1、第2章 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí),要求,掌握鍺、硅晶體中的雜質(zhì)能級(jí)， -族化合物半導(dǎo)體的雜質(zhì)能級(jí)。 理解點(diǎn)缺陷。,實(shí)際半導(dǎo)體晶體,理想半導(dǎo)體晶體,在平衡位置附近振動(dòng),原子靜止在格點(diǎn)位置上,純凈的,含有雜質(zhì),晶格結(jié)構(gòu)完整無(wú)缺,存在著各種缺陷,實(shí)際晶體與理想晶體的區(qū)別,雜質(zhì) (impurity)：在半導(dǎo)體晶體中引入的新的原子或離子 缺陷 (defect)：晶體按周期性排列的結(jié)構(gòu)受到破壞,Si能夠得到廣泛應(yīng)用的重要原因： 對(duì)其雜質(zhì)實(shí)現(xiàn)可控操作， 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體性能的精確控制,雜質(zhì)主要來(lái)源：,無(wú)意摻入：制備半導(dǎo)體的原材料純度不夠，加工工藝 有意摻入：為了控制半導(dǎo)體的某些性質(zhì)，人為摻入某種原子。,摻雜工

2、藝,在單晶生長(zhǎng)過(guò)程中摻入雜質(zhì) 在高溫下通過(guò)雜質(zhì)擴(kuò)散的工藝摻入雜質(zhì) 離子注入雜質(zhì) 在薄膜外延工藝過(guò)程中摻入雜質(zhì) 用合金工藝將雜質(zhì)摻入半導(dǎo)體中,為控制半導(dǎo)體的性質(zhì)，人為摻入雜質(zhì)的工藝過(guò)程,雜質(zhì)濃度：?jiǎn)挝惑w積中雜質(zhì)原子數(shù),摻雜濃度(施主雜質(zhì)ND，受主雜質(zhì)NA),摻雜濃度：?jiǎn)挝惑w積中摻入雜質(zhì)的數(shù)目。 10141020cm3 硅晶體中：5x1022cm3個(gè)原子 請(qǐng)估算雜質(zhì)原子與Si原子的比例。,為什么極微量的雜質(zhì)和缺陷，能夠?qū)Π雽?dǎo)體材料的物理、化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生決定性影響？,雜質(zhì)和缺陷的存在，會(huì)使周期性勢(shì)場(chǎng)受到破壞，有可能在禁帶中引入允許電子具有的能量狀態(tài)（即能級(jí)），從而對(duì)半導(dǎo)體的性質(zhì)產(chǎn)生決定性影響。,雜質(zhì)、

3、缺陷能級(jí)位于禁帶之中,雜質(zhì)、缺陷能級(jí),Ec,Ev,2.1.1替位式雜質(zhì)、間隙式雜質(zhì),替位式雜質(zhì):取代晶格原子 雜質(zhì)原子的大小與晶體原子相似 III、V族元素在硅、鍺中均為替位式雜質(zhì) 間隙式雜質(zhì):位于晶格原子間隙位置 雜質(zhì)原子小于晶體原子 雜質(zhì)濃度：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)的雜質(zhì)原子數(shù),2.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí),元素周期表,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)。 施主電離 施主雜質(zhì)釋放電子的過(guò)程。 施主能級(jí) 被施主雜質(zhì)束縛的電子的能量狀態(tài)，記為ED，施主電離能量為ED。 n型半導(dǎo)體 依靠導(dǎo)帶電子導(dǎo)電的半導(dǎo)

4、體。,本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖,本征半導(dǎo)體：純凈的、不含其它雜質(zhì)的半導(dǎo)體。,N型半導(dǎo)體,晶體 雜 質(zhì) P As Sb Si 0.044 0.049 0.039 Ge 0.0126 0.0127 0.0096,施主雜質(zhì)的電離能小，在常溫下基本上電離。,Si、Ge中族雜質(zhì)的電離能ED（eV）,2.1.3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)。 受主電離 受主雜質(zhì)釋放空穴的過(guò)程。 受主能級(jí) 被受主雜質(zhì)束縛的空穴的能量狀態(tài)，記為EA。受主電離能量為EA p型半導(dǎo)體 依靠?jī)r(jià)帶空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體。,P型半導(dǎo)體,受主雜質(zhì)的

