半导体物理学-chap2

1、第2章 半导体中杂 质和缺陷能级 v理想半导体理想半导体： 1、原子严格地周期性排列，晶体具有完整的晶格 结构。 2、晶体中无杂质，无缺陷。 3、电子在周期场中作共有化运动，形成允带和禁 带电子能量只能处在允带中的能级上，禁带 中无能级。由本征激发提供载流子 本征半导体晶体具有完整的（完美的）晶格 结构，无任何杂质和缺陷。 Eg 没有没有 能级能级 本征半导体（本征半导体（intrinsic）能带：）能带： 实际半导体（实际半导体（extrinsic）：）： 1 晶体中晶格位置上的原子在平衡位置振动晶体中晶格位置上的原子在平衡位置振动 缺陷的出现： 点缺陷点缺陷 线缺陷线缺陷 面缺陷面缺陷 空

2、位空位 位错位错 层错层错 3 存在与晶体基质原子不同的杂质原子存在与晶体基质原子不同的杂质原子 杂质的出现： 无意掺杂无意掺杂源材料和工艺源材料和工艺 有目的控制有目的控制 材料性质材料性质 有意掺杂有意掺杂 2 晶格结构并非完整无缺，存在缺陷晶格结构并非完整无缺，存在缺陷 杂质和缺陷对能带结构的影响：杂质和缺陷对能带结构的影响： 周期性势场受到破坏周期性势场受到破坏 在半导体的禁带中引入能级在半导体的禁带中引入能级 影响半导体的电、光性质。影响半导体的电、光性质。 1 1 硅、锗中的浅能级和深能级杂质以及杂硅、锗中的浅能级和深能级杂质以及杂 质能级，了解浅能级杂质电离能的计算，了解杂质能级

3、，了解浅能级杂质电离能的计算，了解杂 质补偿作用。质补偿作用。 2 III-V2 III-V族化合物主要是族化合物主要是GaAs中的杂质能级。中的杂质能级。 3 3 了解缺陷、位错能级。了解缺陷、位错能级。 本章主要内容：本章主要内容： 2.1.1替位式杂质、间隙式杂质 替位式杂质 杂质原子的大小与晶体原子相似 III、V族元素在硅、锗中均为替位式杂质 间隙式杂质 杂质原子小于晶体原子 杂质浓度：单位体积内的杂质原子数 (1)间隙式杂质位于组成半导体的元间隙式杂质位于组成半导体的元 素或离子的格点之间的间隙位置。素或离子的格点之间的间隙位置。 间隙式原子的半径一般比较小。间隙式原子的半径一般比

4、较小。 1 杂质存在的方式杂质存在的方式 碱金属原子在半导体尤其在碱金属原子在半导体尤其在Si中易扩散，引起器件中易扩散，引起器件 性能的恶化性能的恶化 3 3 13 23 = 48 4 8 3 0.34 rara r a 在金刚石型晶体中，一个晶胞内的原子只占晶在金刚石型晶体中，一个晶胞内的原子只占晶 胞体积的胞体积的34%，空隙占，空隙占66%。 Li+在硅、锗、砷化镓中是间隙式杂质。在硅、锗、砷化镓中是间隙式杂质。 v金刚石型晶体结构中的两种空隙金刚石型晶体结构中的两种空隙 单位体积中的杂质原子数单位体积中的杂质原子数杂质浓度杂质浓度 硅硅、锗锗是是 族元素，与族元素，与 、族元素的情况

5、比族元素的情况比 较相近，它们在硅、锗晶体中都是替位式杂质。较相近，它们在硅、锗晶体中都是替位式杂质。 两种杂质特点：两种杂质特点： v间隙式杂质：原子一般比较小， 如：锂离子，0.068nm v替值式杂质时： 1）杂质原子的大小与被取代的晶格原子的大小比 较相近 2）价电子壳层结构比较相近 如：，族元素 杂质：杂质：半导体中存在的与本体元素不同的其半导体中存在的与本体元素不同的其 它元素。它元素。杂质出现在半导体中时，产生的附加杂质出现在半导体中时，产生的附加 势场使严格的周期性势场遭到破坏，可能在禁势场使严格的周期性势场遭到破坏，可能在禁 带中引入允许电子具有的能量状态（即带中引入允许电子

