1、2. 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí),沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系,雜質(zhì)、缺陷破壞了晶體原有的周期性勢(shì)場(chǎng)，引入新的能級(jí)。通常在禁帶中分布的能級(jí)就是這樣產(chǎn)生的。 禁帶中的能級(jí)對(duì)半導(dǎo)體的性能有顯著影響，影響的程度由能級(jí)的密度和位置決定。,2.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí),學(xué)習(xí)重點(diǎn)：,沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系,淺能級(jí)雜質(zhì)、深能級(jí)雜質(zhì) 雜質(zhì)補(bǔ)償,1、雜質(zhì)與雜質(zhì)能級(jí),（1）雜質(zhì),半導(dǎo)體中存在的與本體元素不同的其它元素。,（2）雜質(zhì)來(lái)源,無(wú)意摻入 有意摻入,（3）雜質(zhì)在半導(dǎo)體中的分布狀況,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(shí)，產(chǎn)生的附加勢(shì)場(chǎng)使嚴(yán)格的周期性勢(shì)場(chǎng)遭到破壞。,（4）雜質(zhì)能級(jí),雜質(zhì)引起的電子能級(jí)

2、稱為雜質(zhì)能級(jí)。通常位于禁帶之中的雜質(zhì)能級(jí)對(duì)半導(dǎo)體性能有顯著影響。,Eg,EC,EV,雜質(zhì) 能級(jí),2、施主能級(jí),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),在Si單晶中，V族施主替位雜質(zhì)的兩種荷電狀態(tài)的價(jià)鍵 (a) 電離態(tài) (b) 中性施主態(tài),施主能級(jí),（2）施主電離,施主未電離時(shí)，在飽和共價(jià)鍵外還有一個(gè)電子被施主雜質(zhì)所束縛，該束縛態(tài)所對(duì)應(yīng)的能級(jí)稱為施主能級(jí)。,特征：施主雜質(zhì)電離，導(dǎo)帶中出現(xiàn) 施主提供的導(dǎo)電電子；電子濃度大于空穴濃度， 即 n p 。,摻入施主的半導(dǎo)

3、體以電子導(dǎo)電為主，被稱為n 型半導(dǎo)體,施主電離能,ED = EC - ED,Si、Ge中V族雜質(zhì)的電離能,0.044,0.0126,0.049,0.0127,0.039,0.0096,施主電離過(guò)程示意圖,施主雜質(zhì)電離的結(jié)果： 導(dǎo)帶中的電子數(shù)增加了，這就是摻施主雜質(zhì)的意義所在。,3、受主能級(jí),束縛在雜質(zhì)能級(jí)上的空穴被激發(fā)到價(jià)帶EV，成為價(jià)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)電中心的雜質(zhì)。 以硅為例：在硅單晶中摻入硼（B）等III族元素。,電離受主,價(jià)帶空穴,硅原子,（1）受主雜質(zhì),在Si單晶中，III族受主替位雜質(zhì)的兩種荷電狀態(tài)

4、的價(jià)鍵 (a) 電離態(tài) (b) 中性受主態(tài),受主能級(jí),（2）受主電離,受主雜質(zhì)電離后所接受的電子被束縛在原來(lái)的空狀態(tài)上，該束縛態(tài)所對(duì)應(yīng)的能級(jí)稱為受主能級(jí)。,特征：受主雜質(zhì)電離，價(jià)帶中出現(xiàn) 受主提供的導(dǎo)電空穴；空穴濃度大于電子濃度， 即 p n 。,摻入受主雜質(zhì)的半導(dǎo)體以空穴導(dǎo)電為主被稱為p 型半導(dǎo)體,受主電離能,EA = EA - EV,Eg,EC,EV,受主 能級(jí),EA,Si、Ge中族雜質(zhì)的電離能,晶 體,雜 質(zhì),硼 B,鋁Al,銦In,硅 Si,鍺 Ge,EA = EA - EV,鎵Ga,0.045,0.057,0.065,0.160,0.01,0.01,0.011,0.011,受主電離過(guò)

