半导体中的杂质和缺陷

1、实际半导体晶格偏离理想情况实际半导体晶格偏离理想情况 杂质杂质 缺陷缺陷 原子在平衡位置附近振动原子在平衡位置附近振动 杂质和缺陷杂质和缺陷 原子的周期性势场受到破坏原子的周期性势场受到破坏 在禁带中引入能级在禁带中引入能级 决定半导体的物理和化学性质决定半导体的物理和化学性质 浅能级杂质：能级接近导 带底 Ec 或价带顶 Ev； 深能级杂质：能级远离导 带底 Ec 或价带顶 Ev。 缺陷缺陷 点缺陷，如空位、间隙原子等 线缺陷，如位错等 面缺陷，如层错、晶粒间界等 Si：r =0.117nm Li：r =0.068nm P：r =0.11nm (2)替位式杂质替位式杂质：杂质占据格点的位置。

2、 =Si = Si = Si = =Si = P+ = Si = =Si = Si = Si = SiP Li = Si = Si = Si = = Si Si = = Si = Si = Si = A B A B B A A A A B A B 化合物半导体: A、B 两种原子组成 B A = Si = Si = Si = = Si = P + = Si = = Si = Si = Si = 正电中心正电中心 氢原子中的电子的运动轨道半径为： 2 2 2 n qm h r o o H Si 中受正电中心 P +束缚的电子的运动轨道半 径： 埃651 4 . 0 12 2 2 qm h r o

3、 o 12)( Sir 2 2 *2 ( ) rSio e h rn mq 0 * 1 . 0 mme Si P 对于对于Si中的中的P原子，原子， 剩余电子的运动剩余电子的运动 半径：半径：r 65 Si的晶格常数为的晶格常数为 5.4 对于Ge中的P 原子，r 85 P原子中这个多余的电子的运动半径远原子中这个多余的电子的运动半径远 远大于其余四个电子，所受到的束缚远大于其余四个电子，所受到的束缚 最小，极易摆脱束缚成为自由电子。最小，极易摆脱束缚成为自由电子。 施主杂质施主杂质: 施主杂质具有提供电子的能力。施主杂质具有提供电子的能力。 对氢原子对氢原子 氢原子中电子的能量氢原子中电子的

4、能量 222 0 4 0 8nh qm En eV6 .13 8 2 2 4 h qm E o o H 氢原子中的电子的电离能为： 1 EEE 电子从稳定的基态到电离态所需 要的能量就是电子的电离能E： 设设 施主杂质能级为施主杂质能级为ED 施主杂质的电离能施主杂质的电离能ED：即弱束缚的电子即弱束缚的电子 摆脱束缚成为晶格中自由运动的电子（导摆脱束缚成为晶格中自由运动的电子（导 带中的电子）所需要的能量。带中的电子）所需要的能量。 施主的电离能施主的电离能 EC ED Eg EV DC H r e r e r e D EE E m m h qm m m h qm E 2 0 * 22 0

5、4 0 2 0 * 22 0 2 4* 1 8 1 8 对于Si、Ge掺P * 00 0.26,0.12 eSieGe mmmm= 100,16,12 2 rrGerSi Ec Ev 施主能级靠近导带底部施主能级靠近导带底部 ED DCD EEE eVeV GeD,SD, 064. 0,04. 0EE i 施主杂质的电离能小，施主杂质的电离能小， 在常温下基本上电离。在常温下基本上电离。 价带价带 导带导带 （1）在）在 Si 中掺入中掺入 B 2.元素半导体中元素半导体中A族替位杂质的能级族替位杂质的能级 B 获得一个电子获得一个电子 变成负离子，成变成负离子，成 为为负电中心负电中心，周，

6、周 围产生带正电的围产生带正电的 空穴。空穴。 B B 受主杂质具有得到电子的性质，受主杂质具有得到电子的性质， 向价带提供空穴。向价带提供空穴。 电离的结果：电离的结果：价带中的空穴数增加了， 这即是掺受主的意义掺受主的意义所在。 H r o P A E m m E 2 * 1 VAA EEE Ec Ev EA 受主能级靠近价带顶部受主能级靠近价带顶部 (2)受主电离能和受主能级受主电离能和受主能级 oP mm1 . 005. 0 * 受主能级受主能级EA 受主杂质的电离能受主杂质的电离能 小，在常温下基本小，在常温下基本 上为价带电离的电上为价带电离的电 子所占据（空穴由子所占据（空穴由

