半導(dǎo)體物理2013(第二章)

半導(dǎo)體物理2013(第二章)第一頁(yè)，共31頁(yè)。實(shí)際材料中1、總是有雜質(zhì)、缺陷，使周期場(chǎng)破壞，在雜質(zhì)或缺陷周圍引起局部性的量子態(tài)——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)起著決定性的影響。2、雜質(zhì)電離提供載流子。

晶體中雜質(zhì)來源由于純度有限，半導(dǎo)體原材料所含有的雜質(zhì)半導(dǎo)體單晶制備和器件制作過程中的污染為改變半導(dǎo)體的性質(zhì)，在器件制作過程中有目的摻入的某些特定的化學(xué)元素原子第二頁(yè)，共31頁(yè)?！?.1.1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，以兩種方式存在一種方式是雜質(zhì)原子位于品格原子間的間隙位置，常稱為間隙式雜質(zhì)（A）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，常稱為替位式雜質(zhì)（B）間隙式雜質(zhì)和替位式雜質(zhì)第三頁(yè)，共31頁(yè)。

兩種雜質(zhì)特點(diǎn)：間隙式雜質(zhì)原子小于晶體原子替位式雜質(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(jià)電子殼層結(jié)構(gòu)比較相近如：III、V族元素在硅、鍺中均為替位式雜質(zhì)雜質(zhì)濃度：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)的雜質(zhì)原子數(shù)§2.1.1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)生附加勢(shì)場(chǎng)，從能帶的角度來說就是在禁帶中引入了各種雜質(zhì)能級(jí)和缺陷能級(jí)。第四頁(yè)，共31頁(yè)。§2.1.2施主雜質(zhì)施主能級(jí)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)。小概念：施主電離束縛態(tài)和電離態(tài)施主電離能施主能級(jí)n型半導(dǎo)體第五頁(yè)，共31頁(yè)。

以硅中摻磷P為例：磷原子占據(jù)硅原子的位置。磷其中四個(gè)價(jià)電子與周圍的四個(gè)硅原于形成共價(jià)鍵，還剩余一個(gè)多余的價(jià)電子，束縛在正電中心P＋的周圍。價(jià)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(yùn)動(dòng)這時(shí)磷原子就成為少了一個(gè)價(jià)電子的磷離子P＋，它是一個(gè)不能移動(dòng)的正電中心。§2.1.2施主雜質(zhì)施主能級(jí)第六頁(yè)，共31頁(yè)。施主雜質(zhì)向?qū)п尫烹娮拥倪^程為施主電離施主雜質(zhì)未電離之前是電中性的稱為中性態(tài)或束縛態(tài)；電離后成為正電中心稱為離化態(tài)或電離態(tài)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為施主電離能，施主電離能為ΔED被施主雜質(zhì)束縛的電子的能量狀態(tài)稱為施主能級(jí)，記為ED，。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?，使半?dǎo)體成為主要依靠導(dǎo)帶電子導(dǎo)電的n型半導(dǎo)體（也稱電子型半導(dǎo)體）?！?.1.2施主雜質(zhì)施主能級(jí)第七頁(yè)，共31頁(yè)?！?.1.3

受主雜質(zhì)受主能級(jí)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)。小概念：受主電離受主電離能受主能級(jí)p型半導(dǎo)體第八頁(yè)，共31頁(yè)。

以硅中摻硼B(yǎng)為例：

In原子占據(jù)硅原子的位置，與周圍的四個(gè)硅原于形成共價(jià)鍵時(shí)還缺一個(gè)電子，就從別處奪取價(jià)電子，這就在Si形成了一個(gè)空穴。這時(shí)In原子就成為多了一個(gè)價(jià)電子的磷離子，它是一個(gè)不能移動(dòng)的負(fù)電中心?？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(yùn)動(dòng)?！?.1.3

受主雜質(zhì)受主能級(jí)第九頁(yè)，共31頁(yè)。受主雜質(zhì)釋放空穴的過程稱為受主電離使空穴掙脫束縛成為導(dǎo)電空穴所需要的最小能量稱為受主電離能，記為ΔEA空穴被受主雜質(zhì)束縛時(shí)的能量狀態(tài)稱為受主能級(jí)，記為EA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)體成為主要依靠空穴導(dǎo)電的p型半導(dǎo)體（也稱空穴型半導(dǎo)體）?！?.1.3

