半導體物理學-半導體中雜質和缺陷能級模板

半導體物理學-半導體中雜質和缺陷能級模板第一頁，共60頁。2.1硅、鍺晶體中的雜質能級2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體的雜質能級2.3缺陷和位錯的能級第二章半導體中的雜質和缺陷能級第二頁，共60頁。本征半導體：是指沒有雜質和缺陷的半導體，其內(nèi)部的電子和空穴成對出現(xiàn)，叫做本征半導體。非正征半導體：半導體材料內(nèi)部由于雜質或缺陷，使得電子或空穴任意一方增加，這樣的半導體叫做摻雜半導體。本征激發(fā):T>0K時,電子從價帶激發(fā)到導帶,同時價帶中產(chǎn)生空穴.n0=p0=ni

n0p0=ni2

ni------本征載流子濃度第二章半導體中的雜質和缺陷能級第三頁，共60頁。第二章半導體中的雜質和缺陷能級第四頁，共60頁。實際半導體與理想半導體的主要區(qū)別實際晶體理想晶體原子在平衡位置附近振動原子靜止在嚴格周期性的晶格格點位置不純凈，含有雜質純凈存在點、線、面缺陷晶格結構完整無缺雜質：半導體晶格中存在的與組成半導體材料的元素不同的其他元素的原子。缺陷點缺陷，如空位、間隙原子、替位原子等線缺陷，如位錯等面缺陷，如層錯、晶粒間界等第五頁，共60頁。雜質和缺陷原子的周期性勢場受到破壞在禁帶中引入能級決定半導體的物理和化學性質第六頁，共60頁。2.1硅、鍺晶體中的雜質能級2.1.1替位式雜質間隙式雜質Si和Ge都具有金鋼石結構，一個原胞含有8個原子。原胞內(nèi)8個原子的體積與立方原胞體積之比為34%，原胞內(nèi)存在66%的空隙。金鋼石晶體結構中的四面體間隙位置

內(nèi)部4個原子構成T空隙金鋼石晶體結構中的六角形間隙位置3個鄰位面心+3個內(nèi)部原子構成H空隙第七頁，共60頁。2.1硅、鍺晶體中的雜質能級雜質原子進入半導體硅后，只可能以兩種方式存在。一種方式是雜質原子位于晶格原子間的間隙位置，常稱為間隙式雜質；間隙式雜質原子一般較小，如離子鋰（Li+）。Si：r=0.117nmLi+:r=0.068nm;P:r=0.11nm另一種方式是雜質原子取代晶格原子而位于晶格格點處，常稱為替位式雜質。替位式雜質原子通常與被取代的晶格原子大小比較接近而且電子殼層結構也相似。用單位體積中的雜質原子數(shù)，也就是雜質濃度來定量描述雜質含量多少，雜質濃度的單位為1/cm3SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiPSiSiSiSi第八頁，共60頁。2.1硅、鍺晶體中的雜質能級

施主摻雜（摻磷）2.1.2施主雜質、施主能級SiP+SiSiSiSiSiSiSi-

磷替代硅，其效果是形成一個正電中心P+和一個多余的價電子。這個多余的價電子就束縛在正電中心P+的周圍（弱束縛）。第九頁，共60頁?！瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛?/p>

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~65?Si的晶格常數(shù)為5.4?○對于Ge中的P原子，r

85?第十頁，共60頁。+4+4+5+4多余價電子磷原子Ⅴ族元素有5個價電子，其中的四個價電子與周圍的四個硅原子形成共價鍵，還剩余一個電子，同時Ⅴ族原子所在處也多余一個正電荷，稱為正離子中心，所以，一個Ⅴ族原子取代一個硅原子，其效果是形成一個正電中心和一個多余的電子。電子脫離雜質原子的束縛成為導電電子的過程稱為雜質電離。第十一頁，共60頁。2.1硅、鍺晶體中的雜質能級2.1.2施主雜質、施主能級多余的電子束縛在正電中心，但這種束縛很弱很小的能量就可使電子擺脫束縛，成為在晶格中導電的自由電子，而Ⅴ族原子形成一個不能移動的正電中心。硅、鍺中的Ⅴ族雜質，能夠釋放電子而產(chǎn)生導電電子并形成正電中心，稱為施主雜質或N型雜質，摻有N型雜質的半導體叫N型半導體。施主雜質未電離時是中性的，電離后成為正電中心。第十二頁，共60頁。2.1硅、鍺晶體中的雜質能級帶有分立的施主能級的能帶圖施主能級電離能帶圖第十三頁，共60頁。被施主雜質束縛的電子的能量狀態(tài)稱為施主能級ED。施主能級位于離導帶低很近的禁帶中雜質原子間的相互作用可忽略，某一種雜質的施主能級是一些具有相同能量的孤立能級。2.1硅、鍺晶體中的雜質能級表2-1硅、鍺晶體中Ⅴ族雜質的電離能(eV)第十四頁，共60頁。第十五頁，共60頁。