5、程示意圖,受主雜質(zhì)電離的結(jié)果：價(jià)帶中的空穴數(shù)增加了，這就是摻受主雜質(zhì)的意義所在。,4、淺能級(jí)雜質(zhì),（1）淺能級(jí)雜質(zhì)的特點(diǎn),一般是替位式雜質(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。,（2）淺能級(jí)雜質(zhì)的作用,改變半導(dǎo)體的電阻率； 決定半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型。,（3）控制雜質(zhì)濃度的方法,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,5、淺能級(jí)雜質(zhì)電離能的簡(jiǎn)單計(jì)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)電子的電離能：

6、,（1）氫原子基態(tài)電子的電離能,n = 1, 2, 3, ,（2）用類氫原子模型估算淺能級(jí)雜質(zhì)的電離能,淺能級(jí)雜質(zhì) = 雜質(zhì)離子 + 束縛電子（或空穴）,估算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量值有誤差，但數(shù)量級(jí)相同。 這種估算有優(yōu)點(diǎn)，也有缺點(diǎn)。,Ge：ED0.0064eV Si： ED0.025eV,6、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)，受主雜質(zhì)會(huì)接受施主雜質(zhì)的電子，導(dǎo)致兩者提供載流子的能力相互抵消，這種作用稱為雜質(zhì)補(bǔ)償。 在制造半導(dǎo)體器件的過(guò)程中，通過(guò)采用雜質(zhì)補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)改變半導(dǎo)體某個(gè)區(qū)域的導(dǎo)電類型或電阻率。 高度補(bǔ)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(shí)

7、半導(dǎo)體 的導(dǎo)電能力與本征半導(dǎo)體相當(dāng)，這種情況稱為雜質(zhì)的高度補(bǔ)償。,NDNA時(shí)：n 型半導(dǎo)體,因EA在ED之下，ED上的束縛電子首先填充EA上的空位，即施主與受主先相互“抵消”，剩余的束縛電子再電離到導(dǎo)帶上。 有效施主濃度： ND*=ND-NA,NAND時(shí)：p 型半導(dǎo)體,因EA在ED之下，ED上的束縛電子首先填充EA上的空位，即施主與受主先相互“抵消”，剩余的束縛空穴再電離到價(jià)帶上。 有效受主濃度： NA*=NA-ND,NAND時(shí)：雜質(zhì)高度補(bǔ)償,高度補(bǔ)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)的高度補(bǔ)償。,7、深能級(jí)雜質(zhì),淺能級(jí)雜質(zhì),深能級(jí)雜質(zhì)

8、,EDEg EAEg,EDEg EAEg,例1：Au（I族）在Ge中,Au在Ge中共有五種可能的狀態(tài)： Au0 Au+ Au一Au二;Au三,Au+：Au 0 e Au+,Au 0：電中性態(tài),Au一：Au0 + e Au一,Au二：Au一 + e Au二,Au三：Au二 + e Au三,例2：Au（I族）在Si中,在化合物半導(dǎo)體中，某種雜質(zhì)在其中既可以作施主又可以作受主，這種雜質(zhì)稱為兩性雜質(zhì)。 例如：GaAs中摻Si（IV族） Si Ga 施主 Si As 受主,與元素半導(dǎo)體情況相類似。但I(xiàn)V族元素具有雙性行為，而III-V族雜質(zhì)一般表現(xiàn)為中性。 兩性雜質(zhì),2.2 III-V族化合物中的雜質(zhì)能級(jí),2.3 缺陷能級(jí) Imperfection Level,哈爾濱工業(yè)大學(xué)微電子科學(xué)與技術(shù)系,常見(jiàn)點(diǎn)缺陷 空位 間隙原子 反結(jié)構(gòu)缺陷,1、點(diǎn)缺陷,（1）Si中的點(diǎn)缺陷,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）,B、間隙,例：Si:B,（2）GaAs中的點(diǎn)缺陷, 空位：VAs，VGa； 間隙：IAs ，IGa； 反結(jié)構(gòu)缺陷：BAAB。,點(diǎn)缺陷的分類：,反結(jié)構(gòu)缺陷,特征：出現(xiàn)在化合物半導(dǎo) 體中。 例：GaAs中的反結(jié)構(gòu)缺陷。 GaAs: