1、第二章 半導體中雜質和缺陷能級n理想半導體：理想半導體：1 1、原子嚴格地周期性排列，晶體具有完整的晶、原子嚴格地周期性排列，晶體具有完整的晶格結構。格結構。2 2、晶體中無雜質，無缺陷。、晶體中無雜質，無缺陷。3 3、電子在周期場中作共有化運動，形成允帶和、電子在周期場中作共有化運動，形成允帶和禁帶禁帶電子能量只能處在允帶中的能級上，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)提供載流子禁帶中無能級。由本征激發(fā)提供載流子本征半導體本征半導體晶體具有完整的（完美的）晶晶體具有完整的（完美的）晶格結構，無任何雜質和缺陷。格結構，無任何雜質和缺陷。 n實際材料中實際材料中1 1、總是有

2、雜質、缺陷，使周期場破壞，在雜、總是有雜質、缺陷，使周期場破壞，在雜質或缺陷周圍引起局部性的量子態(tài)質或缺陷周圍引起局部性的量子態(tài)對應對應的能級常常處在禁帶中，對半導體的性質起的能級常常處在禁帶中，對半導體的性質起著決定性的影響。著決定性的影響。2 2、雜質電離提供載流子。、雜質電離提供載流子。 晶體中雜質來源晶體中雜質來源n由于純度有限，半導體原材料所含有的雜質由于純度有限，半導體原材料所含有的雜質n半導體單晶制備和器件制作過程中的污染半導體單晶制備和器件制作過程中的污染n為改變半導體的性質，在器件制作過程中有目為改變半導體的性質，在器件制作過程中有目的摻入的某些特定的化學元素原子的摻入的某些

3、特定的化學元素原子2.1.1 硅鍺晶體中的雜質能級 雜質原子進入半導體后，以雜質原子進入半導體后，以兩種方式存在兩種方式存在n一種方式是雜質原子位于品一種方式是雜質原子位于品格原子間的間隙位置，常稱格原子間的間隙位置，常稱為為間隙式雜質間隙式雜質（A A）n另一種方式是雜質原子取代另一種方式是雜質原子取代晶格原子而位于晶格點處，晶格原子而位于晶格點處，常稱為常稱為替位式雜質替位式雜質（B B）間隙式雜質和替位式雜間隙式雜質和替位式雜質質 兩種雜質特點：兩種雜質特點：n間隙式雜質原子小于晶體原子間隙式雜質原子小于晶體原子n替位式雜質：替位式雜質：1 1）雜質原子的大小與被取代的晶格原子的大小）雜

4、質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）價電子殼層結構比較相近）價電子殼層結構比較相近如：如：IIIIII、V V族元素在硅、鍺中均為替位式雜質族元素在硅、鍺中均為替位式雜質n雜質濃度雜質濃度：單位體積內的雜質原子數(shù)：單位體積內的雜質原子數(shù)2.1.1 硅鍺晶體中的雜質能級 雜質和缺陷破壞了晶體的周期性勢場，產生附雜質和缺陷破壞了晶體的周期性勢場，產生附加勢場，從能帶的角度來說就是加勢場，從能帶的角度來說就是在禁帶中引入了各在禁帶中引入了各種雜質能級和缺陷能級種雜質能級和缺陷能級。2.1.2 施主雜質 施主能級n施主雜質施主雜質V V族元素在硅、鍺中電離時能夠釋放電子而產族元

5、素在硅、鍺中電離時能夠釋放電子而產生導電電子并形成正電中心，稱此類雜質為生導電電子并形成正電中心，稱此類雜質為施主雜質或施主雜質或n n型雜質。型雜質。 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 施主能級施主能級 n n型半導體型半導體 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。磷其中四個價電子與周圍的四磷其中四個價電子與周圍的四個硅原于形成共價鍵，還剩余個硅原于形成共價鍵，還剩余一個多余的價電子，束縛在正一個多余的價電子，束縛在正電中心電中心P P的周圍。價電子只要的周圍。價電子只要很少能量就可掙脫束