5、電離能小，在常溫下基本上電離。,Si、Ge中族雜質(zhì)的電離能EA（eV） 晶體 雜 質(zhì) B Al Ga In Si 0.045 0.057 0.065 0.16 Ge 0.01 0.01 0.011 0.011,雜質(zhì)半導(dǎo)體的簡(jiǎn)化表示法,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)幾乎可以全部電離。 五價(jià)元素磷（P）、銻在硅、鍺中是淺施主雜質(zhì) 三價(jià)元素硼（B）、鋁、鎵、銦在硅、鍺中為淺受主雜質(zhì)。,淺能級(jí)雜質(zhì)電離能比禁帶寬度小得多，雜質(zhì)種類對(duì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性影響很大。 在N型半導(dǎo)體中，電子濃度大于空穴濃

6、度，電子稱為多數(shù)載流子，空穴稱為少數(shù)載流子。 在P型半導(dǎo)體中，空穴濃度大于電子濃度，空穴稱為多數(shù)載流子，電子稱為少數(shù)載流子。,2.1.4 淺能級(jí)雜質(zhì)電離能簡(jiǎn)單計(jì)算,類氫模型 氫原子中電子能量 n=1,2,3，為主量子數(shù)，當(dāng)n=1和無(wú)窮時(shí),氫原子基態(tài)電子的電離能 考慮到1、正、負(fù)電荷處于介電常數(shù)=0r的介質(zhì)中 2、電子不在空間運(yùn)動(dòng)，而是處于晶格周期性勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng),施主雜質(zhì)電離能 受主雜質(zhì)電離能,估算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量值有相同數(shù)量級(jí),Ge： ED 0.0064 eV Si: ED 0.025 eV,2.1.5雜質(zhì)的補(bǔ)償作用,假如半導(dǎo)體中，同時(shí)存在著施主和受主雜質(zhì)，半導(dǎo)體是n型還是p型呢？ 這要看哪一種雜

7、質(zhì)濃度大，因?yàn)槭┲骱褪苤麟s質(zhì)之間有互相抵消的作用 通常稱為雜質(zhì)的補(bǔ)償作用,當(dāng)NDNA時(shí) n= ND-NA ND，半導(dǎo)體是n型的 當(dāng)NDNA時(shí) p= NA-ND NA，半導(dǎo)體是p型的 當(dāng)NDNA時(shí) 雜質(zhì)的高度補(bǔ)償 有效雜質(zhì)濃度 補(bǔ)償后半導(dǎo)體中的凈雜質(zhì)濃度。,當(dāng)NDNA時(shí) ND-NA 為有效施主濃度 當(dāng)NDNA時(shí) NA-ND為有效受主濃度,雜質(zhì)的補(bǔ)償作用的應(yīng)用,利用雜質(zhì)的補(bǔ)償作用，根據(jù)擴(kuò)散或離子注入的方法來(lái)改變半導(dǎo)體某一區(qū)域的導(dǎo)電類型，制成各種器件。 在一塊 n 型半導(dǎo)體基片的一側(cè)摻入較高濃度的受主雜質(zhì)，由于雜質(zhì)的補(bǔ)償作用，該區(qū)就成為型半導(dǎo)體。,2.1.6深能級(jí)雜質(zhì),非III、V族元素在硅、鍺的禁

8、帶中產(chǎn)生的施主能級(jí)距離導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂較遠(yuǎn)，形成深能級(jí)，稱為深能級(jí)雜質(zhì)。 特點(diǎn) 不容易電離，對(duì)載流子濃度影響不大 深能級(jí)雜質(zhì)能夠產(chǎn)生多次電離，每次電離均對(duì)應(yīng)一個(gè)能級(jí)。 能起到復(fù)合中心作用，使少數(shù)載流子壽命降低,2.2 III-V族化合物中的雜質(zhì)能級(jí),III族元素：硼(B)、鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In)、鉈(Tl) V族元素：氮(N)、磷(P)、砷(As)、銻(Sb)、鉍(Bi),和硅、鍺晶體一樣，當(dāng)雜質(zhì)進(jìn)入III-V族化合物后，或者是處于晶格原子間隙中的間隙式雜質(zhì)，或者成為取代晶格原子的替位式雜質(zhì)，不過(guò)具體情況比硅、鍺更復(fù)雜。,1、I族元素,一般在砷化鎵中引入受主能級(jí)。 如：銀、金、銅、鋰

