§2.半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺點(diǎn)能級沈陽工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系雜質(zhì)、缺點(diǎn)破壞了晶體原有周期性勢場，引入新能級。通常在禁帶中分布能級就是這么產(chǎn)生。禁帶中能級對半導(dǎo)體性能有顯著影響，影響程度由能級密度和位置決定。第1頁§2.1硅、鍺晶體中雜質(zhì)能級學(xué)習(xí)重點(diǎn)：沈陽工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系淺能級雜質(zhì)、深能級雜質(zhì)雜質(zhì)賠償?shù)?頁1、雜質(zhì)與雜質(zhì)能級（1）雜質(zhì)半導(dǎo)體中存在與本體元素不一樣其它元素。（2）雜質(zhì)起源無意摻入有意摻入（3）雜質(zhì)在半導(dǎo)體中分布情況替位式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì)雜質(zhì)出現(xiàn)在半導(dǎo)體中時，產(chǎn)生附加勢場使嚴(yán)格周期性勢場遭到破壞。第3頁（4）雜質(zhì)能級雜質(zhì)引發(fā)電子能級稱為雜質(zhì)能級。通常位于禁帶之中雜質(zhì)能級對半導(dǎo)體性能有顯著影響。EgECEV雜質(zhì)能級第4頁2、施主能級雜質(zhì)電離后能夠施放電子而產(chǎn)生自由電子并形成正電中心（正離子）。這種雜質(zhì)稱為施主雜質(zhì)。以硅為例：在硅單晶中摻入磷（P）等V族元素。電離施主導(dǎo)帶電子硅原子（1）施主雜質(zhì)第5頁在Si單晶中，V族施主替位雜質(zhì)兩種荷電狀態(tài)價鍵

(a)電離態(tài)(b)中性施主態(tài)第6頁施主能級（2）施主電離施主未電離時，在飽和共價鍵外還有一個電子被施主雜質(zhì)所束縛，該束縛態(tài)所對應(yīng)能級稱為施主能級。特征：

①施主雜質(zhì)電離，導(dǎo)帶中出現(xiàn)

施主提供導(dǎo)電電子；

②電子濃度大于空穴濃度，

即n>p。摻入施主半導(dǎo)體以電子導(dǎo)電為主，被稱為n型半導(dǎo)體ECEV第7頁施主電離能△ED=EC-EDEgECEV施主能級ED△ED=EC-EDSi、Ge中V族雜質(zhì)電離能晶體雜質(zhì)磷P砷As銻Sb硅Si鍺Ge0.0440.01260.0490.01270.0390.0096第8頁施主電離過程示意圖施主雜質(zhì)電離結(jié)果：導(dǎo)帶中電子數(shù)增加了，這就是摻施主雜質(zhì)意義所在。第9頁3、受主能級束縛在雜質(zhì)能級上空穴被激發(fā)到價帶EV，成為價帶空穴，該雜質(zhì)電離后成為負(fù)電中心（負(fù)離子）。這種雜質(zhì)稱為受主雜質(zhì)?；蚨x為：能夠向半導(dǎo)體提供空穴并形成負(fù)電中心雜質(zhì)。以硅為例：在硅單晶中摻入硼（B）等III族元素。電離受主價帶空穴硅原子（1）受主雜質(zhì)第10頁在Si單晶中，III族受主替位雜質(zhì)兩種荷電狀態(tài)價鍵

(a)電離態(tài)(b)中性受主態(tài)第11頁受主能級（2）受主電離受主雜質(zhì)電離后所接收電子被束縛在原來空狀態(tài)上，該束縛態(tài)所對應(yīng)能級稱為受主能級。特征：

①受主雜質(zhì)電離，價帶中出現(xiàn)