6、具有的能量状态（即能级能级）。）。 杂质能级位于禁带之中杂质能级位于禁带之中 Ec Ev 杂质能级杂质能级 2.1.2施主杂质、施主能级 Donor impurity and donor level 束缚在正电中束缚在正电中 心附近的价电心附近的价电 子所受到的束子所受到的束 缚力比共价键缚力比共价键 弱得多弱得多！ v施主杂质 V族元素在硅、锗中电离时能够释放电子而产生导电电子 并形成正电中心，称此类杂质为施主杂质或n型杂质。 v施主电离 施主杂质释放电子的过程。 v施主能级 被施主杂质束缚的电子的能量状态，记为ED，施主电离能 量为ED。 vn型半导体 依靠导带电子导电的半导体。 施主杂质

7、施主杂质：束缚在杂质能级上的电子被激发束缚在杂质能级上的电子被激发 到导带到导带Ec成为导带电子，该杂质电离后成为成为导带电子，该杂质电离后成为正电正电 中心中心（正离子）。这种杂质称为（正离子）。这种杂质称为施主杂质施主杂质。 Si、Ge中中族杂质的电离能族杂质的电离能ED（eV） 晶体晶体 杂杂 质质 P As Sb Si 0.044 0.049 0.039 Ge 0.0126 0.0127 0.0096 硅、锗在硅、锗在T=0 KT=0 K时的时的EgEg为为1.170 eV1.170 eV和和0.7437 eV0.7437 eV 杂质电离能：杂质电离能：ED=EC-ED 施主杂质施主杂

8、质 束缚态束缚态：杂质未电离，中性：杂质未电离，中性 离化态离化态：杂质电离成为正电：杂质电离成为正电 中心，释放电子中心，释放电子 Eg ED EC EV 2.1.3受主杂质、受主能级 Acceptor impurity and acceptor level 受主能级：受主能级：Si中掺硼中掺硼B（Si：B） v受主杂质 III族元素在硅、锗中电离时能够接受电子而产生导电空穴 并形成负电中心，称此类杂质为受主杂质或p型杂质。 v受主电离 受主杂质释放空穴的过程。 v受主能级 被受主杂质束缚的空穴的能量状态，记为EA。受主电离能 量为EA vp型半导体 依靠价带空穴导电的半导体。 受主受主 电

9、电 离离 能：能： EA=EA-EV Eg EA EA EV EC （浅）杂（浅）杂 质质 半半 导导 体体 1、n 型半导体：型半导体： 特征：特征：a、施主杂质电离，、施主杂质电离， 导带中导带中 出现施主出现施主 提供的导电电提供的导电电 子；子； b、电子浓度、电子浓度n空穴浓度空穴浓度p 2、p 型半导体型半导体： 特征特征：a、受主杂质电离，价带中、受主杂质电离，价带中 出现受主提供的空穴；出现受主提供的空穴； b、空穴浓度、空穴浓度p电子浓度电子浓度n 上述杂质的特点：上述杂质的特点： 施主电离能施主电离能ED Eg 受主电离能受主电离能 EANA时 n= ND-NA ND，半导

10、体是n型的 v当NDNA时 p= NA-ND NA，半导体是p型的 v当NDNA时 补偿半导体 v有效杂质浓度 补偿后半导体中的净杂质浓度。 2.1.6深能级杂质 非、族杂质在Si、Ge的禁带中产生的施主能 级远离导带底，受主能级远离价带顶。杂质电离 能大，能够产生多次电离 特点 多为替位式杂质 硅、锗的禁带中产生的施主能级距离导带底、受主能 级距离价带顶较远，形成深能级，称为深能级杂质。 深能级杂质能够产生多次电离，每次电离均对应一个 能级。 （1）浅能级杂质）浅能级杂质 （2）深能级杂质）深能级杂质 E D Eg EA Eg E D EA EA E D E D EA Ec Ec Ev Ev

