第2章 半导体中杂质和缺陷能级

1、第第2章章 半导体中杂质和半导体中杂质和缺陷能级缺陷能级n半导体的杂质敏感性n半导体电子、空穴共同参与导电，可否调制？P-N结，晶体管n理想半导体材料理想半导体材料原子静止在具有严格周期性晶格的格点位置上原子静止在具有严格周期性晶格的格点位置上晶体是纯净的，即不含杂质晶体是纯净的，即不含杂质 (没有没有与组成晶体材料的元素不同的其它化学元与组成晶体材料的元素不同的其它化学元素素)晶格结构是完整的，即具有严格的周期性晶格结构是完整的，即具有严格的周期性v 实际半导体材料实际半导体材料 原子在平衡位置附近振动原子在平衡位置附近振动 含有杂质；含有杂质； 晶格结构不完整，存在缺陷晶格结构不完整，存在

2、缺陷点缺陷，线缺陷，面缺陷点缺陷，线缺陷，面缺陷n杂质和缺陷的影响杂质和缺陷的影响使周期性势场受到破坏，有可能在禁带中引使周期性势场受到破坏，有可能在禁带中引入能级，从而对半导体的性质产生影响入能级，从而对半导体的性质产生影响n影响半导体器件的质量（如性能等）影响半导体器件的质量（如性能等）n对半导体材料的物理性质和化学性质起决定性的对半导体材料的物理性质和化学性质起决定性的影响（如提高导电率）影响（如提高导电率）本章目的：介绍杂质和缺陷的基本概念本章目的：介绍杂质和缺陷的基本概念105硅原子中掺硅原子中掺1个硼原子，则比单纯硅晶的电导率增加了个硼原子，则比单纯硅晶的电导率增加了103倍倍n杂

3、质杂质与组成晶体材料的元素不同的其他与组成晶体材料的元素不同的其他化学元素化学元素v形成原因形成原因 原材料纯度不够原材料纯度不够 制作过程中有玷污制作过程中有玷污 人为的掺入人为的掺入金刚石结构中，密堆积时，原子占晶格体积比？金刚石结构中，密堆积时，原子占晶格体积比？8个原子，个原子，r=?占体积比？占体积比？34%n分类分类(1)：按杂质原子在晶格中所处位置分按杂质原子在晶格中所处位置分间隙式杂质间隙式杂质替位式杂质替位式杂质 杂质原子位于晶格原子的间隙位置杂质原子位于晶格原子的间隙位置 要求杂质原子比较小要求杂质原子比较小 杂质原子取代晶格原子而位于格点处杂质原子取代晶格原子而位于格点处

4、 要求杂质原子的大小、价电子壳层结构等均与晶格原子相近要求杂质原子的大小、价电子壳层结构等均与晶格原子相近两种类型的两种类型的杂质可以同杂质可以同时存在时存在这里主要介这里主要介绍绍替位式替位式杂杂质质n分类分类(2)：按杂质所提供载流子的类型分按杂质所提供载流子的类型分施主杂质施主杂质受主杂质受主杂质 第第V族杂质原子替代第族杂质原子替代第IV族晶体材料原子族晶体材料原子 能够施放能够施放(Discharge)电子而产生导电电子，并形成正电中电子而产生导电电子，并形成正电中心的杂质（心的杂质（n型杂质）型杂质） 第第III族杂质原子替代第族杂质原子替代第IV族晶体材料原子族晶体材料原子 能够

5、接受能够接受(Accept)电子而产生导电空穴，并形成负电中心电子而产生导电空穴，并形成负电中心的杂质（的杂质（p型杂质）型杂质）施施主主杂杂质质受受主主杂杂质质n施主杂质(IV-V)分立的能级分立的能级因为杂质含量低，不能共有化运动因为杂质含量低，不能共有化运动该多余电子运动状态：1.比成键电子自由的多，EDEv2.与导带底电子也有差别 （受到P+原子的库伦吸引力）（绕原子运动）ED=Ec-E库伦 （在禁带中）（在禁带中）EDEgn中性态未未电离时称为中性态或者束缚态电离时称为中性态或者束缚态T=0 Kn杂质电离在一定能量下，杂质中电子脱离原在一定能量下，杂质中电子脱离原子束缚而成为导电电子