摻施主的半導體的導帶電子數(shù)主要由施主決定，半導體導電的載流子主要是電子（電子數(shù)>>空穴數(shù)），對應的半導體稱為N型半導體。稱電子為多數(shù)載流子，簡稱多子，空穴為少數(shù)載流子，簡稱少子。第十六頁，共60頁。2.1.3受主雜質受主能級2.1硅、鍺晶體中的雜質能級

受主摻雜（摻硼）SiB-SiSiSiSiSiSiSi+

硼原子接受一個電子后，成為帶負電的硼離子，稱為負電中心（B-）。帶負電的硼離子和帶正電的空穴間有靜電引力作用，這個空穴受到硼離子的束縛，在硼離子附近運動。第十七頁，共60頁。空穴B-+4+4+3+4Ⅲ族元素占據(jù)了硅原子的位置：Ⅲ族元素有3個價電子，它與周圍的四個硅原子形成共價鍵，還缺少一個電子，于是在硅晶體的共價鍵中產(chǎn)生了一個空穴，而Ⅲ族原子接受一個電子后所在處形成一個負離子中心，所以，一個Ⅲ族原子取代一個硅原子，其效果是形成一個負電中心和一個空穴第十八頁，共60頁。2.1硅、鍺晶體中的雜質能級2.1.3受主雜質、受主能級

空穴束縛在Ⅲ族原子附近，但這種束縛很弱很小的能量就可使空穴擺脫束縛，成為在晶格中自由運動的導電空穴，而Ⅲ族原子形成一個不能移動的負電中心。硅、鍺中的Ⅲ族雜質，能夠接受電子而在價帶中產(chǎn)生空穴，并形成負電中心的雜質，稱為受主雜質或P型雜質，摻有P型雜質的半導體叫P型半導體。受主雜質未電離時是中性的，電離后成為負電中心。第十九頁，共60頁。2.1硅、鍺晶體中的雜質能級受主能級電離能帶圖帶有分立的受主能級的能帶圖第二十頁，共60頁。被受主雜質束縛的空穴的能量狀態(tài)稱為受主能級EA。施主能級位于離價帶頂很近的禁帶中雜質原子間的相互作用可忽略，某一種雜質的受主能級是一些具有相同能量的孤立能級。2.1硅、鍺晶體中的雜質能級表2-2硅、鍺晶體中III族雜質的電離能(eV)第二十一頁，共60頁。

摻受主的半導體的價帶空穴數(shù)由受主決定，半導體導電的載流子主要是空穴（空穴數(shù)>>電子數(shù)），對應的半導體稱為P型半導體?？昭槎嘧樱娮訛樯僮?。

第二十二頁，共60頁。施主和受主濃度：ND、NA施主：Donor，摻入半導體的雜質原子向半導體中提供導電的電子，并成為帶正電的離子。如Si中摻的P和As受主：Acceptor，摻入半導體的雜質原子向半導體中提供導電的空穴，并成為帶負電的離子。如Si中摻的B總結第二十三頁，共60頁。深能級雜質和淺能級雜質淺能級雜質：引入能級接近導帶底Ec的施主雜質或引入能級接近價帶頂Ev的受主雜質。其作用是改變半導體導電類型和調(diào)節(jié)導電能力，例如室溫下，硅、鍺中III、V族雜質幾乎全部電離。深能級雜質：引入能級遠離導帶底Ec的施主雜質或引入能級遠離價帶頂Ev的受主雜質。一般作為復合中心，它對載流子和導電類型影響較小。第二十四頁，共60頁。總結