受主提供導(dǎo)電空穴；

②空穴濃度大于電子濃度，

即p>n。摻入受主雜質(zhì)半導(dǎo)體以空穴導(dǎo)電為主被稱為p型半導(dǎo)體ECEV第12頁受主電離能△EA=EA-EVEgECEV受主能級EASi、Ge中Ⅲ族雜質(zhì)電離能晶體雜質(zhì)硼B(yǎng)鋁Al銦In硅Si鍺Ge△EA=EA-EV鎵Ga0.0450.0570.0650.1600.010.010.0110.011第13頁受主電離過程示意圖受主雜質(zhì)電離結(jié)果：價帶中空穴數(shù)增加了，這就是摻受主雜質(zhì)意義所在。第14頁4、淺能級雜質(zhì)（1）淺能級雜質(zhì)特點(diǎn)普通是替位式雜質(zhì)施主電離能△ED遠(yuǎn)小于禁帶寬度△Eg，通常為V族元素。受主電離能△EA遠(yuǎn)小于禁帶寬度△Eg。通常為III族元素。第15頁（2）淺能級雜質(zhì)作用改變半導(dǎo)體電阻率；決定半導(dǎo)體導(dǎo)電類型。（3）控制雜質(zhì)濃度方法在單晶生長過程中摻入雜質(zhì)在高溫下經(jīng)過雜質(zhì)擴(kuò)散工藝摻入雜質(zhì)離子注入雜質(zhì)在薄膜外延工藝過程中摻入雜質(zhì)用合金工藝將雜質(zhì)摻入半導(dǎo)體中第16頁5、淺能級雜質(zhì)電離能簡單計算氫原子滿足：解得電子能量：氫原子基態(tài)能量：氫原子自由態(tài)能量：故基態(tài)電子電離能：（1）氫原子基態(tài)電子電離能n=1,2,3,……第17頁（2）用類氫原子模型估算淺能級雜質(zhì)電離能淺能級雜質(zhì)=雜質(zhì)離子+束縛電子（或空穴）第18頁正、負(fù)電荷所處介質(zhì)介電常數(shù)為：電勢能：施主電離能：受主電離能：（mn*和mp*分別為電導(dǎo)有效質(zhì)量）(3)(4)估算結(jié)果與實(shí)際測量值有誤差，但數(shù)量級相同。這種估算有優(yōu)點(diǎn)，也有缺點(diǎn)。Ge：△ED~0.0064eVSi：△ED~0.025eV第19頁6、雜質(zhì)賠償半導(dǎo)體中同時存在施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)時，受主雜質(zhì)會接收施主雜質(zhì)電子，造成二者提供載流子能力相互抵消，這種作用稱為雜質(zhì)賠償。在制造半導(dǎo)體器件過程中，經(jīng)過采取雜質(zhì)賠償方法來改變半導(dǎo)體某個區(qū)域?qū)щ婎愋突螂娮杪省８叨荣r償：若施主雜質(zhì)濃度與受主雜質(zhì)濃度相差很小或二者相等，則不能提供電子或空穴，此時半導(dǎo)體導(dǎo)電能力與本征半導(dǎo)體相當(dāng)，這種情況稱為雜質(zhì)高度賠償。第20頁ND>NA時：n型半導(dǎo)體因EA在ED之下，ED上束縛電子首先填充EA上空位，即施主與受主先相互“抵消”，剩下束縛電子再電離到導(dǎo)帶上。有效施主濃度：ND*=ND-NA第21頁NA>ND時：p型半導(dǎo)體因EA在ED之下，ED上束縛電子首先填充EA上空位，即施主與受主先相互“抵消”，剩下束縛空穴再電離到價帶上。有效受主濃度：NA*=NA-ND第22頁NA≌ND時：雜質(zhì)高度賠償ECEDEAEVEg本征激發(fā)價帶空穴本征激發(fā)導(dǎo)帶電子高度賠償：若施主雜質(zhì)濃度與受主雜質(zhì)嘗試相差不大或二

者相等，則不能提供電子或空穴，這種情況稱

為雜質(zhì)高度賠償。第23頁7、深能級雜質(zhì)EgECEVED△ED

EA△EAEgECEVED△ED

EA△EA淺能級雜質(zhì)深能級雜質(zhì)△ED<<Eg△EA<<Eg△ED≤Eg△EA≤Eg第24頁例1：Au（I族）在Ge中Au在Ge中共有五種可能狀態(tài)：①Au0②Au+③Au一④Au二;⑤Au三②Au+：Au

0–e→Au+①Au

0：電中性態(tài)③Au一：Au0+e→Au一④Au二：Au一+e→Au二⑤Au三：Au二+e→Au三EgECEVED0.04eVEgECEVED0.04eV0.15eVEAEgED0.04eV0.15eVEA10.20eVEA2ECEVEgED0.04eV0.15eVEA1EA2EA3ECEV第25頁例2：Au（I族）在Si中ECEVED0.35eVEA0.54eV第26頁在化合物半導(dǎo)體中，某種雜質(zhì)在其中既能夠作施主又能夠作受主，這種雜質(zhì)稱為兩性雜質(zhì)。比如：GaAs中摻Si（IV族）SiGa施主SiAs受主與元素半導(dǎo)體情況相類似。但I(xiàn)V族元素含有雙性行為，而III-V族雜質(zhì)普通表現(xiàn)為中性。兩性雜質(zhì)§2.2III-V族化合物中雜質(zhì)能級第27頁§2.3缺點(diǎn)能級ImperfectionLevel哈爾濱工業(yè)大學(xué)微電子科學(xué)與技術(shù)系常見點(diǎn)缺點(diǎn)空位間隙原子反結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)1、點(diǎn)缺點(diǎn)第28頁（1）Si中點(diǎn)缺點(diǎn)以空位、間隙和復(fù)合體為主。A、空位空位V0+e→V-（受主）V0-e→V+（施主）ECEVED10.43eVEA0.16eVEg0.05eVED2第29頁B、間隙ECEVEA0.45eVED0.12eVEg例：Si:B第30頁（2）GaAs中點(diǎn)缺點(diǎn)①空位：VAs，VGa；②間隙：IAs，IGa；③反結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)：BAAB。點(diǎn)缺點(diǎn)分類：反結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)特征：出現(xiàn)在化合物半導(dǎo)

體中。例：GaAs中反結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)。GaAs:受主AsGa:施主ABABABAB