度和壽命降低。4 4）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5

27、 5）對(duì)載流子有散射作用，使載流子遷移率和壽）對(duì)載流子有散射作用，使載流子遷移率和壽命降低。命降低。2.2.1 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷l在元素半導(dǎo)體中，空位表現(xiàn)為受主作用，間隙原在元素半導(dǎo)體中，空位表現(xiàn)為受主作用，間隙原子表現(xiàn)為施主作用；子表現(xiàn)為施主作用；l對(duì)于硫化物、硒化物、碲化物、氧化物等化合物對(duì)于硫化物、硒化物、碲化物、氧化物等化合物半導(dǎo)體，用符號(hào)半導(dǎo)體，用符號(hào)M、X表示，表示，M代表電負(fù)性小的原代表電負(fù)性小的原子，子，X代表電負(fù)性大的原子。一般，正離子空位代表電負(fù)性大的原子。一般，正離子空位VM是受主，負(fù)離子空位是受主，負(fù)離子空位VX是施主；是施主；M為間隙原子時(shí)為間隙原子時(shí)為施主，為施主，X為

28、間隙原子時(shí)為受主。為間隙原子時(shí)為受主。l在化合物半導(dǎo)體在化合物半導(dǎo)體AB中，若中，若A取代取代B稱(chēng)為稱(chēng)為AB，常常，常常表現(xiàn)為受主；若表現(xiàn)為受主；若B取代取代A稱(chēng)為稱(chēng)為BA，表現(xiàn)為施主。，表現(xiàn)為施主。2.2.1 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷2.2.2 位錯(cuò)位錯(cuò)l位錯(cuò)對(duì)半導(dǎo)體性能的影響：位錯(cuò)對(duì)半導(dǎo)體性能的影響： 1 1）位錯(cuò)線上的懸掛鍵可以接受電子變?yōu)樨?fù)電中心，）位錯(cuò)線上的懸掛鍵可以接受電子變?yōu)樨?fù)電中心，表現(xiàn)為受主；懸掛鍵上的一個(gè)電子也可以被釋放表現(xiàn)為受主；懸掛鍵上的一個(gè)電子也可以被釋放出來(lái)而變?yōu)檎娭行模藭r(shí)表現(xiàn)為施主，即不飽出來(lái)而變?yōu)檎娭行?，此時(shí)表現(xiàn)為施主，即不飽和的懸掛鍵具有和的懸掛鍵具有雙性行為，可以起受主作用，也雙性行為，可以起受主作用，也可以起施主作用可以起施主作用