半导体中的杂质和缺陷

1、第二章半导体中杂质和缺陷能级实际应用中的、半导体材料一十岔纯净不含任何杂质原子并不是静止在具有严格周期性 的晶格的格点位置上，而是在其平 衡位置附近振动并不是纯净的，而是含有若干杂质,晶格中的原子严格卩在半导体晶格中存在着与组成半按周期排列的导体的元素不同的其他化学元素的 原子晶格结构并不是完整无缺的，而存 在着各种形式的觥陷>杂质：半导体中存在的与本体元素不同的其它元素 缺陷：晶格中的原子周期性排列被破坏a. 点缺陷：空位、间隙原子b. 线缺陷：位错c. 面缺陷：层错杂质和缺陷对半导体的物理性能和化学性能会 产生决定性的影响。杂质和缺陷出现在半导体中时,产生的附加势场使严格的周期性势场

2、遭到破坏。杂质能级位于禁带之中Ec杂质能级Ev§2.1 Si、Ge晶体中的杂质能级间隙式杂质：杂质原子位于晶格原子的间隙位间隙式杂质原子一般比 僉小替位式杂质：杂质原子 取代晶格原子位于晶格 皆处替位式杂质原子的大 小与被取代的晶格原子 的大小比较相近，价电 子壳层结构相近。杂质浓度：单位体积中的杂质原子数施主杂质和施主能级：施主杂质：能够施放电子而产生导电电子并形成正电中心硅中掺入磷(P)为例，研究 V族元素杂质的作用。当一个 磷原子占据了硅原子的位置， 如图所示，磷原子有五个价电 子，其中四个价电子与周围的 四个硅原子形成共价键，还剩 余一个价电子。磷原子成为一 个带肴一个正电荷

3、的磷离子(P+),称为正电中心磷离子I 其效果相当于形成了个正电 中心和一个多余的电子。多余的电子束缚在正电中心周围，但这种束缚作用比共价键 的束缚作用弱得多，只要很小的能量就可以使多余电子挣脱 束缚，成为自由电子在晶格中运动，起到导电的作用。这时 磷原子就成了一个少了一个价电子的磷离子，它是一个不能 移动的正电中心。多余电子脱离杂质原子成为导电电子的过程称为页电J O 使这个多余电子挣脱枣缚成为导电电子所需要的能量称为 质电离能,用AE。表示。实验测得，V族元素原子在硅、错中的电离能很小（即多余 电子很容易挣脱原子的束缚成为导电电子），在硅中电离能 约为0.04M）.05eV,在错中电离能约

4、为0.01 eV,比硅、错的禁 带宽度小得多。1施主杂质/N型杂质:V族元素杂质在硅、错中电离时，能够施放电子而 产生昱电电壬并形成正电中心。施放电子的过程称为施主电离。施主杂质在未电离时是中性的，称为束? 或中性态, 电离后成为正电中心，称为离化态。电子型半导体/N型半导体；丿纯净半导体中掺入施主杂质后，施主杂质电离，使导带中 的导电电子增多（电子密度大于空穴密度），增强了半导 体的导电能力，成为主要依靠电子导电的半导体材料。1木木爪Ed X <TEgEv电子得到能量AEd后， 就从施主的束缚态跃迁 到导带成为导电电子，施王能级用离导带底Ec为AEd处的短 线段表示,施主能级上的小黑点

5、表示 赵表示被 束缚的电子得到电离能后从施主能级 跃迁到导带成为导电电子的电离过程。 的朋点表示鯉的电5,旦表示施主杂质电离后带正电，成为不可移动的正点由心。用Ed表示。由于AEd远 小于禁带宽度Eg,所以 施主能级位于离导带底 很近的禁带中。歯于n 主杂质相对较少，杂质 原子间的相互作用可以 忽略,所以施主能级可 以看作是一些具有相同 能竝质束缚时的电 子的能量比导带底Ec低 AEn豫为施主能级/受主杂质和受主能级：Si中掺硼B受主杂质：能够接受电子而产生导电空穴并形成负电中心Si硅中掺入硼(B)为例，研究in 族元素杂质的作用。当一个硼原 子占据了硅原子的位置，如图所 示，硼原子有三个价电

6、子，当它 和周围的四个硅原子形成共价键 时，还缺少一个电子，必须从别 处的硅原子中夺取一个价电子， 于是在硅晶体的共价键中产生了 一个空穴。硼原子成为一个带有 一个负电荷的硼离子(B-)，称 为负电中心硼离子。其效果相当 于形成了一个负电中心和一个多 余的空穴。多余的空穴束缚在负电中心周围，但这种束缚作用比共价键 的束缚作用弱得多，只要很小的能量就可以使多余空穴挣脱 束缚，成为自由空穴在晶格中运动，起到导电的作用。这时 硼原子就成了一个多了一个价电子的硼离子，它是一个不能 移动的负电中心。多余空穴脱离杂质原子成为导电空穴的过程称为杂质电离。 使这个多余空穴挣脱束缚成为导电空穴所需要的能量称为杂

7、 质电离能，用AEr表亦<>实验测得，m族元素原子在硅.错中的电离能很小（即多余空 穴很容易挣脱原子的束缚成为导电空穴），在硅中约为 0.0450.065eV,在错中约为0.01 eVo< 丿.Jr受主杂质健型杂质；m族元素杂质在硅、错中能接受电子而产生昱虫空, 并形成负电中心。 一-一d空穴挣脱受主杂质束缚的过程称为受主电离。受主杂质未电离时是中性的，称为束缚态或中性态。、 /空穴型半导体/P型半导体、/纯净半导体中掺入受主杂质后，受主杂质电离，使价带中的 导电空穴增多（空穴密度大于电子密度），增强了半导体的 导电能力，成为主要依靠空穴导电的半导体材料。EgE"I