6、縛，成為很少能量就可掙脫束縛，成為導電電子導電電子在晶格中自由運動這在晶格中自由運動這時磷原子就成為少了一個價電時磷原子就成為少了一個價電子的磷離子子的磷離子P P，它是一個不能，它是一個不能移動的移動的正電中心正電中心。2.1.2 施主雜質 施主能級n施主雜質向導帶釋放電子的過程為施主雜質向導帶釋放電子的過程為施主施主電離電離n施主雜質未電離之前是電中性的稱為施主雜質未電離之前是電中性的稱為中性態(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為；電離后成為正電中心稱為離化態(tài)或電離態(tài)離化態(tài)或電離態(tài)n使多余的價電子掙脫束縛成為導電電子所需要的使多余的價電子掙脫束縛成為導電電子所需要的最小能量稱為最

7、小能量稱為施主施主電離能，電離能，施主電離能為施主電離能為E ED Dn被施主雜質束縛的電子的能量狀態(tài)稱為被施主雜質束縛的電子的能量狀態(tài)稱為施主能級施主能級，記為，記為E ED D，。n施主雜質電離后成為不可移動的帶正電的施主離施主雜質電離后成為不可移動的帶正電的施主離子，同時向導帶提供電子，使半導體成為子，同時向導帶提供電子，使半導體成為主要依主要依靠導帶電子導電的靠導帶電子導電的n n型半導體（也稱電子型半導體型半導體（也稱電子型半導體）。2.1.2 施主雜質 施主能級2.1.3 受主雜質 受主能級n受主雜質受主雜質IIIIII族元素在硅、鍺中電離時能夠接受電子而族元素在硅、鍺中電離時能夠

8、接受電子而產生導電空穴并形成負電中心，稱此類雜質產生導電空穴并形成負電中心，稱此類雜質為受主雜質或為受主雜質或p p型雜質。型雜質。 小概念：受主電離小概念：受主電離 受主電離能受主電離能 受主能級受主能級 p p型半導體型半導體 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，與周圍的四個硅原于形成共價與周圍的四個硅原于形成共價鍵時還缺一個電子，就從別處鍵時還缺一個電子，就從別處奪取價電子，這就在奪取價電子，這就在SiSi形成了形成了一個空穴。這時一個空穴。這時InIn原子就成為原子就成為多了一個價電子的磷離子，它多了一個價電子的磷離子，它是一個

9、不能移動的負是一個不能移動的負電中心電中心?？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，成為導電空穴導電空穴在晶格中自在晶格中自由運動。由運動。2.1.3 受主雜質 受主能級n受主雜質釋放空穴的過程稱為受主雜質釋放空穴的過程稱為受主電離受主電離n使空穴掙脫束縛成為導電空穴所需要的最小能使空穴掙脫束縛成為導電空穴所需要的最小能量稱為量稱為受主電離能，受主電離能，記為記為E EA An空穴被受主雜質束縛時的能量狀態(tài)稱為空穴被受主雜質束縛時的能量狀態(tài)稱為受主能受主能級，級，記為記為E EA An受主雜質電離后成為不可移動的帶負電的受主受主雜質電離后成為不可移動的帶負電的受主離子，

10、同時向價帶提供空穴，使半導體成為離子，同時向價帶提供空穴，使半導體成為主主要依靠空穴導電的要依靠空穴導電的p p型半導體（也稱空穴型半導型半導體（也稱空穴型半導體）。體）。2.1.3 受主雜質 受主能級 2.1.4 淺能級雜質電離能的簡單計算n淺能級雜質淺能級雜質：電離能小的雜質稱為淺能級雜質。：電離能小的雜質稱為淺能級雜質。n所謂所謂淺能級淺能級，是指施主能級靠近導帶底，受主能，是指施主能級靠近導帶底，受主能級靠近價帶頂。級靠近價帶頂。n室溫下，摻雜濃度不很高的情況下，淺能級雜質室溫下，摻雜濃度不很高的情況下，淺能級雜質幾乎可以可以全部電離。幾乎可以可以全部電離。 五價元素磷（五價元素磷（P

11、 P）、砷（）、砷（AsAs）、銻（）、銻（SbSb）在硅、）在硅、鍺中是淺施主雜質；鍺中是淺施主雜質； 三價元素硼（三價元素硼（B B）、鋁（）、鋁（AlAl）、鎵（）、鎵（GaGa）、銦（）、銦（InIn）在硅、鍺中為淺受主雜質。）在硅、鍺中為淺受主雜質。n類氫模型類氫模型*020nDrmEEm*020pArmEEm11 123nnltmmmm電導有效質量222040)4(2nqmEneVEEE6 .1310基態(tài)電子的電離能為rnmm00*0 2.1.4 淺能級雜質電離能的簡單計算2.1.5 雜質的補償作用n雜質補償雜質補償：半導體中同時存在施主雜質和受主雜半導體中同時存在施主雜質和受主雜

