半导体物理2 西交.pdf

1 1 第二章半导体中的杂质和缺陷 能级 第二章半导体中的杂质和缺陷 能级 硅和锗中的杂质能级 重点 硅和锗中的杂质能级 重点 族化合物半导体中的杂质 族化合物半导体中的杂质 缺陷与缺陷能级缺陷与缺陷能级 2 在实际的半导体材料中 总是不可避免地存在 有杂质和各种类型的缺陷 微量杂质对半导体性质起决定性的影响 例 在Si中掺入百万分之一的硼B 电导率提高百 万倍 在半导体的研究和应用中 常常有意识的加入 适当的杂质 在禁带中引入相应的杂质能级 3 2 1 2 1 2 1 2 1 硅和锗中的杂质能级硅和锗中的杂质能级硅和锗中的杂质能级硅和锗中的杂质能级 杂质在半导体中存在的形式及杂质浓度 施主杂质 施主能级和n型半导体 受主杂质 受主能级和p型半导体 电离能近似计算 类氢模型 杂质补偿作用 施主杂质 施主能级和n型半导体 受主杂质 受主能级和p型半导体 电离能近似计算 类氢模型 杂质补偿作用 浅能级杂质 深能级杂质 4 一 杂质在半导体中存在的形式及杂质浓度一 杂质在半导体中存在的形式及杂质浓度 1 间隙式杂质 杂质原子位于晶格原子的间隙 杂质原子小 Li 半径0 068nm 2 替位式杂质 杂质原子取代晶格原子 原子大小与晶格原子相近 原子的价电子壳层结构相近 IV III V族元素 3 杂质浓度 单位体积中杂质原子的个数 单位 1 cm3 1 m3 n 电子浓度 p 空穴浓度 2 56 与硅 锗半导体相关的元素周期表与硅 锗半导体相关的元素周期表 BiPbHg6 TeSbSnInCd5 SeAsGeGaZn4 SPSiAlMg3 ONCB2 VIVIVIIIIIPeriod 原子实原子实 4 7 A 正电中心和束缚态正电中心和束缚态 硅中掺入V族元素 磷P 砷As 替 位式杂质 4个价电子和周围的4个硅原子形成共价键 多余 一个电子 形成一个正电中心P 若多余电子束缚在正电中 心周围 束缚态 但是这种束缚很弱 少量的能量使电子 脱离正电中心成为导电电子 B 杂质电离杂质电离 电子脱离杂质原子的束缚成为导电电子的过程 ED Ec Ev Eg D E 依靠电子导电的半导体 依靠电子导电的半导体 n型半导体型半导体 二 浅能级杂质 1 施主杂质 施主能级和n型半导体 正电中心正电中心 8 Si中掺入V族元素 如磷P 磷取代Si原子位置 替位式 正电中心P 束缚电子 束缚态 束缚态 电中性 电子脱离正电中心正电中心 施主电离施主电离 电离施主电离施主 导电电子 离化态 固定在晶格上 不能移 动 带一个单位的正电荷 固定在晶格上 不能移 动 带一个单位的正电荷 导带 参与导电导带 参与导电 吸收能量吸收能量 施主杂质 施主能级和n型半导体 3 9 施主杂质 V族原子在硅和锗中 如P As Sb 贡献电子 产生导电电子 施主能级 施主杂质在禁带中产生能级ED 施主电离能施主电离能 电子脱离杂质原子的束缚成为 导电电子所需要的能量 DCD EEE n型半导体 依靠电子导电的半导体 10 Donors When a semiconductor is doped with impurities Extrinsic semiconductor The impurity energy level are introduced N type Si with donor Arsenic atom with five valence electron Covalent bonds with its four neighboring Si atoms The fifth electron Relatively small bonding energy to its host arsenic atom Be ionized to become a conduction electron The arsenic atom is called a donor Silicon become n type Because the addition of the negative charge carrier 11 BiPbHg6 TeSbSnInCd5 SeAsGeGaZn4 SPSiAlMg3 ONCB2 VIVIVIIIIIPeriod donors elements from group V P As Sb Bi release of electrons n type semiconductor Donors 12 EC EV Mobile electron Mobile hole Silicon Atom Silicon Atom Ionized Donor Atom Mobile electron Neutral Donor Atom Looking at some numbers About 1022atoms cm3 About 1015dopants cm3 or about 1 dopant atom for every 10 000 000 silicon atom Density of carriers precisely controlled by adding dopant atoms to pure crystal Intrinsic carrier