7、受主能级向价带激受主能级向价带激 发）。发）。 杂质电离或杂质激发：杂质电离或杂质激发： 杂质向导带和价带提供电子和空穴杂质向导带和价带提供电子和空穴 的过程（电子从施主能级向导带的跃迁的过程（电子从施主能级向导带的跃迁 或空穴从受主能级向价带的跃迁）。或空穴从受主能级向价带的跃迁）。 本征激发：本征激发： 电子从价带直接向导带激发，成为电子从价带直接向导带激发，成为 导带的自由电子，这种激发称为导带的自由电子，这种激发称为。 只有本征激发的半导体称为只有本征激发的半导体称为本征半导体本征半导体。 所需要的能量称为所需要的能量称为杂质的电离能杂质的电离能。 P 的浓度/Si 原子的浓度=10

8、-6 Si 的原子浓度为 10 221023/cm3 称称电子为多数载流子电子为多数载流子，简称，简称多子多子，空穴空穴 为少数载流子为少数载流子，简称，简称少子少子。 掺施主的半导体的导带电子数主要由掺施主的半导体的导带电子数主要由 施主决定，半导体导电的载流子主要是电施主决定，半导体导电的载流子主要是电 子（电子数子（电子数空穴数），对应的半导体称空穴数），对应的半导体称 为为N型半导体型半导体。 空穴为多子，电子为少子。空穴为多子，电子为少子。 掺受主的半导体的价带空穴数由受掺受主的半导体的价带空穴数由受 主决定，半导体导电的载流子主要是空主决定，半导体导电的载流子主要是空 穴（空穴数穴

9、（空穴数电子数），对应的半导体电子数），对应的半导体 称为称为P型半导体型半导体。 3. 杂质的补偿作用杂质的补偿作用 (1) NDNA 半导体中同时存在施主和受主杂质，半导体中同时存在施主和受主杂质， 施主和受主之间有互相抵消的作用施主和受主之间有互相抵消的作用 此时为此时为n型半导体型半导体 n=ND-NA Ec ED 电离施主 电离受主 Ev EA (2) NDNA Ec ED EA Ev 电离施主 电离受主 此时为此时为p型半导体型半导体 p=NA- ND (3) NDNA 杂质的高度补偿杂质的高度补偿 不能向导带和价不能向导带和价 带提供电子和空穴带提供电子和空穴 4 4. .元元素

10、素半半导导体体中中的的缺缺陷陷 ( (1 1) )空空位位 = Si = Si = Si = = Si Si = = Si = Si = Si = (2) 间隙间隙 Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si 间隙原子缺陷起施主作用间隙原子缺陷起施主作用 ( (1 1) )杂杂质质 = G a - = A s + = G a - = = A s + = G a - = A s + = = G a - = A s + = G a - = 1. 族化合物半导体中的杂质和缺陷族化合物半导体中的杂质和缺陷 三、三、 化合物半导体中的杂质和缺陷化合物半导体中的杂质和缺陷 施主杂质施主杂质

11、 族元素族元素(Se、S、Te) 在在 GaAs 中通常中通常 都替代都替代族元素族元素As原子的晶格位置。原子的晶格位置。 族杂质在族杂质在GaAs中一般起施主作用，为中一般起施主作用，为 浅施主杂质浅施主杂质。 受主杂质受主杂质 族元素（族元素（Zn、Be、Mg、Cd、Hg） 在在GaAs中通常都取代中通常都取代族元素族元素 Ga 原子的晶格位置。原子的晶格位置。 族元素杂质在族元素杂质在 GaAs 中通常起受主作用，中通常起受主作用， 均为均为浅受主杂质浅受主杂质。 中性杂质中性杂质 族元素（族元素（B、Al、In）和）和族元族元 素（素（P、Sb）在）在 GaAs 中通常分别中通常分别