12、質時，它們的共同作用會使載流子減少，這種作質時，它們的共同作用會使載流子減少，這種作用稱為雜質補償。在制造半導體器件的過程中，用稱為雜質補償。在制造半導體器件的過程中，通過采用雜質補償?shù)姆椒▉砀淖儼雽w某個區(qū)域通過采用雜質補償?shù)姆椒▉砀淖儼雽w某個區(qū)域的導電類型或電阻率。（參看書中圖的導電類型或電阻率。（參看書中圖2.72.7） n1 1） ：剩余雜質：剩余雜質n2 2） ：剩余雜質：剩余雜質DANNDANNDANNADNNn當當N ND DNNA A 高度補償高度補償：若施主雜質濃度與受主雜質濃度相差若施主雜質濃度與受主雜質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

13、不能提供電子或空穴，這種情況稱為雜質的高度補償。這種材料容易被誤認情況稱為雜質的高度補償。這種材料容易被誤認為高純度半導體，實際上含雜質很多，性能很差為高純度半導體，實際上含雜質很多，性能很差，一般不能用來制造半導體器件。，一般不能用來制造半導體器件。 n有效雜質濃度有效雜質濃度n補償后半導體中的凈雜質濃度。補償后半導體中的凈雜質濃度。2.1.5 雜質的補償作用2.1.6 深能級雜質n深能級雜質深能級雜質：非：非、族雜質在族雜質在SiSi、GeGe的禁帶的禁帶中產生的施主能級遠離導帶底，受主能級遠離中產生的施主能級遠離導帶底，受主能級遠離價帶頂。雜質電離能大，能夠產生多次電離。價帶頂。雜質電離

14、能大，能夠產生多次電離。 深能級雜質在半導體禁帶中可能會引入多深能級雜質在半導體禁帶中可能會引入多個能級，其中可能有施主能級，也可能有受主個能級，其中可能有施主能級，也可能有受主能級，這與雜質原子的電子殼層結構、雜質原能級，這與雜質原子的電子殼層結構、雜質原子的大小、雜質在半導體中的位置等因素都有子的大小、雜質在半導體中的位置等因素都有關系。關系。深能級的形成深能級的形成n族雜質族雜質. .多于兩個價電子被兩個正電荷的雜質多于兩個價電子被兩個正電荷的雜質中心束縛，類似于一個氦原子，其每個電子平均中心束縛，類似于一個氦原子，其每個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

15、荷的正電中心的作用，從而深能級雜質的電離能比淺能級雜質要大。在電離出能級雜質的電離能比淺能級雜質要大。在電離出一個電子后，帶有兩個正電荷的雜質中心使第二一個電子后，帶有兩個正電荷的雜質中心使第二個電子電離需要更大能量，對應更深的能級，所個電子電離需要更大能量，對應更深的能級，所以以族雜質在硅鍺中一般產生兩重施主能級，如族雜質在硅鍺中一般產生兩重施主能級，如鍺中的硒、碲。鍺中的硒、碲。2.1.6 深能級雜質深能級的形成深能級的形成l族雜質族雜質. . 一方面可以失去唯一價電子產生一個一方面可以失去唯一價電子產生一個施主能級，另一方面也能依次接受三個電子與周施主能級，另一方面也能依次接受三個電子與

16、周圍四個近鄰原子形成共價鍵，相應產生三個由淺圍四個近鄰原子形成共價鍵，相應產生三個由淺到深的受主深能級。原則上到深的受主深能級。原則上族雜質能產生三重族雜質能產生三重受主能級，但是較深的受主能級有可能處于允帶受主能級，但是較深的受主能級有可能處于允帶之中，某些之中，某些族雜質受主能級少于三個。族雜質受主能級少于三個。l族雜質。與族雜質。與族雜質情況類似，可以產生兩重族雜質情況類似，可以產生兩重受主能級。受主能級。2.1.6 深能級雜質深能級雜質n深能級的基本特點：深能級的基本特點：1、含量極少，而且能級較深，不易在室溫下電離、含量極少，而且能級較深，不易在室溫下電離，對載流子濃度影響不大；，對

