半導(dǎo)體物理課件：第二章半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級

1、2022/7/181第二章 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級理想半導(dǎo)體：1、原子嚴格地周期性排列，晶體具有完整的晶格結(jié)構(gòu)。2、晶體中無雜質(zhì)，無缺陷。3、電子在周期場中作共有化運動，形成允帶和禁帶電子能量只能處在允帶中的能級上，禁帶中無能級。由本征激發(fā)提供載流子本征半導(dǎo)體晶體具有完整的（完美的）晶格結(jié)構(gòu)，無任何雜質(zhì)和缺陷。 2022/7/182第二章 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級實際材料中1、總是有雜質(zhì)、缺陷，使周期場破壞，在雜質(zhì)或缺陷周圍引起局部性的量子態(tài)對應(yīng)的能級常常處在禁帶中，對半導(dǎo)體的性質(zhì)起著決定性的影響。2、雜質(zhì)電離提供載流子。 2022/7/183第二章 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級2.1 硅、鍺晶體中的

2、雜質(zhì)能級2.2 族化合物中的雜質(zhì)能級2.3 缺陷、位錯能級2022/7/1842.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級1. 替位式雜質(zhì) 間隙式雜質(zhì)一個晶胞中包含有八個硅原子，若近似地把原子看成是半徑為r的圓球，則可以計算出這八個原于占據(jù)晶胞空間的百分數(shù)如下：說明，在金剛石型晶體中一個晶胞內(nèi)的8個原子只占有晶胞體積的34%，還有66%是空隙2022/7/1852.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級金剛石型晶體結(jié)構(gòu)中的兩種空隙如圖2-1所示。這些空隙通常稱為間隙位置2022/7/1862.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級 雜質(zhì)原子進入半導(dǎo)體硅后，以兩種方式存在一種方式是雜質(zhì)原子位于晶格原子間的間隙位置，常稱為間隙式雜質(zhì)（

3、A）另一種方式是雜質(zhì)原子取代晶格原子而位于晶格點處，常稱為替位式雜質(zhì)（B）2022/7/1872.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級 兩種雜質(zhì)特點：間隙式雜質(zhì)原子一般比較小，如：Li原子，0.068nm替位式雜質(zhì)1）雜質(zhì)原子的大小與被取代的晶格原子的大小比較相近2）價電子殼層結(jié)構(gòu)比較相近如：、族元素單位體積中的雜質(zhì)原子數(shù)即雜質(zhì)濃度來定量描述雜質(zhì)含量的多少，雜質(zhì)濃度的單位為1/cm3 。2022/7/1882.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級2. 施主雜質(zhì) 施主能級 以硅中摻磷P為例：磷原子占據(jù)硅原子的位置。磷原子有五個價電子。其中四個價電子與周圍的四個硅原于形成共價鍵，還剩余一個價電子。這個多余的價電子就束

4、縛在正電中心P的周圍。價電子只要很少能量就可掙脫束縛，成為導(dǎo)電電子在晶格中自由運動。這時磷原子就成為少了一個價電子的磷離子P，它是一個不能移動的正電中心。2022/7/1892.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級族雜質(zhì)在硅、鍺中電離時，能夠施放電子而產(chǎn)生導(dǎo)電電子并形成正電中心，稱它們?yōu)槭┲麟s質(zhì)或n型雜質(zhì)上述電子脫離雜質(zhì)原子的束縛成為導(dǎo)電電子的過程稱為雜質(zhì)電離使個多余的價電子掙脫束縛成為導(dǎo)電電子所需要的能量稱為雜質(zhì)電離能施主雜質(zhì)電離后成為不可移動的帶正電的施主離子，同時向?qū)峁╇娮?，使半?dǎo)體成為電子導(dǎo)電的n型半導(dǎo)體。2022/7/18102.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級施主雜質(zhì)的電離過程，可以用能帶圖表

5、示如圖2-4所示.當電子得到能量 后，就從施主的束縛態(tài)躍遷到導(dǎo)帶成為導(dǎo)電電子，所以電子被施主雜質(zhì)束縛時的能量比導(dǎo)帶底 低 。將被施主雜質(zhì)束縛的電子的能量狀態(tài)稱為施主能級，記為 ，所以施主能級位于離導(dǎo)帶底很近的禁帶中施主雜質(zhì)電離能分立能級束縛態(tài)離化態(tài)熱激發(fā)、光照等2022/7/18112.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級硅、鍺晶體中族雜質(zhì)的電離能2022/7/18122.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級3. 受主雜質(zhì) 受主能級 以硅中摻硼B(yǎng)為例：B原子占據(jù)硅原子的位置。磷原子有三個價電子。與周圍的四個硅原于形成共價鍵時還缺一個電子，就從別處奪取價電子，這就在Si形成了一個空穴。這時B原子就成為多了一個價電子

