半导体物理学-半导体中杂质和缺陷能级

1、第二章第二章 半导体中的杂质和缺陷能级半导体中的杂质和缺陷能级第二章第二章 半导体中的杂质和缺陷能级半导体中的杂质和缺陷能级第二章第二章 半导体中的杂质和缺陷能级半导体中的杂质和缺陷能级第二章第二章 半导体中的杂质和缺陷能级半导体中的杂质和缺陷能级实际晶体理想晶体原子在平衡位置附近振动原子静止在严格周期性的晶格格点位置不纯净，含有杂质纯净存在点、线、面缺陷晶格结构完整无缺杂质：半导体晶格中存在的与组成半导体材料的元素不同的其他元素的原子。缺陷缺陷点缺陷，如空位、间隙原子、替位原子等线缺陷，如位错等面缺陷，如层错、晶粒间界等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

2、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金钢石晶体结构中的四面体间隙位置 内部4个原子构成T空隙金钢石晶体结构中的六角形间隙位置3个邻位面心+3个内部原子构成H空隙SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiPSiSiSiSi 施施 主主 掺掺 杂（掺磷杂（掺磷）SiP+SiSiSiSiSiSiSi-磷替代硅，其效果是磷替代硅，其效果是形成一个正电中心形成一个正电中心P+和一个多余的价电子。和一个多余的价电子。这个多余的价电子就这个多余的价电子就束缚在正电中心束缚在正电中心P+的的周围（弱束缚）。周围（弱束缚）。 SiP对于对于Si中的中

3、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 +4+4+5+4多余多余价电子价电子磷原子磷原子带有分立的施主能级带有分立的施主能级的能带图的能带图施主能级电离能带图施主能级电离能带图P 的浓度/Si 原子的浓度=10-6 Si 的原子浓度为 10221023/cm3 掺施主的半导体的导带电子数主要由施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子主决定，半导体导电的载流子主要是电子（电子数（电子数空穴数），对应的半导体称为空穴数），对应的半导体称为N型半导体型半导体。称称电子为多数载流

4、子电子为多数载流子，简称，简称多子多子，空穴为少空穴为少数载流子数载流子，简称，简称少子少子。 受受 主主 掺掺 杂（掺硼）杂（掺硼）SiB-SiSiSiSiSiSiSi+硼原子接受一个电子后，硼原子接受一个电子后，成为带负电的硼离子，成为带负电的硼离子，称为负电中心（称为负电中心（B- ） 。带负电的硼离子和带正带负电的硼离子和带正电的空穴间有静电引力电的空穴间有静电引力作用，这个空穴受到硼作用，这个空穴受到硼离子的束缚，在硼离子离子的束缚，在硼离子附近运动。附近运动。空穴空穴B-+4+4+3+4受主能级电离能带图受主能级电离能带图带有分立的受主能级带有分立的受主能级的能带图的能带图 被受主

5、杂质束缚的空穴的能量状态称为受主能级EA。 施主能级位于离价带顶很近的禁带中 杂质原子间的相互作用可忽略，某一种杂质的受主能级是一些具有相同能量的孤立能级。表2-2 硅、锗晶体中III族杂质的电离能(eV) 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（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。空穴为多子，电子为少子。空穴为多子，电子为少子。 施主和受主浓度：施主和受主浓度：ND、NA施主：施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中，掺入半导体的杂质原子向半

6、导体中 提供导电的电子，并成为带正电的离子。如提供导电的电子，并成为带正电的离子。如 Si中掺的中掺的P 和和As受主：受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如 Si中掺的中掺的B 总结 浅能级杂质：引入能级接近导带底Ec的施主杂质或引入能级接近价带顶Ev的受主杂质。其作用是改变半导体导电类型和调节导电能力，例如室温下，硅、锗中III、V族杂质几乎全部电离。 深能级杂质：引入能级远离导带底Ec 的施主杂质或引入能级远离价带顶Ev的受主杂质。一般作为复合中心，它对载流子和导