17、載流子濃度影響不大；2、一般會產生多重能級，甚至既產生施主能級也、一般會產生多重能級，甚至既產生施主能級也產生受主能級。產生受主能級。3、能級位置利于促進載流子的復合，其復合作用、能級位置利于促進載流子的復合，其復合作用比淺能級雜質強，使少數(shù)載流子壽命降低，稱這比淺能級雜質強，使少數(shù)載流子壽命降低，稱這些雜質為復合中心雜質。（在第五章詳細討論）些雜質為復合中心雜質。（在第五章詳細討論）4、深能級雜質電離后對載流子起散射作用，使載、深能級雜質電離后對載流子起散射作用，使載流子遷移率減少，導電性能下降。流子遷移率減少，導電性能下降。2.1.6 深能級雜質2.1.7 化合物半導體中的雜質能級 雜質在

18、砷化鎵中的存在形式雜質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，起受主作用。一般引入受主能級，起受主作用。族雜族雜質與質與族原子價電子數(shù)相近，通常取代晶格中族原子價電子數(shù)相近，通常取代晶格中族原族原子，因為少一個價電子，取代晶格原子后，具有獲得子，因為少一個價電子，取代晶格原子后，具有獲得一個電子完成共價鍵的趨勢，是受主雜質，而且電離一個電子完成共價鍵的趨勢，是受主雜質，而且電離能較小，在能較小，在-族化合物中引入淺受主能級。所以族化合物中引入淺受主能級。所以族雜質是族雜質是-族化合物

19、半導體的族化合物半導體的p p型摻雜劑，如型摻雜劑，如GaAsGaAs中的中的MgMg、ZnZn。n族雜質族雜質：與：與族晶格原子的價電子數(shù)相近，族晶格原子的價電子數(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，與周圍晶格原子形成共價鍵后多余一個價電子，易圍晶格原子形成共價鍵后多余一個價電子，易失去這個價電子成為施主雜質，一般失去這個價電子成為施主雜質，一般引入淺施引入淺施主能級主能級，如，如GaAsGaAs中的中的S S、SeSe。可作為。可作為n n型摻雜劑型摻雜劑。n族雜質族雜質：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

20、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族化合物中引入雙重能級雙性雙性行為行為。2.1.7 化合物半導體中的雜質能級n 四族元素四族元素：硅：硅在砷化鎵中會產生雙性行為，即硅在砷化鎵中會產生雙性行為，即硅的濃度較低時主要起施主雜質作用，當硅的濃度較高的濃度較低時主要起施主雜質作用，當硅的濃度較高時，一部分硅原子將起到受主雜質作用。時，一部分硅原子將起到受主雜質作用。n 這種雙性行為可作如下解釋：這種雙性行為可作如下解釋： 因為在硅雜質濃度較高時，硅原子不僅取代鎵原因為在硅雜質濃度較高時，硅原子不僅取代鎵原子起著施主雜質的作用，而且硅也取代了一部分子起著施

21、主雜質的作用，而且硅也取代了一部分V V族族砷原子而起著受主雜質的作用，因而對于取代砷原子而起著受主雜質的作用，因而對于取代族原族原子鎵的硅施主雜質起到補償作用，從而降低了有效施子鎵的硅施主雜質起到補償作用，從而降低了有效施主雜質的濃度，電子濃度趨于飽和。主雜質的濃度，電子濃度趨于飽和。 2.1.7 化合物半導體中的雜質能級n、族元素族元素：等電子雜質等電子雜質 當當族或族或族雜質摻入不是由它們本身構成的族雜質摻入不是由它們本身構成的-族化合物中，取代同族晶格原子時，既可以引族化合物中，取代同族晶格原子時，既可以引入雜質能級，也可能不引入能級，這取決于雜質種類入雜質能級，也可能不引入能級，這取