11、 EDEg EAEA2EA1。 金在Ge中存在ED、 EA3、EA2、EA1四个孤立能级。 2.2 -族化合物中的杂质能级 杂质在砷化镓中的存在 形式 1）取代砷）取代砷 2）取代镓）取代镓 3）填隙）填隙 lI族元素 一般为引入受主能级，如银受主能级为（Ev+0.11）ev， （Ev+0.238）ev；金受主能级为（Ev+0.09）ev；替位式铜受 主能级为（Ev+0.14）ev，（Ev+0.44）ev等 lII族元素 价电子比III族元素少一个，有获得一个电子完成共价键 的倾向。通常取代III族原子位于格点上，表现为受主杂质。 lIII，V族元素 掺入不是由他们本身形成的III-V族化合物

12、，实验中测不 到杂质影响。是电中性杂质，在禁带中不引入能级。 等电子陷阱 （1 1）等电子杂质）等电子杂质 特征：a、与本征元素同族但不同原子序数 例：例：GaP中掺入族的N或Bi b、以替位形式存在于晶体中，基本上是 电中性的。 v 等电子杂质（如N）占据本征原子位置（如GaP 中的P位置）后 v存在着由核心力引起的短程作用力，它们可以吸引 一个导带电子（空穴）而变成负(正）离子，前者 就是电子陷阱电子陷阱，后者就是空穴陷阱空穴陷阱。 N NP 1、N在GaP中：NP 2、C在Si中：CSi 其存在形式可以是 （1）替位式 （2）复合体，如 Zn-O 在磷化镓中，Zn原子代替Ga原子位置，O

13、原子 代替P原子位置，当两个杂质原子处于相邻晶格点 时，形成一个电中性的Zn-O络合物 等 电 子 陷 阱 举 例 束缚激子 即等电子陷阱俘获一种符号的载流子后，又因带电中心的库仑作 用又俘获另一种带电符号的载流子，这就是束缚激子束缚激子。 举例：GaAs中掺Si（族） Ga：族 As：族 Si Ga受主 SiAs施主 两性杂质：两性杂质： 在化合物半导体中，某种杂质在其中既可以作施主 又可以作受，这种杂质称为两性杂质。 两性杂质 IV族元素族元素 取代III族起施主杂质作用，取代V族则起受 主作用。杂质总效果与掺杂浓度及掺杂时的 外界条件有关。 VI族元素 取代V族原子，表现为施主杂质，引入

14、施主能级。 2.4.1 点缺陷 point defects 热缺陷 thermal defects （由温度决定） 弗仓克尔缺陷 成对出现的间隙原子和空位 肖特基缺陷 只形成空位而没有间隙原子 nIII-V族化合物，成分偏离正常化学比 n替位原子 2.4 缺陷、位错能级 (defect levels) 空位易于间隙原子出现，因为原 子须具有较大的能量才能计入空隙 位置，以及它迁移时激活能力很小 因为空位周围有四个不成对电 子，所以空位表现出受主作用； 每个间隙原子有四个可以失去 的电子，所以表现出施主作用。 GaAs中的镓空位和砷空 位均表现为受主作用； 离子性强的化合物半导体（M,X），正离子空位是受 主，负离子空位是施主，金属原子为间隙原子时为施 主，非金属原子为间隙原子时为受主。 离子性弱的二元化合物AB，替位原子AB是受主，BA是 施主。 v点缺陷对半导体性质的影响：点缺陷对半导体性质的影响： 1）缺陷处晶格畸变，周期性势场被破坏，致使在 禁带中产生能级。 2）热缺陷能级大多为深能级，在半导体中起复合 中心作用，使非平衡载流子浓度和寿命降低。 3）空位缺陷有利于杂质扩散 4）对载流子有散射作用，使载流子迁移率和寿命 降低。 2.4.2 位错 锗中的60棱位错 （111）面内位错线101方向和滑移方向110之间的夹 角是60 锗中位错具有受主及施主的作用。 晶格畸变 0