受主雜質(zhì)受主能級(jí)第十頁(yè)，共31頁(yè)?！?.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)：電離能小的雜質(zhì)稱為淺能級(jí)雜質(zhì)。所謂淺能級(jí)，是指施主能級(jí)靠近導(dǎo)帶底，受主能級(jí)靠近價(jià)帶頂。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。五價(jià)元素磷（P）、砷（As）、銻（Sb）在硅、鍺中是淺施主雜質(zhì)；三價(jià)元素硼（B）、鋁（Al）、鎵（Ga）、銦（In）在硅、鍺中為淺受主雜質(zhì)。第十一頁(yè)，共31頁(yè)。類氫模型§2.1.4淺能級(jí)雜質(zhì)電離能的簡(jiǎn)單計(jì)算第十二頁(yè)，共31頁(yè)?！?.1.5

雜質(zhì)的補(bǔ)償作用雜質(zhì)補(bǔ)償：半導(dǎo)體中同時(shí)存在施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)時(shí)，它們的共同作用會(huì)使載流子減少，這種作用稱為雜質(zhì)補(bǔ)償。在制造半導(dǎo)體器件的過程中，通過采用雜質(zhì)補(bǔ)償?shù)姆椒▉砀淖儼雽?dǎo)體某個(gè)區(qū)域的導(dǎo)電類型或電阻率。（參看書中圖2.7）

1）：剩余雜質(zhì)2）：剩余雜質(zhì)第十三頁(yè)，共31頁(yè)。當(dāng)ND≈NA

高度補(bǔ)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，一般不能用來制造半導(dǎo)體器件。

有效雜質(zhì)濃度補(bǔ)償后半導(dǎo)體中的凈雜質(zhì)濃度。§2.1.5

雜質(zhì)的補(bǔ)償作用第十四頁(yè)，共31頁(yè)?！?.1.6

深能級(jí)雜質(zhì)深能級(jí)雜質(zhì)：非Ⅲ、Ⅴ族雜質(zhì)在Si、Ge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)原子的大小、雜質(zhì)在半導(dǎo)體中的位置等因素都有關(guān)系。第十五頁(yè)，共31頁(yè)。深能級(jí)的形成Ⅵ族雜質(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)中心使第二個(gè)電子電離需要更大能量，對(duì)應(yīng)更深的能級(jí)，所以Ⅵ族雜質(zhì)在硅鍺中一般產(chǎn)生兩重施主能級(jí)，如鍺中的硒、碲?！?.1.6

深能級(jí)雜質(zhì)第十六頁(yè)，共31頁(yè)。深能級(jí)的形成Ⅰ族雜質(zhì).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Ⅰ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)有可能處于允帶之中，某些Ⅰ族雜質(zhì)受主能級(jí)少于三個(gè)。Ⅱ族雜質(zhì)。與Ⅵ族雜質(zhì)情況類似，可以產(chǎn)生兩重受主能級(jí)?！?.1.6

深能級(jí)雜質(zhì)第十七頁(yè)，共31頁(yè)。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，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)合作用比淺能級(jí)雜質(zhì)強(qiáng)，使少數(shù)載流子壽命降低，稱這些雜質(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，使載流子遷移率減少，導(dǎo)電性能下降?！?.1.6

深能級(jí)雜質(zhì)第十八頁(yè)，共31頁(yè)?！?.1.7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三種情況：

1）取代砷；2）取代鎵；3）填隙

Ⅰ族元素：一般引入受主能級(jí)，起受主作用。Ⅱ族雜質(zhì)與Ⅲ族原子價(jià)電子數(shù)相近，通常取代晶格中Ⅲ族原子，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)，而且電離能較小，在Ⅲ-Ⅴ族化合物中引入淺受主能級(jí)。所以Ⅱ族雜質(zhì)是Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體的p型摻雜劑，如GaAs中的Mg、Zn。第十九頁(yè)，共31頁(yè)。Ⅵ族雜質(zhì)：與Ⅴ族晶格原子的價(jià)電子數(shù)相近，在Ⅲ-Ⅴ族化合物中取代Ⅴ族晶格原子，與周圍晶格原子形成共價(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)，一般引入淺施主能級(jí)，如GaAs中的S、Se?？勺鳛閚型摻雜劑。Ⅳ族雜質(zhì)：既可以取代Ⅲ族晶格原子起施主作用，又可以取代Ⅴ族晶格原子起受主作用，從而在Ⅲ-Ⅴ族化合物中引入雙重能級(jí)——雙性行為。§2.1.7化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí)第二十頁(yè)，共31頁(yè)。