8、 o o o 。o 二T4EvO O o受主能级用离价带顶E、为AE.、处的短线国诗 缚的空穴。赵表示被束缚的空穴得到翰 能后从受主能级跃迁到价带成为导电空穴（即价带顶的电子跃迁到受主能级上填充7 位）的电离过程。价带中的小圆圈表示进, 价带中的空穴,薛示受主勰瞬瞬后带步 电，成为不可移动的负点中心。空穴得到能量AEa后， 就从受主的束缚态跃迁 到价带成为导电空穴， 被受主杂质束缚时的空 穴的能量比价带顶EJ氏 aea,趣內受主能级; 用Ea表示。由于AEa远 小于禁带宽度Eg,所以 '受主能级位于价带顶很 ；近的禁带中。由于受主杂质相对较少，杂质原 子间的相互作用可以忽 略，所以受主

9、能级可以 i看作是一些具有相同能 览的菰立能级.in族元素掺入半导体，f受主杂质T在禁带中引入了V族元素11分别成为沉r'1施主杂质 J1新的能级，分别为/J受主能级：比价带顶高AEaJ常温下，杂质都处于离化态施主能级：比导带底低受主杂质向价带提供空穴而成为负电中心/"S施主杂质向导带提供电子而成为正电中心' )p型半导体N型半导体S./浅能级 很靠近导带底的施主能级.很靠近价带顶的受主能级5、杂质的补偿作用(A) Nd弘时n型半导体杂质的补偿:既掺有施主又掺有受主补偿半导体因Ea在Ed之下，Ed上的束缚 电子首先填充Ea上的空位，即 施主与受主先相互“抵消”，剩余的

10、束缚电子再电离到导带上。=Nd半导体是n型的有效的施主浓度Nd僅NdNa(B) Na>Nd时 p型半导体因Ea在Ed之下, Ed上的束缚电子首 先填充Ea上的空位,即施主与受主先相互“抵消”,剩余的束缚空穴再电离到价带上。PEv 半导体是P型的有效的受主浓度Na*二Na- Nd (C) nand时杂质的高度补偿 6、深能级杂质EcEv(1) 浅能级杂质EdEgAEaEg(2) 深能级杂质E d 卡 EgAEA<tEg深能级的特点: 施主能级离导带较远，受主能级离价带较远。一种杂质可以引入若干能级，因为会产生多次电离, 有的杂质既能引入施主能级，又能引入受主能级。杂质能级是与杂质原子

11、的壳层结构、杂质原子的大 小、杂质在晶格中的位置等等因素有关，目前没有 完善的理论加以说明。例Au ( I族)在Ge中Au在Ge中共有五种可能的状态:(1) Au+；(2) AuO ；(3) Au ；(4) Au二；(5) Au三。 (1) Au+： Au°- e(2) AuOa Au+aed电中性态VavA3Sl '0onV :_叫（£） (4) Au二：Au +Au 二Ea20.04eV0.15eV (5) Au三：Au二+eA2o.oLve Au三(1)等电子杂质特征：a、与本征元素同族但不同原子序数b、以替位形式存在于晶体中, 上是电中性的。条件：电负性、共

12、价半径相差较大同族元素原子序数越小，电负性越大，共价半径越小。等电子杂质电负性大于基质晶体原子的电负时,取代后将成为负电中心；反之，将成为正电中心。原子的电负性是描述化合物分子中组成原子吸引电子倾向强弱的物理量，显然与原子的电离能、亲合能及价态有关 （2）等电子陷阱等电子杂质（如N）占据本征原子位置（如GaP中的P位置）后，即NPN的共价半径为0.07nm,电负性为30;P的共价半径为O.llnm,电负性为21所以氮取代磷后能俘获电子成为负电中心，它们可以 吸引一个导带电子而变成负离子，这就是电子陷阱, 相反如果成为正电中心即可吸引一个价带空穴而变成 正离子这就是空穴陷阱。1、N在GaP中：N

13、P2、C在Si 中：CSi3、O在ZnTe 中:其存在形式可以是(1)替位式(2)复合体，如ZnO 8、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。 9、两性杂质GaAs 中掺 Si （IV族）Ga： HI族As： V族Si Ga k施主两徃嘗质Si As k受主两性杂质：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 主，这种杂质称为两性杂质。§ 2.2 ID-V族化合物中的杂质能级铝、傢、錮和磷、碑、簣组成的九种化合物化学计量比：1:1晶体结构：闪锌矿结构替位式杂质间隙式杂质(1) 一族元素，引入受主能

14、级(2) 二族元素，受主能级三、五族元素，一般是电中性杂质，另一种等电 子杂质效应等电子杂质: 特征：a、与本征元素同族但不同原子序数b、以替位形式存在于晶体中，基本 卜县由悴66条件：电负性、共价半径站差较大同族元素原子序数越小，电负性越大，共价半 径越小。1=等电子杂质电负性大于基质晶体原子的电负时，取代后将成为负电中心；反之，将成为正电中心。等电子杂质（如N）占据本征原子位置 （如GaP中的P位置）后，即NPN的共价半径为0.07nm,电负性为30;P的共价半径为O.llnm,电负性为21所以氮取代磷后能俘获电子成为负电中心，它们可以 吸引一个导带电子而变成负离子，这就是电子陷阱, 相反如果成为正电中心即可吸引一个价带空穴而变成 正离子这就是空穴陷阱。（4）四族元素，两性杂质GaAs 中掺 Si （IV族）Ga： HI族As： V族Si Ga k施主两徃嘗质Si As k受主两性杂质：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 主，这种杂质称为两性杂质。(5) 六族元素，常取代五族元素，施主杂质过渡族元素除帆产生施主能级，其余均产生 受主能级