6、的磷離子B，它是一個不能移動的負電中心。空穴束縛在負電中心B的周圍?？昭ㄖ灰苌倌芰烤涂蓲昝撌`，成為導(dǎo)電空穴在晶格中自由運動。2022/7/18132.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級族雜質(zhì)在硅、鍺中能夠接受電子而產(chǎn)生導(dǎo)電空穴，并形成負電中心，所以稱它們?yōu)槭苤麟s質(zhì)或p型雜質(zhì)。使空穴掙脫束縛成為導(dǎo)電空穴所需要的能量稱為受主雜質(zhì)電離能。受主雜質(zhì)電離后成為不可移動的帶負電的受主離子，同時向價帶提供空穴，使半導(dǎo)體成為空穴導(dǎo)電的p型半導(dǎo)體。2022/7/18142.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級受主雜質(zhì)的電離過程，可以用能帶圖表示如圖2-6所示.當空穴得到能量后，就從受主的束縛態(tài)躍遷到價帶成為導(dǎo)電空穴，所以電子

7、被受主雜質(zhì)束縛時的能量比價帶頂 高 。將被受主雜質(zhì)束縛的空穴的能量狀態(tài)稱為受主能級，記為 ，所以受主能級位于離價帶頂很近的禁帶中受主雜質(zhì)電離能2022/7/18152.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級硅、鍺晶體中族雜質(zhì)的電離能2022/7/18162.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級按雜質(zhì)向半導(dǎo)體提供載流子的類型分類n型半導(dǎo)體：以電子導(dǎo)電為主本征半導(dǎo)體p型半導(dǎo)體：以空穴導(dǎo)電為主2022/7/18172.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級4. 淺能級雜質(zhì)電離能的簡單計算、族雜質(zhì)在硅、鍺中的EA 、 ED都很小，即施主能級ED距導(dǎo)帶底EC很近，受主能級EA距價帶頂EV很近，這樣的雜質(zhì)能級稱為淺能級，相應(yīng)的雜質(zhì)就稱為淺

8、能級雜質(zhì)。 如果Si、Ge中的、族雜質(zhì)濃度不太高，在包括室溫的相當寬的溫度范圍內(nèi)，晶格原子熱振動的能量會傳遞給電子，使雜質(zhì)幾乎全部電離。2022/7/18182.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級通常情況下半導(dǎo)體中雜質(zhì)濃度不是特別高，半導(dǎo)體中雜質(zhì)分布很稀疏，因此不必考慮雜質(zhì)原子間的相互作用，被雜質(zhì)原子束縛的電子(空穴)就像單個原子中的電子一樣，處在互相分離、能量相等的雜質(zhì)能級上而不形成雜質(zhì)能帶。當雜質(zhì)濃度很高(稱為重摻雜)時，雜質(zhì)能級才會交疊，形成雜質(zhì)能帶。2022/7/18192.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級類氫模型2022/7/18202.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級2022/7/18212.1 硅、

9、鍺晶體中的雜質(zhì)能級5. 雜質(zhì)的補償作用如果在半導(dǎo)體中既摻入施主雜質(zhì)，又摻入受主雜質(zhì)，施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)具有相互抵消的作用，稱為雜質(zhì)的補償作用。從價鍵角度理解：施主周圍有多余的價電子，受主周圍缺少價電子，施主多余的價電子正好填充受主周圍的空缺，使價鍵飽和，這個時候系統(tǒng)的能量降低，處于穩(wěn)定狀態(tài)。2022/7/18222.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級從能帶角度理解：對于雜質(zhì)補償?shù)陌雽?dǎo)體，若NDNA： (a) T=0K電子按順序填充能量由低到高的各個能級，由于受主能級EA比施主能級ED低，電子將先填滿受主能級EA，然后再填充施主能級ED，因此施主能級上的電子濃度為ND-NA。(b) 室溫施主能級上的ND