density about 1010electrons holes cm3or about 1 silicon atom in 1 000 000 000 000 has lost an electron due to thermal energy Thermal generation of free electrons ED 自由电子的产生自由电子的产生 两种方式 两种方式 1 本征激发本征激发 2 杂质电离杂质电离 4 13 ionization of donors 全部电离 complete ionization of donors ionization energy of impurities D Nn S M Sze P36 表表2 1 能量单位为能量单位为eV 14 EA A E Ec Ev Eg 依靠空穴导电的半导体 依靠空穴导电的半导体 p型半导 体 型半导 体 A 负电中心和束缚态负电中心和束缚态 硅中掺入III族元素硼原子B 替位 式 3个价电子和周围的4个硅原子形成共价键 从旁边夺 一个电子 形成一个负电中心B 和空位 空穴束缚在负电 中心周围 束缚态 但是这种束缚很弱 少量的能量使空 穴脱离负电中心成为导电空穴 B 杂质电离杂质电离 空穴脱离杂质原子的束缚成为导电空穴的过程 2 受主杂质 受主能级和p型半导体 负电中心负电中心 15 Si中掺入III族元素 如硼B 硼取代Si原子位置 替位式 负电中心B 束缚空穴 束缚态 电中性 空穴脱离负电中心 受主电离 电离受主 导电空穴 离化态 固定在晶格上 不能移 动 带一个单位的负电荷 固定在晶格上 不能移 动 带一个单位的负电荷 价带 参与导电价带 参与导电 吸收能量吸收能量 从旁边夺一个电子 产生空穴从旁边夺一个电子 产生空穴 16 受主杂质 III族原子在硅和锗中 如B Al In Ga 接受电子 产生导电空穴 受主能级 受主杂质在禁带中产生能级EA 受主电离能受主电离能 电子脱离杂质原子的束缚成为 导电电子所需要的能量 AAV EEE p型半导体 依靠空穴导电的半导体 5 17 acceptors P type Si with acceptor Boron atom with three valence electron An additional electron is accepted to form four covalent bonds around the boron A positive charged hole is created in the valence band Boron is an acceptor 18 silicon and other semiconductors BiPbHg6 TeSbSnInCd5 SeAsGeGaZn4 SPSiAlMg3 ONCB2 VIVIVIIIIIPeriod acceptors trivalent elements from group III B Al Ga In capture of electron hole remains p type semiconductor 19 Ionization of impurities ionization energy of impurities A Np complete ionization of acceptors S M Sze P37 表2 2 能量单位为能量单位为eV 20 3 浅能级杂质及其电离能的计算 类氢模型3 浅能级杂质及其电离能的计算 类氢模型 浅能级 在硅和锗中的 族和 族杂质 它们作为受 主和施主的电离能和禁带宽度相比非常小的 这些杂 质形成的能级 在禁带中很靠近价带顶 在禁带中很靠近价带顶 在禁带中很靠近价带顶 在禁带中很靠近价带顶 受主能级受主能级受主能级受主能级 或导带底 或导带底 或导带底 或导带底 施主能级施主能级施主能级施主能级 称这样的杂质能级浅能级 类氢模型 以掺入硅中的磷原子为例 磷原子比周围 的硅原子多带一个电子电荷的正电中心和一个束缚着 的价电子 相当于在硅晶体上附加了一个 氢原子 所以可以用氢原子模型估计的数值 D E 6 21 1 r r 2 在半导体中 由于介质被极化的影响 使得电荷之间 的库仑作用减弱为它们在真空中库仑作用的倍减弱为它们在真空中库仑作用的倍 为半导体的相对介电常数 真空介电常数用晶体的介 电常数代替 真空介电常数用晶体的介 电常数代替 类氢模型类氢模型 氢原子中电子能量为 4 0 222 0 1 2 3 8 n m q En h n 氢原子基态电离能 4 0 1 22 0 13 6 8 m q EEEeV h 计算杂质电离能时需要作如下修正 1 与氢原子中的电子运动不同 半导体中电子在周期性势 场运动 所以电子的惯性质量用有效质量代替惯性质量用有效质量代替 22 修正后的计算公式修正后的计算公式 施主杂质电离能 受主杂质电离能 4 2222 00 8 nn D rr m qmE E hm i 4 2222 00 8 pp A rr m qm E E hm i 2 0 0 2 r r nn hm aa m em 类似的 我们也可以计算杂质的基态轨道半径 与实测值同一个数量级 只是近似 与实测值同一个数量级 只是近似 问题 