9、。,2、II族元素,如：鈹、鎂、鋅、鎘、汞。 它們的價(jià)電子比III族元素少一個(gè)，有獲得一個(gè)電子形成共價(jià)鍵的傾向，表現(xiàn)為受主雜質(zhì)，引入淺受主能級(jí)。 常用摻鋅或鎘以獲得III-V族化合物的p型材料。,3、III、V族元素,（1）等電子雜質(zhì) 特征： a、與基體原子同族另外原子 如： III 硼、鋁 V 磷、銻。 參入到砷化鎵中，在禁帶中不引入能級(jí)。 b、以替位形式存在于晶體中，基本上是電中性的。,（2）等電子陷阱,等電子雜質(zhì)（如N或Bi ）占據(jù)本征原子位置（如GaP中的P位置）后， 由于原子序數(shù)的變化，原子的半徑和電負(fù)性有差別， 因而它們能俘獲某種載流子而成為帶電中心。 這個(gè)帶電中心就稱為等電子陷阱

10、（電子陷阱或空穴陷阱）。,是否周期表中同族元素均能形成等電子陷阱呢?,只有當(dāng)摻入原子與基質(zhì)晶體原子在電負(fù)性、共價(jià)半徑方面具有較大差別時(shí)，才能形成等電子陷阱。一般來(lái)說(shuō)，同族元素原子序數(shù)越小，電負(fù)性越大，共價(jià)半徑越小。等電子雜質(zhì)電負(fù)性大于基質(zhì)晶體原子的電負(fù)性時(shí)，取代后，它便能俘獲電子成為負(fù)電中心；反之，它能俘獲空穴成為正電中心。,GaP,N(共價(jià)半徑和電負(fù)性分別為0.070nm和3.0),P(磷的共價(jià)半徑和電負(fù)性分別為0.11nm和2.1),Bi(共價(jià)半徑和電負(fù)性分別為0.146nm和1.9),ED0.008eV,EA0.038eV,正電中心，空穴陷阱,負(fù)電中心，電子陷阱,例：,等電子陷阱,（3）

11、束縛激子,等電子陷阱俘獲某種載流子后，又因帶電中心的庫(kù)侖力作用又俘獲另一種載流子，形成束縛激子。,這種束縛激子在由間接帶隙半導(dǎo)體材料制造的發(fā)光器件中起主要作用。,4、IV族元素,碳、硅、鍺、錫、鉛 當(dāng)取代III族原子則起施主雜質(zhì)作用，當(dāng)取代V族原子則起受主作用。IV族元素還可以雜亂地分布在III族原子和V族原子的格點(diǎn)上，這時(shí)雜質(zhì)的總效果是起施主作用還是受主作用，與摻雜濃度及摻雜時(shí)的外界條件有關(guān)。,兩性雜質(zhì),兩性雜質(zhì)是指在半導(dǎo)體中既可作施主又可作受主的雜質(zhì)。 如-族GaAs中摻族Si。 如果Si替位族As，則Si為施主； 如果Si替位族Ga，則Si為受主。 所摻入的雜質(zhì)具體是起施主還是受主與工藝

12、有關(guān)。,5、VI族元素,氧、硫、硒、碲與V族元素性質(zhì)相近，常取代V族原子。因?yàn)樗鼈儽萔族元素多一個(gè)價(jià)電子而且容易失去，所以表現(xiàn)為施主雜質(zhì)，并引入施主能級(jí)。,2.4 缺陷能級(jí),缺陷的種類：,點(diǎn)缺陷：空位、間隙原子等 線缺陷：位錯(cuò)等 面缺陷：層錯(cuò)、晶粒間界等,在半導(dǎo)體晶體中的作用：,受主 施主 深能級(jí),點(diǎn)缺陷的種類：,2.4.1 點(diǎn)缺陷,熱缺陷 偏離化學(xué)比缺陷 替位原子（反結(jié)構(gòu)缺陷）,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(wú)原子空位 弗侖克耳缺陷： 原子空位和間隙原子同時(shí)存在,熱缺陷：由于原子熱運(yùn)動(dòng)所形成的缺陷,A、空位,原子的空位起受主作用。,B、 填隙原子,Si,