12、 替代替代 Ga 和和 As，由于杂质在晶格位，由于杂质在晶格位 置上并不改变原有的价电子数，因置上并不改变原有的价电子数，因 此既不给出电子也不俘获电子而呈此既不给出电子也不俘获电子而呈 电中性，对电中性，对 GaAs 的电学性质没有的电学性质没有 明显影响。明显影响。 在禁带中不引入能级在禁带中不引入能级 两性杂质两性杂质 族元素杂质（族元素杂质（Si、Ge、Sn、Pb）在）在 GaAs 中的作用比较复杂，可以取代中的作用比较复杂，可以取代族族 的的 Ga，也可以取代，也可以取代族的族的 As，甚至可以，甚至可以 同时取代两者。同时取代两者。 族杂质不仅可以起施主作用和受主作用，族杂质不仅

13、可以起施主作用和受主作用， 还可以起还可以起中性杂质中性杂质作用。作用。 在掺在掺 Si 浓度小于浓度小于 11018 cm-3 时，时，Si 全部全部 取代取代 Ga 位而起施主作用，这时掺位而起施主作用，这时掺 Si 浓度浓度 和电子浓度一致；和电子浓度一致； 例如：例如： 而在掺而在掺 Si 浓度大于浓度大于 1018 cm-3 时，部分时，部分 Si 原子开始取代原子开始取代 As 位，出现补偿作用，使位，出现补偿作用，使 电子浓度逐渐偏低。电子浓度逐渐偏低。 （2）GaAs 晶体中的点缺陷晶体中的点缺陷 当当 T 0 K 时：时： 空位空位 VGa、VAs 间隙原子间隙原子 GaI、

14、AsI 反结构缺陷反结构缺陷 Ga原子占据原子占据 As 空位，或空位，或 As 原子占据原子占据 Ga 空空 位，记为位，记为 GaAs和和 AsGa。 化合物晶体中的各类点缺陷可以电离，化合物晶体中的各类点缺陷可以电离， 释放出电子或空穴，从而影响材料的释放出电子或空穴，从而影响材料的 电学性质。电学性质。 当 Ga 的位置被 As 取代后，多出一个电 子，相当于施主； 实际晶体中，由于各种缺陷形成时所需实际晶体中，由于各种缺陷形成时所需 要的能量不同，他们浓度会有很大差别。要的能量不同，他们浓度会有很大差别。 GaAs 曾认为曾认为VAs、VGa是比较重要的。是比较重要的。 最近发现，主

15、要缺陷是最近发现，主要缺陷是VAs、AsI。 VGa、VAs、AsI 是起施主还是起受主作用，是起施主还是起受主作用， 尚有分歧。尚有分歧。 较多的人则采用较多的人则采用 VAs、AsI 为施主、为施主、VGa 是受主的观点来解释各种实验结果。是受主的观点来解释各种实验结果。 2.2.族化合物半导体的杂族化合物半导体的杂 质和缺陷质和缺陷 （2）- 族化合物半导体中的缺陷族化合物半导体中的缺陷 其导电类型主要是由它们自身结构的缺其导电类型主要是由它们自身结构的缺 陷（间隙离子或空格点）所决定，这类陷（间隙离子或空格点）所决定，这类 缺陷在半导体中常起施主或受主作用。缺陷在半导体中常起施主或受主

16、作用。 主要是离子键起作用，正负离子相间排主要是离子键起作用，正负离子相间排 列组成了非常稳定的结构，所以外界杂列组成了非常稳定的结构，所以外界杂 质对它们性能的影响不显著。质对它们性能的影响不显著。 -负离子 +正离子 -+-+- +-+-+ -+-+- +-+-+ a.负离负离 子空位子空位 产产 生生 正正 电电 中中 心，心， 起起 施施 主主 作作 用用 电负性 小 b.正离正离 子填隙子填隙 产产 生生 正正 电电 中中 心，心， 起起 施施 主主 作作 用用 c.正离正离 子空位子空位 产产 生生 负负 电电 中中 心，心， 起起 受受 主主 作作 用用 电负性 大 d.负离负离 子填隙子填隙 产产 生生 负负 电电 中中 心，心， 起起 受受 主主 作作 用用 负离子空位负离子空位 产生正电中心，起施主作用产生正电中心，起施主作用 正离子填隙正离子填隙 正离子空位正离子空位 负离子填隙负离子填隙 产生负电中心，起受主作用产生负电中心，起受主作用 Ge Ge Au Ge Ge Ec Ev ED Ec Ev ED EA1 Ec Ev ED EA1 EA2 EA3 深能级一般作为复合中心深能级一