10、-NA個電子就全部被激發(fā)到導(dǎo)帶，這時導(dǎo)帶中的電子濃度n0=ND-NA，為n型半導(dǎo)體。2022/7/18232.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級當NAND時，將呈現(xiàn)p型半導(dǎo)體的特性，價帶空穴濃度p0=NA-ND通過補償以后半導(dǎo)體中的凈雜質(zhì)濃度稱為有效雜質(zhì)濃度。 如果NDNA，稱ND-NA為有效施主濃度； 如果NAND，那么NA-ND稱為有效受主濃度如果半導(dǎo)體中：NDNA，則n0ND-NAND； NAND，則p0NA-ND NA。 2022/7/18242.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級 半導(dǎo)體器件和集成電路生產(chǎn)中就是利用雜質(zhì)補償作用，在n型Si外延層上的特定區(qū)域摻入比原先n型外延層濃度更高的受主雜質(zhì)，通過

11、雜質(zhì)補償作用就形成了p型區(qū)，而在n型區(qū)與p型區(qū)的交界處就形成了pn結(jié)。如果再次摻入比p型區(qū)濃度更高的施主雜質(zhì)，在二次補償區(qū)域內(nèi)p型半導(dǎo)體就再次轉(zhuǎn)化為n型，從而形成雙極型晶體管的n-p-n結(jié)構(gòu)。 2022/7/18252.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級高度補償：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，這種情況稱為雜質(zhì)的高等補償。這種材料容易被誤認為高純度半導(dǎo)體，實際上含雜質(zhì)很多，性能很差，一般不能用來制造半導(dǎo)體器件。 2022/7/18262.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級6. 深能級雜質(zhì) 非、族雜質(zhì)在Si、Ge禁帶中也產(chǎn)生能級產(chǎn)生的施主能級ED距導(dǎo)帶底EC較遠，產(chǎn)生的受主

12、能級EA距價帶頂EV較遠，這種雜質(zhì)能級稱為深能級，對應(yīng)的雜質(zhì)稱為深能級雜質(zhì)。深能級雜質(zhì)可以多次電離，每一次電離相應(yīng)有一個能級，有的雜質(zhì)既引入施主能級又引入受主能級。2022/7/18272.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級以Ge中摻Au為例：五種帶電狀態(tài)：Au+ Au0 Au- Au2- Au3-ED EA1 EA2 EA3Au0Au+，釋放電子到導(dǎo)帶，ED略小于Eg（共價鍵束縛，電離能很大）EA3EA2EA1（電子間存在庫侖排斥）2022/7/18282.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級Si、Ge中其它一些深能級雜質(zhì)引入的深能級也可以類似地做出解釋。 深能級雜質(zhì)對半導(dǎo)體中載流子濃度和導(dǎo)電類型的影響不像淺

13、能級雜質(zhì)那樣顯著，其濃度通常也較低，主要起復(fù)合中心的作用。采用摻金工藝能夠提高高速半導(dǎo)體器件的工作速度。2022/7/18292.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級四個基本特點：1) 不容易電離，對載流子濃度影響不大；2) 一般會產(chǎn)生多重能級，甚至既產(chǎn)生施主能級也產(chǎn)生受主能級。3) 能起到復(fù)合中心作用，使少數(shù)載流子壽命降低（在第五章詳細討論）。4) 深能級雜質(zhì)電離后為帶電中心，對載流子起散射作用，使載流子遷移率減少，導(dǎo)電性能下降。2022/7/18302.2 族化合物中的雜質(zhì)能級雜質(zhì)在GaAs中的存在形式三種情況： 1）取代砷 2）取代鎵 3）填隙2022/7/18312.2 族化合物中的雜質(zhì)能級施主

14、雜質(zhì)周期表中的族元素(Se、S、Te)在GaAs中通常都替代族元素As原子的晶格位置，由于族原子比族原子多一個價電子，因此族雜質(zhì)在GaAs中一般起施主作用，為淺施主雜質(zhì)。2022/7/18322.2 族化合物中的雜質(zhì)能級受主雜質(zhì)族元素（Zn、Be、Mg、Cd、Hg）在GaAs中通常都取代族元素Ga原子的晶格位置，由于族原子比族原子少一個價電子，因此族元素雜質(zhì)在GaAs中通常起受主作用，均為淺受主。2022/7/18332.2 族化合物中的雜質(zhì)能級兩性雜質(zhì)族元素雜質(zhì)（Si、Ge、Sn、Pb）在GaAs中的作用比較復(fù)雜，可以取代族的Ga，也可以取代族的As，甚至可以同時取代兩者，因此族雜質(zhì)不僅可以