13、間隙原子缺陷起施主作用,熱缺陷特點(diǎn)：,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）。原因：三種點(diǎn)缺陷中形成肖特基缺陷需要的能量最小。（可參閱葉良修半導(dǎo)體物理學(xué)p24和p94） 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。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(lái)消除。,在離子性強(qiáng)化合物的半導(dǎo)體，由于組成晶體的元素偏離正常化學(xué)比而形成的缺陷。,偏離化學(xué)比缺陷：,A,B,A,B,A,B,A,B,B,A,B,A,B,A,B,A,B,A,B,A,B,A,B,A,B,A,A,B,A,B,A,B,A

14、,B,AB (如 PbS, ZnO),VA,VB,偏離化學(xué)比缺陷,PbS S空位n型 Pb 空位p型 ZnO 脫氧n型,替位式原子（反結(jié)構(gòu)缺陷）,例如二元化合物AB中，替位原子可以有兩種，A取代B的稱為AB，B取代A的稱為BA。 一般認(rèn)為AB是受主，BA是施主。因?yàn)锽的價(jià)電子比A的多，B取代A后，有把多余的價(jià)電子施放給導(dǎo)帶的趨勢(shì)；相反，A取代B后則有接受電子的傾向。例如在砷化鎵中，砷取代鎵原子為AsGa，起施主作用，而鎵取代砷原子為GaAs，起受主作用。這種點(diǎn)缺陷也稱為反結(jié)構(gòu)缺陷。,點(diǎn)缺陷對(duì)半導(dǎo)體性質(zhì)的影響：,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)。 很多熱缺陷能級(jí)為深能級(jí)，在

15、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。 空位缺陷有利于雜質(zhì)擴(kuò)散 對(duì)載流子有散射作用，使載流子遷移率和壽命降低。,思 考 題,1、什么叫淺能級(jí)雜質(zhì)？它們電離后有何特點(diǎn)？,解：淺能級(jí)雜質(zhì)是指其雜質(zhì)電離能遠(yuǎn)小于本征半導(dǎo)體的禁帶寬度的雜質(zhì)。它們電離后將成為帶正電（電離施主）或帶負(fù)電（電離受主）的離子，并同時(shí)向?qū)峁╇娮踊蛳騼r(jià)帶提供空穴。,2、什么叫施主？什么叫施主電離？施主電離前后有何帶電特征？試舉例說(shuō)明之。,解：半導(dǎo)體中摻入雜質(zhì)，雜質(zhì)電離后將成為帶正電離子，并同時(shí)向?qū)峁╇娮?，這種雜質(zhì)就叫施主。 施主向?qū)峁╇娮?，成為帶正電離子的過(guò)程就叫施主電離。 施主電離前不帶電，電離后帶正

16、電。 例如，在Si中摻P，P為族元素，本征半導(dǎo)體Si為族元素，P摻入Si中后，P的最外層電子有四個(gè)與Si的最外層四個(gè)電子配對(duì)成為共價(jià)電子，而P的第五個(gè)外層電子將受到熱激發(fā)掙脫原子核的束縛進(jìn)入導(dǎo)帶成為自由電子。這個(gè)過(guò)程就是施主電離。,3、什么叫受主？什么叫受主電離？受主電離前后有何特征？試舉例說(shuō)明之。,解：半導(dǎo)體中摻入雜質(zhì)，雜質(zhì)電離后將成為帶負(fù)電的離子，并同時(shí)向價(jià)帶提供空穴，這種雜質(zhì)就叫受主。 受主電離成為帶負(fù)電的離子（中心）的過(guò)程就叫受主電離。 受主電離前帶不帶電，電離后帶負(fù)電。 例如，在Si中摻B，B為族元素，而本征半導(dǎo)體Si為族元素，P摻入B中后，B的最外層三個(gè)電子與Si的最外層四個(gè)電子配對(duì)成為共價(jià)電子，而B(niǎo)傾向于接受一個(gè)由價(jià)帶熱激發(fā)的電子。這個(gè)過(guò)程就是受主電離。,4、兩性雜質(zhì)和其它雜質(zhì)有何異同？,解：兩性雜質(zhì)是指在半導(dǎo)體中既可作施