电离能对任何杂质都是一样的 4 0 22 0 8 m q E h 23 4 杂质补偿作用4 杂质补偿作用 加入两种杂质 分别引入两种杂质能级 b 受主杂质上的空位首先接受来自施主 杂质的电子 剩余的向价带释放空穴 Ec Ev ED a AD NN Ec Ev EA b 杂质补偿作用杂质补偿作用 对于半导体载流子贡献 两者有相互 的抵消的作用 称之为杂质补偿作用 DA NN a 施主杂质的电子首先跃迁到受主能 级 剩余的向导带跃迁 EA ED 24 有效杂质浓度有效杂质浓度 虽然掺入杂质多 但是提供的导电的电子和空穴少 在杂质全 部电离 且忽略本征激发的条件下 载流子浓度的计算 DA NN DA nNN AD NN AD pNN 当 DA NN D nN A pN AD NN 为有效杂质浓度 n型半导体 DA NN 为有效杂质浓度 P型半导体 AD NN 7 25 杂质高度补偿杂质高度补偿 DA NN 时 由于施主电子刚好填充受主能级 几 乎不向导带和价带提供电子和空穴 这种情况称为 杂质的高度补偿 高度补偿的半导体材料的载流子浓度非常接近高 纯半导体 但是实际晶格中包含有大量的电离了 的杂质离子 一般不能用来制造器件 载流子浓 度小 质量不好 不是纯净半导体 载流子浓 度小 质量不好 不是纯净半导体 补偿作用应用补偿作用应用 扩散及离子注入改变半导体某一区域的导电类型 例 平面工艺pnp晶体管的制作 26 三 深能级杂质三 深能级杂质 III V族杂质在Si Ge禁带中产生浅能级 其他 各族元素掺入也会产生能级 如图2 8 p40所示 注 禁带中线以上标明的是离开导带底的能量 禁带中线以下标明的是离开价带顶的能量 施主能级 受主能级 不清楚 禁带中线以上标明的是离开导带底的能量 禁带中线以下标明的是离开价带顶的能量 施主能级 受主能级 不清楚 非III V族元素在Si中产生能级的特点 施主能级距离导带底较远 受主能级距离价带顶 较远 这种能级称为深能级深能级 相应的杂质称为深 能级杂质 深 能级杂质 P40 表表2 8 表 表2 9 27 深能级杂质能多次电离 每次电离相应有一个 能级 所以这种杂质往往在禁带中引入多个能 级 同一杂质既能引入施主能级 又能引入受主能 级 如 金Au在Ge中有3个受主能级 1个施主能级 银Ag引入3个受主能级 引入多个能级与杂质原子的电子壳层结构 杂 质原子的大小 杂质在半导体晶格中的位置等 因素有关 相对浅能级而言 深能级对载流子的贡献较 小 但是对非平衡载流子的复合复合作用影响很强 例如 金是一种典型的复合中心 在制造高速 开关时 掺入金可以提高速度 金是一种典型的复合中心 在制造高速 开关时 掺入金可以提高速度 28 例 金在锗中的杂质能级金在锗中的杂质能级 5种状态 4个孤立能级 Ec Ev EA3 0 04 EA2 0 20 EA10 15 ED 0 04 锗中的中性金原子 有可能分别接受一 二 三 个电子而成为 起受主作用 引入 EA1 EA2 EA3等三个受主能级 AuAuAu 0 Au 中性金原子也可能给出它的最外层电子 而成为 Au 起施主作用 引入一个施主能级ED 金原子最外层有一个价电子 比锗少三个价电子 金原子最外层有一个价电子 比锗少三个价电子 8 29 2 22 22 22 2 族化合物半导体中的杂族化合物半导体中的杂族化合物半导体中的杂族化合物半导体中的杂 质能级质能级质能级质能级 30 族化合物半导体中的杂质能级 族元素可代替III族元素镓成为受主杂质 族元 素可代替 族元素砷成为施主杂质 族元素如硅 锗 既可以代替镓成为施主杂质 也 可以代替砷成为受主杂质 这种杂质称为双性杂质 III 族杂质 如硼 铝 和 族杂质 如磷 锑 掺入 砷化镓时 它们将取代同族原子而形成既非施主也非 受主的中性杂质中性杂质 在禁带中不引入能级 以GaAs为例 31 画出硅中施主杂质的束缚态 电离过程及 电离后的能带示意图 并分别说明束缚态 和电离后的带电情况 画出硅中受主杂质的束缚态 电离过程及 电离后的能带示意图 并分别说明束缚态 和电离后带电情况 画出金在锗中引入的4个能级 并分别算出 电离能 电离施主带 电 电离受主带 电 电离施主带 电 电离受主带 电 32 2 3 2 3 缺陷及其能级缺陷及其能级缺陷及其能级缺陷及其能级 缺陷种类缺陷种类 点缺陷点缺陷 位错位错 缺陷能级缺陷能级 9 33 缺陷及其能级缺陷及其能级 实际的半导体晶格不是完整无缺的 存在各种形式的 缺陷半导体晶体中某些区域 晶格中原子周期性排列 被破坏 形成缺陷 一 缺陷种类 一 缺陷种类 1 点缺陷 空位 间隙原子 2 线缺陷 位错 3 面缺陷 层错 34 二 点缺陷二 点缺陷 1 元素半导体Si Ge中的点缺陷1 元素半导体Si Ge中的点缺陷 间隙原子和空位 一定温度下 晶格原子在平衡位置附 近作振动 部分原子获得能量挤入晶格原子间的间隙 形成间隙原子 留下的位置叫做空位 A 弗仑克耳缺陷 间隙原子和空位成对出现 B 肖特基缺陷 只有空位无间隙原子 间隙原子和空位不断产生并复合 达到平衡 以上两种缺陷是由温度所决定的 热缺陷热缺陷 原子需要较大的能量才能进入间隙位置 空位占优 是常 见的点缺陷 Si和Ge 存在空位时 空位最邻近有4个原子 每一个原子 有