第二十五頁，共60頁。2.1硅、鍺晶體中的雜質能級2.1.4淺能級雜質電離能的簡單計算采用類氫原子模型估算施主和受主雜質的電離能氫原子中電子的能量：n=1時,基態(tài)電子能量n=時，氫原子電離E=0氫原子的電離能第二十六頁，共60頁。2.1硅、鍺晶體中的雜質能級晶體內(nèi)雜質原子束縛的電子與類氫模型相比：

m0mn*,mp*;0r0

施主雜質的電離能：

Si:

Ge:受主雜質的電離能第二十七頁，共60頁。2.1硅、鍺晶體中的雜質能級氫原子半徑：施主雜質半徑：基態(tài)下（n=1），氫原子的軌道半徑：第二十八頁，共60頁。第二十九頁，共60頁。第三十頁，共60頁。2.1硅、鍺晶體中的雜質能級2.1.5雜質的補償作用當半導體中同時存在施主和受主雜質時，半導體是n型還是p型呢？在半導體中，若同時存在著施主和受主雜質，施受主雜質之間有互相抵消的作用，通常稱為雜質的補償作用。一共有如下三種情況：ND>>NANA>>NDNA~ND~第三十一頁，共60頁。1、當ND>>NA2.1硅、鍺晶體中的雜質能級因為受主能級低于施主能級，所以施主雜質的電子首先躍遷到NA個受主能級上，還有ND-NA個電子在施主能級上，雜質全部電離時，躍遷到導帶中的導電電子的濃度為n=ND-NA。即則有效施主濃度為NDeff≈ND-NAECEVEDEA第三十二頁，共60頁。2.1硅、鍺晶體中的雜質能級2、當NA>>ND

施主能級上的全部電子躍遷到受主能級上，受主能級上還有NA-ND個空穴，它們可接受價帶上的NA-ND個電子，在價帶中形成的空穴濃度p=NA-ND.即有效受主濃度為NAeff≈NA-NDECEVEDEA第三十三頁，共60頁。3、當NAND時，不能向導帶和價帶提供電子和空穴，稱為雜質的高度補償。

這種材料容易被誤認高純半導體，實際上含雜質很多，性能很差，不能用來制造半導體器件。2.1硅、鍺晶體中的雜質能級第三十四頁，共60頁。雜質補償作用是制造各種半導體器件的基礎。

如能根據(jù)需要用擴散或離子注人方法來改變半導體中某一區(qū)域的導電類型，以制成各種器件.