7、电类型影响较小。2220408nhqmEnn=1时,基态电子能量eVhqmE6 .138220401n=时，氢原子电离E=0氢原子的电离能eVEEE6 .1310eVEEE6 .131020*200*22024*6 .138rnrnrnDmmEmmhqmE0*26. 0mmn12reVED025. 00*12. 0mmn0*12. 0mmn0*12. 0mmn16reVED0064. 020*200*22024*6 .138rPrPrPAmmEmmhqmE0*02*20202020rmmnmqhrmqhrnrnr基态下（n=1），氢原子的轨道半径：nmr05301.n在半导体中，若同时存在着在

8、半导体中，若同时存在着施主施主和和受主受主杂质，施杂质，施受主杂质之间有受主杂质之间有互相抵消互相抵消的作用，通常称为的作用，通常称为杂质杂质的补偿作用的补偿作用。一共有如下三种情况：。一共有如下三种情况：NDNANANDNANDNDNA因为受主能级低于施主能级，所以施主杂质的电子首先跃迁到NA个受主能级上，还有ND-NA个电子在施主能级上，杂质全部电离时，跃迁到导带中的导电电子的浓度为n= ND-NA。即则有效施主浓度为NDeff ND-NAECEVEDEA2、 当当NAND 施主能级上的全部电子跃迁到受主能级上，施主能级上的全部电子跃迁到受主能级上，受主能级上还有受主能级上还有NA-ND个

9、空穴，它们可接受价个空穴，它们可接受价带上的带上的NA-ND个电子，在价带中形成的空穴浓个电子，在价带中形成的空穴浓度度p= NA-ND. 即有效受主浓度为即有效受主浓度为NAeff NA-NDECEVEDEA3、当NAND时， 不能向导带和价带提供电子和空穴，称为杂质的高度补偿。 这种材料容易被误认高纯半导体，实际上含杂质很多，性能很差， 不能用来制造半导体器件。 杂质补偿作用是制造各种半导体器件的基础。杂质补偿作用是制造各种半导体器件的基础。 如能根据需要用扩散或离子注人方法来改变半导如能根据需要用扩散或离子注人方法来改变半导体中某一区域的导电类型，以制成各种器件体中某一区域的导电类型，以

10、制成各种器件. 晶体管制造过程中的杂质补偿晶体管制造过程中的杂质补偿n型型Si外延层外延层PN硼磷NN金在锗中产生的能级金在锗中产生的能级中性金原子Au0只有一个价电子，它取代锗原子后，金的这一价电子可以电离跃迁到导带，形成深施主能级ED。它也可以从价带接受13个电子，形成三个深受主能级。所以，在锗中金有5种荷电状态， Au+, Au0, Au-, Au, AuECEVEDEA1EiEA2EA30.040.200.150.04金在锗中的能级金在锗中的能级金在锗中产生的能级金在锗中产生的能级金在锗中产生的 ED是深施主能级，EA1、EA2和EA3是Au0依次接受1个、2个、3个电子后形成的深受主

11、能级， 由于电子间的库仑排斥作用，接受2个电子比接受1个电子所需电离能大，而接受3个电子比接受2个电子所需电离能还大，Au-，Au，Au能级逐渐升高。ECEVEDEA1EiEA2EA30.040.200.150.04金在锗中的能级金在锗中的能级金在硅中产生的深能级金在硅中产生的深能级金在硅中只观测1个深施主能级和1个深受主能级，这可能是由于其他施主态和受主态的电离能大于禁带宽度，相应的施主能级和受主能级进入了价带和导带，所以在禁带中已经测不到了。现在常用深能级瞬态谱测量杂质的深能级。金是一种典型的复合中心，在制造高速开关器件时，常有意掺入金以提高器件的响应速度。深能级杂质的电离能常采用类氦模型。总结：深能级杂质能够产生多次电离，在禁带中引入多个能级。深能级杂质对半导体的导电类型和载流子浓度影响较小，但是它们对于载流子的复合作用很强，称为复合中心。晶体杂质GaAsGaPGaAs、GaP晶体中受主杂质的电离能晶体中受主杂质的电离能GaAs电子浓度和硅杂质浓度的关系电子浓度和硅杂质浓度的关系晶体杂质GaAsGaPGaAs、GaP晶体中受主杂质的电离能晶体中受主杂质的电离能 (eV) 间隙原子缺陷：间隙原子缺陷：只有间隙原子而无原子空位只有间隙原子而无原子空位肖特基缺陷：肖特基缺陷：n2.3.2