15、起施主作用還可以起受主作用。如Si在GaAs中引入的施主能級和受主能級分別在導(dǎo)帶以下0.006eV和價帶以上0.03eV處。2022/7/18342.2 族化合物中的雜質(zhì)能級 摻Si的GaAs一般表現(xiàn)為n型。這是因為摻入的Si大部分占據(jù)Ga的位置。 在Si的濃度小于1018cm3,電子濃度大致與Si的濃度相等。但當Si的濃度更高時，電子濃度低于Si的濃度，且電子濃度有飽和的傾向。這說明有相當一部分硅占據(jù)了As的位置而起受主作用。而出現(xiàn)了雜質(zhì)的補償作用。Ge和Sn在GaAs中也主要起施主作用，常用作n型材料的摻雜劑雜質(zhì)的雙性行為2022/7/18352.2 族化合物中的雜質(zhì)能級中性雜質(zhì)族元素（B

16、、Al、In）和族元素（P、Sb）在GaAs中通常分別替代Ga和As，由于雜質(zhì)在晶格位置上并不改變原有的價電子數(shù)，因此既不給出電子也不俘獲電子而呈電中性，對GaAs的電學性質(zhì)沒有明顯影響。2022/7/18362.2 族化合物中的雜質(zhì)能級等電子陷阱在某些化合物半導(dǎo)體中，例如GaP中摻入V族元素N或Bi，N或Bi將取代P并在禁帶中產(chǎn)生能級。這個能級稱為等電子陷阱。這種效應(yīng)稱為等電子雜質(zhì)效應(yīng)。等電子雜質(zhì)的特征與本征元素同族但不同原子序數(shù)以替位形式存在于晶體中，基本上是電中性的。2022/7/18372.2 族化合物中的雜質(zhì)能級這類雜質(zhì)一般不能提供電子或空穴，但在一定條件下，可以收容一個電子或一個空

17、穴，作為電子陷阱或空穴陷阱起作用，通常稱之為等電子陷阱。 GaP中的NN在占據(jù)P的位置后，不會產(chǎn)生長程作用的庫侖勢，但N和P的負電性有明顯的差異(分別為3.0和2.1)，因此N有較強的獲得電子的傾向。或者從另一角度說，由于N和P電子結(jié)構(gòu)的差異，在N中心處存在對電子的短程作用勢。結(jié)果可以形成電子的束縛態(tài)(電子陷阱)。在GaP中，N能級在導(dǎo)帶以下約10meV。顯然這種雜質(zhì)不是施主，也不是典型的受主，但它能收容一個電子(起受主作用）。2022/7/18382.2 族化合物中的雜質(zhì)能級是否周期表中同族元素均能形成等電子陷阱呢？只有當摻入原子與基質(zhì)晶體原子在電負性、共價半徑方面有較大差別時，才能形成等電

18、子陷阱。一般說，同族元素原子序數(shù)越小，電負性越大，共價半徑越小。等電子雜質(zhì)電負性(即小原子序數(shù))大于基質(zhì)晶體原子的電負性時，取代后，它便能俘獲電子成為負電中心（電子陷阱）。反之，俘獲空穴成為正電中心（空穴陷阱）。 存在形式 替位式（等電子雜質(zhì)） 復(fù)合體，如 Zn-O（等電子絡(luò)合物）2022/7/18392.2 族化合物中的雜質(zhì)能級束縛激子等電子陷阱俘獲一種符號的載流子后，又因帶電中心的庫侖作用又俘獲另一種帶電符號的載流子，這就是束縛激子。束縛激子在由間接禁帶半導(dǎo)體材料制造的發(fā)光器件中起主要作用。2022/7/18402.2 族化合物中的雜質(zhì)能級2022/7/18412.2 族化合物中的雜質(zhì)能級2022/7/18422.3 缺陷、位錯能級1. 點缺陷點缺陷的種類：弗侖克耳缺陷：原子空位和間隙原子同時存在肖特基缺陷：晶體中只有晶格原子空位反肖特基缺陷：只有間隙原子而無原子空位點缺陷（熱缺陷）特點 ：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）。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。2022/7/18432.3 缺陷、位錯能級點缺陷對半導(dǎo)體性質(zhì)的影響： 1）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。2）熱缺陷能級大多為深能級