晶體管制造過程中的雜質補償n型Si外延層PN硼磷2.1硅、鍺晶體中的雜質能級NN第三十五頁，共60頁。2.1硅、鍺晶體中的雜質能級2.1.6深能級雜質

在半導體硅、鍺中，除Ⅲ、Ⅴ族雜質在禁帶中形成淺能級外，其它各族元素摻入硅、鍺中也會在禁帶中產(chǎn)生能級。這些能級通常是遠離導帯底的深施主能級和遠離價帶頂?shù)纳钍苤髂芗?，見下圖，圖中“+”表示引入施主能級、“-”表示引入受主能級。第三十六頁，共60頁。2.1硅、鍺晶體中的雜質能級第三十七頁，共60頁。2.1硅、鍺晶體中的雜質能級第三十八頁，共60頁。2.1硅、鍺晶體中的雜質能級特點：1、施主雜質能級距離導帶底較遠，受主雜質能級距離價帶頂較遠，這種能級稱為深能級，相應的雜質稱為深能級雜質。2、深能級雜質能夠產(chǎn)生多次電離，每次電離對應有一個能級。有的雜質既能引入施主能級，又能引入受主能級。第三十九頁，共60頁。2.1硅、鍺晶體中的雜質能級深能級雜質產(chǎn)生多次電離：1）I族元素銅、銀、金在鍺中產(chǎn)生3個受主能級，而金還能產(chǎn)生1個施主能級；在硅中，銅產(chǎn)生3個受主能級，銀和金各產(chǎn)生1個受主能級和1個施主能級。鋰在鍺和硅中是間隙式雜質，產(chǎn)生1個淺施主能級。2）II族元素鋅、鎘、汞在鍺和硅中均產(chǎn)生2個受主能級，而汞在硅中還產(chǎn)生2個施主能級。鈹在在鍺中產(chǎn)生2個受主能級，在硅中產(chǎn)生1個受主能級。鎂在硅中產(chǎn)生2個受主能級。第四十頁，共60頁。2.1硅、鍺晶體中的雜質能級深能級雜質產(chǎn)生多次電離：3）III族元素硼、鋁、鎵、銦、鉈在鍺和硅中各產(chǎn)生1個淺受主能級，而鋁在硅中，還能產(chǎn)生1個施主能級。4）IV族元素碳在硅中產(chǎn)生1個施主能級，而錫和鉛在硅中產(chǎn)生1個施主能級和1個受主能級。5）V族元素磷、砷、銻在硅和鍺中各產(chǎn)生一個淺施主能級。第四十一頁，共60頁。2.1硅、鍺晶體中的雜質能級深能級雜質產(chǎn)生多次電離：6）VI族元素硫、硒、碲在鍺中產(chǎn)生2個施主能級，在硅中，硫產(chǎn)生2個施主能級、1個受主能級；碲產(chǎn)生2個施主能級；而硒產(chǎn)生3個施主能級。氧在硅中產(chǎn)生3個施主能級，還能產(chǎn)生2個受主能級。7）過渡族元素錳、鐵、鈷、鎳在鍺中均產(chǎn)生2個受主能級，其中鈷還產(chǎn)生1個施主能級。在硅中錳、鐵產(chǎn)生3個施主能級，錳還能產(chǎn)生2個受主能級；而鈷則產(chǎn)生3個受主能級、鎳產(chǎn)生2個受主能級。第四十二頁，共60頁。2.1硅、鍺晶體中的雜質能級金在鍺中產(chǎn)生的能級中性金原子Au0只有一個價電子，它取代鍺原子后，金的這一價電子可以電離躍遷到導帶，形成深施主能級ED。它也可以從價帶接受1~3個電子，形成三個深受主能級。所以，在鍺中金有5種荷電狀態(tài)，Au+,Au0,Au-,Au?,AuΞECEVEDEA1EiEA2EA30.040.200.150.04金在鍺中的能級第四十三頁，共60頁。2.1硅、鍺晶體中的雜質能級金在鍺中產(chǎn)生的能級金在鍺中產(chǎn)生的ED是深施主能級，EA1、EA2和EA3是Au0依次接受1個、2個、3個電子后形成的深受主能級，

由于電子間的庫侖排斥作用，接受2個電子比接受1個電子所需電離能大，而接受3個電子比接受2個電子所需電離能還大，Au-，Au?，AuΞ能級逐漸升高。ECEVEDEA1EiEA2EA30.040.200.150.04金在鍺中的能級第四十四頁，共60頁。2.1硅、鍺晶體中的雜質能級金在硅中產(chǎn)生的深能級金在硅中只觀測1個深施主能級和1個深受主能級，這可能是由于其他施主態(tài)和受主態(tài)的電離能大于禁帶寬度，相應的施主能級和受主能級進入了價帶和導帶，所以在禁帶中已經(jīng)測不到了?，F(xiàn)在常用深能級瞬態(tài)譜測量雜質的深能級。金是一種典型的復合中心，在制造高速開關器件時，常有意摻入金以提高器件的響應速度。深能級雜質的電離能常采用類氦模型。第四十五頁，共60頁。2.1硅、鍺晶體中的雜質能級總結：深能級雜質能夠產(chǎn)生多次電離，在禁帶中引入多個能級。深能級雜質對半導體的導電類型和載流子濃度影響較小，但是它們對于載流子的復合作用很強，稱為復合中心。第四十六頁，共60頁。

2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體的雜質能級

1、Ⅰ族元素，在GaAs中一般起受主作用。Ag受主能級(Ev+0.11eV)；Au受主能級(Ev+0.09eV)；Li產(chǎn)生2個受主能級(Ev+0.023eV)、(Ev+0.05eV)；Cu產(chǎn)生5個受主能級(Ev+0.023eV)、(Ev+0.14eV)、(Ev+0.19eV)、(Ev+0.24eV)、(Ev+0.44eV)。第四十七頁，共60頁。