22、決于雜質種類和和-族化合物的種類。族化合物的種類。2.1.7 化合物半導體中的雜質能級l 與晶格基質原子具有相同價電子的雜質稱為等電子與晶格基質原子具有相同價電子的雜質稱為等電子雜質。雜質。等電子雜質取代晶格上的同族原子后，因為與晶等電子雜質取代晶格上的同族原子后，因為與晶格原子的共價半徑與電負性的顯著差別，能夠在晶體中格原子的共價半徑與電負性的顯著差別，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）族雜質取代）族雜質取代Ga(Ga(或或As)As)時，時，不引入禁帶能級。在

23、不引入禁帶能級。在GaPGaP中中族雜質族雜質N N、BiBi取代取代P P就能在禁就能在禁帶中引入能級，帶中引入能級，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子的能量狀態(tài)就是在禁帶中引入的相應能級。的載流子的能量狀態(tài)就是在禁帶中引入的相應能級。2.1.7 化合物半導體中的雜質能級化合物半導體中的雜質能級2.2 半導體中的缺陷能級(defect levels)2.2.1 點缺陷（熱缺陷）點缺陷（熱缺陷）point defects/ point defects/ thermaldefects thermaldefects n點缺陷的種類：點缺陷的種類：

24、弗侖克耳缺陷：弗侖克耳缺陷：原子空位和間隙原子同時存在原子空位和間隙原子同時存在肖特基缺陷：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間隙原子缺陷：間隙原子缺陷：只有間隙原子而無原子空位只有間隙原子而無原子空位2.2.1 點缺陷n點缺陷（熱缺陷）特點點缺陷（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：三種點缺陷中形成肖特基缺陷需要的能量最原因：三種點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“凍結凍結”高溫下形成的缺陷。高溫下形成的缺陷。退火后可

25、以消除大部分缺陷。半導體器件生產工藝退火后可以消除大部分缺陷。半導體器件生產工藝中，經高溫加工（如擴散）后的晶片一般都需要進中，經高溫加工（如擴散）后的晶片一般都需要進行退火處理。離子注入形成的缺陷也用退火來消除行退火處理。離子注入形成的缺陷也用退火來消除。n點缺陷對半導體性質的影響：點缺陷對半導體性質的影響： 1 1）缺陷處晶格畸變，周期性勢場被破壞，致使）缺陷處晶格畸變，周期性勢場被破壞，致使在禁帶中產生能級。在禁帶中產生能級。2 2）點缺陷對材料的導電類型起一定的作用）點缺陷對材料的導電類型起一定的作用3 3）熱缺陷能級大多為深能級，在半導體中起復）熱缺陷能級大多為深能級，在半導體中起復

26、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擴散）空位缺陷有利于雜質擴散5 5）對載流子有散射作用，使載流子遷移率和壽）對載流子有散射作用，使載流子遷移率和壽命降低。命降低。2.2.1 點缺陷n在元素半導體中，空位表現(xiàn)為受主作用，間隙原在元素半導體中，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；n對于硫化物、硒化物、碲化物、氧化物等化合物對于硫化物、硒化物、碲化物、氧化物等化合物半導體，用符號半導體，用符號M、X表示，表示，M代表電負性小的原代表電負性小的原子，子，X代表電負性大的原子。一般，正離子空位代表電負性

27、大的原子。一般，正離子空位VM是受主，負離子空位是受主，負離子空位VX是施主；是施主；M為間隙原子為間隙原子時為施主，時為施主，X為間隙原子時為受主。為間隙原子時為受主。n在化合物半導體在化合物半導體AB中，若中，若A取代取代B稱為稱為AB，常常表，常常表現(xiàn)為受主；若現(xiàn)為受主；若B取代取代A稱為稱為BA，表現(xiàn)為施主。，表現(xiàn)為施主。2.2.1 點缺陷2.2.2 位錯n位錯對半導體性能的影響：位錯對半導體性能的影響： 1 1）位錯線上的懸掛鍵可以接受電子變?yōu)樨撾娭行?，）位錯線上的懸掛鍵可以接受電子變?yōu)樨撾娭行模憩F(xiàn)為受主；懸掛鍵上的一個電子也可以被釋放表現(xiàn)為受主；懸掛鍵上的一個電子也可以被釋放出來而變?yōu)檎娭行?，此時表現(xiàn)為施主，即不飽出來而變?yōu)檎娭行模藭r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。2 2）位錯線處晶格變形，導致能帶變形；）位錯