四族元素：硅在砷化鎵中會(huì)產(chǎn)生雙性行為，即硅的濃度較低時(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。這種雙性行為可作如下解釋：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V族砷原子而起著受主雜質(zhì)的作用，因而對(duì)于取代Ⅲ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)第二十一頁(yè)，共31頁(yè)。Ⅲ、Ⅴ族元素：——等電子雜質(zhì)當(dāng)Ⅲ族或Ⅴ族雜質(zhì)摻入不是由它們本身構(gòu)成的Ⅲ-Ⅴ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)種類和Ⅲ-Ⅴ族化合物的種類。§2.1.7化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí)第二十二頁(yè)，共31頁(yè)。與晶格基質(zhì)原子具有相同價(jià)電子的雜質(zhì)稱為等電子雜質(zhì)。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，能夠在晶體中俘獲某種載流子成為帶電中心，這種帶電中心叫等電子陷阱。例如，GaAs中，Ⅲ（或Ⅴ）族雜質(zhì)取代Ga(或As)時(shí)，不引入禁帶能級(jí)。在GaP中Ⅴ族雜質(zhì)N、Bi取代P就能在禁帶中引入能級(jí)，N和Bi就是等電子陷阱，等電子陷阱俘獲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)第二十三頁(yè)，共31頁(yè)?！?.2半導(dǎo)體中的缺陷能級(jí)(defectlevels)§2.2.1點(diǎn)缺陷（熱缺陷）pointdefects/thermaldefects點(diǎn)缺陷的種類：弗侖克耳缺陷：原子空位和間隙原子同時(shí)存在肖特基缺陷：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第二十四頁(yè)，共31頁(yè)?！?.2.1點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷（熱缺陷）特點(diǎn)：①熱缺陷的數(shù)目隨溫度升高而增加②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?、鄞慊鸷罂梢浴皟鼋Y(jié)”高溫下形成的缺陷。④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。第二十五頁(yè)，共31頁(yè)。點(diǎn)缺陷對(duì)半導(dǎo)體性質(zhì)的影響：

1）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)。2）點(diǎn)缺陷對(duì)材料的導(dǎo)電類型起一定的作用3）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。4）空位缺陷有利于雜質(zhì)擴(kuò)散5）對(duì)載流子有散射作用，使載流子遷移率和壽命降低?！?.2.1點(diǎn)缺陷第二十六頁(yè)，共31頁(yè)。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；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)M、X表示，M代表電負(fù)性小的原子，X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VX是施主；M為間隙原子時(shí)為施主，X為間隙原子時(shí)為受主。在化合物半導(dǎo)體AB中，若A取代B稱為AB，常常表現(xiàn)為受主；若B取代A稱為BA，表現(xiàn)為施主?！?.2.1點(diǎn)缺陷第二十七頁(yè)，共31頁(yè)?！?.2.2

位錯(cuò)位錯(cuò)對(duì)半導(dǎo)體性能的影響：

1）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)電子也可以被釋放出來而變?yōu)檎娭行?，此時(shí)表現(xiàn)為施主，即不飽和的懸掛鍵具有雙性行為，可以起受主作用，也可以起施主作用。2）位錯(cuò)線處晶格變形，導(dǎo)致能帶變形；3）位錯(cuò)線影響雜質(zhì)分布均勻性；4）位錯(cuò)線若接受電子變成負(fù)電中心，對(duì)載流子有散射作用；5）影響少子壽命，原因：一是能帶變形，禁帶寬度減小，有利于非平衡載流子復(fù)合；二是在禁帶中產(chǎn)生深能級(jí)，促進(jìn)載流子復(fù)合。第二十八頁(yè)，共31頁(yè)。本章主要內(nèi)容回顧：

⒈掌握幾個(gè)重要概念（施主雜質(zhì)及相關(guān)概念、受主雜質(zhì)及相關(guān)概念、深能級(jí)）；雜質(zhì)補(bǔ)償；深能級(jí)的概念及特點(diǎn)；⒉晶體點(diǎn)缺陷對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電類型的影響。第二十九頁(yè)，共31頁(yè)。一、二章測(cè)驗(yàn)1.請(qǐng)寫出兩章中至少5個(gè)重要的概念名稱。2.某三維各向異性的半導(dǎo)體材料，導(dǎo)帶底能量為Ec，導(dǎo)帶極小值位于(0