2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體的雜質能級

2、Ⅱ族元素為淺受主雜質在GaAs、GaP、InP等III-V化合物中，鈹、鎂、鋅、鎘取代Ⅲ族原子而處于晶格格點上，引入淺受主能級晶體雜質鈹鎂鋅鎘GaAs0.0300.0300.0240.021GaP0.0560.0540.0640.009GaAs、GaP晶體中受主雜質的電離能第四十八頁，共60頁。2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體的雜質能級3、Ⅲ族的B、Al取代Ga,Ⅴ族的P，銻(Sb)取代As既不是施主也不是受主雜質，是電中性雜質。等電子雜質效應：在某些化合物半導體，如GaP中，摻入N或鉍(Bi)，取代P后，在禁帶中引入能級，形成等電子陷阱。等電子陷阱形成條件：當摻入原子與基質晶體原子在電負性、共價半徑方面具有較大差別時，形成等電子陷阱。例如，GaP中，摻入N，能俘獲電子，成為負電中心；摻入鉍(Bi)，能俘獲空穴，成為正電中心。束縛激子：等電子陷阱俘獲載流子后，形成帶電中心，這一帶電中心又能俘獲另一種異號載流子，形成束縛激子。第四十九頁，共60頁。2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體的雜質能級3、Ⅲ族的B、Al取代Ga,Ⅴ族的P，銻(Sb)取代As既不是施主也不是受主雜質，是電中性雜質。束縛激子在間接帶隙半導體材料制造的發(fā)光器件中，起主要的作用。除了等電子雜質原子可以形成等電子陷阱外，等電子絡合物也能形成等電子陷阱。例如，在GaP中，當相鄰晶格點的兩個雜質原子ZnGa與OP形成ZnGa-OP絡合物時，也形成可以俘獲電子的等電子陷阱，成為負電中心。第五十頁，共60頁。2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體的雜質能級GaAs電子濃度和硅雜質濃度的關系4、Ⅳ族雜質在Ⅲ-Ⅴ族化合物中的雙性行為

Ⅳ族元素取代Ⅲ族原子則起施主作用；

Ⅳ族元素取代Ⅴ族原子則起受主作用。

導帶中電子濃度隨硅雜質濃度的增加而增加，當硅雜質濃度增加到一定程度時趨于飽和。硅先取代Ga原子起施主作用，隨著硅濃度的增加，硅取代As原子起受主作用，即表現(xiàn)出雙性行為。第五十一頁，共60頁。2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體的雜質能級

5、Ⅵ族元素取代Ⅴ族原子，引入施主能級

Ⅵ族元素氧、硫、硒、碲比Ⅴ族元素多一個價電子而且容易失去，所以表現(xiàn)為施主雜質。晶體雜質硫硒碲GaAs0.0060.0060.03GaP0.1040.1020.0895GaAs、GaP晶體中受主雜質的電離能(eV)第五十二頁，共60頁。2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體的雜質能級6、摻過渡族元素，在GaAs中，Gr、Mn、Co、Ni均產(chǎn)生1個受主能級，而Fe產(chǎn)生2個受主能級；在GaP中，F(xiàn)e、Co、Ni產(chǎn)生2個受主能級；而V、Ti可以產(chǎn)生1個受主能級和1個施主能級。將Cr摻入n型GaAs中，由于雜質的補償作用，可以制備高電阻率的半絕緣GaAs晶體，電阻率達到106~107Ωcm，可以用來作為集成電路襯底。第五十三頁，共60頁。氮化鎵的雜質能級

目前常用硅作為GaN的n型摻雜，用鎂，鋅作為GaN的p型摻雜。

硅作為施主的電離能：0.012~0.02eV

鎂作為受主的電離能：0.14~0.21eV

2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體的雜質能級第五十四頁，共60頁。2.3缺陷、位錯能級2.3.1點缺陷

間隙原子缺陷：只有間隙原子而無原子空位

肖特基缺陷：晶體內(nèi)形成空位而無間隙原子。弗倉克耳缺陷：間隙原子和空位成對出現(xiàn)。硅、鍺材料中