6、的过程子束缚而成为导电电子的过程T0 K (热激发）热激发）n杂质电离能杂质电离时所需要的最少能量杂质电离时所需要的最少能量E ED D=E=Ec c-E-ED D，一般来说一般来说E ED D EV)提供载流子：导带电子提供载流子：导带电子电离的结果：导带中的电离的结果：导带中的电子数增加电子数增加了，这即是掺施主的意义所在了，这即是掺施主的意义所在n受主杂质(IV-III)束缚空穴：受受B-原子吸引原子吸引,绕原子运动绕原子运动要形成自由空穴，要克服B原子的吸引力,给一定能量EA。能带中，越往下，空穴能量越高。能带中，越往下，空穴能量越高。（越往下的电子，越难激发形成空穴）受主受主 电电

7、离离 能：能： EA=EA-EV 如：如： III族元素在硅锗中电离能为：族元素在硅锗中电离能为： 0.045 和和0.01 eV 中性态 未未电离时称为中性态或者束缚态电离时称为中性态或者束缚态 T=0 K 杂质电离 在一定能量下，杂质中电子脱离原在一定能量下，杂质中电子脱离原子束缚而成为导电电子的过程子束缚而成为导电电子的过程 T 0 K 杂质电离能 杂质电离时所需要的最少能量杂质电离时所需要的最少能量 E EA A=E=EA A-E-EV V，一般来说一般来说E EA AIII)提供载流子：价带空穴提供载流子：价带空穴电离的结果：价带中的电离的结果：价带中的空穴数增加空穴数增加了，这即是

8、掺受主的意义所在了，这即是掺受主的意义所在n上述介绍的施主杂质和受主杂质都是浅能级杂质施主杂质能级靠近导带底，受主杂质能级靠近价带顶施主杂质能级靠近导带底，受主杂质能级靠近价带顶杂质电离能非常小杂质电离能非常小 （E Eg g通常为通常为1 1evev左右，而左右，而E ED D只有零点几个只有零点几个evev左右左右）v 施主杂质和受主杂质为半导体材料施主杂质和受主杂质为半导体材料提供载流子提供载流子 施主杂质为导带提供电子施主杂质为导带提供电子 （掺施主杂质的半导体为（掺施主杂质的半导体为n型半导体型半导体） 受主杂质为价带提供空穴受主杂质为价带提供空穴 （掺受主杂质的半导体为（掺受主杂质

9、的半导体为p型半导体型半导体） n型半导体型半导体：电子的数目远大于空穴的数目（或者说以电子导电为主）：电子的数目远大于空穴的数目（或者说以电子导电为主）p型半导体型半导体：空穴的数目远大于电子的数目（或者说以空穴导电为主）：空穴的数目远大于电子的数目（或者说以空穴导电为主）本征半导体本征半导体：没有掺杂的半导体：没有掺杂的半导体n=p用类氢原子模型估算浅能级杂质的电离能用类氢原子模型估算浅能级杂质的电离能l 杂质浅能级的简单计算杂质浅能级的简单计算* 类氢原子模型的计算类氢原子模型的计算氢原子基态电子的电离能氢原子基态电子的电离能: :eVhemEH6 .13822040施主杂质电子的电离能

10、施主杂质电子的电离能: :20*22024*8rHereDEmmhemE r rm me e* */ /m m0 0m mh h* */ /m m0 0 E Ed d E Ea aS Si i 1 11 1. .7 70 0. .2 26 60 0. .3 37 70 0. .0 02 26 6 0 0. .0 03 37 7G Ge e 1 15 5. .8 80 0. .1 12 20 0. .2 21 10 0. .0 00 07 7 0 0. .0 01 11 1* 施主杂质电子的玻尔半径施主杂质电子的玻尔半径: :氢原子基态电子的玻尔半径氢原子基态电子的玻尔半径)(A53. 0020

11、2mehaB)(A53. 0*0*202*reermmmehar00*0emm 室温 kBT 26 meV几十个meV25A硅-硅间距5.4A锗，硅的介电常数为 16，12施主杂质电子的玻尔半径施主杂质电子的玻尔半径修正修正（A）NDNA时：时： n型半导体型半导体 有效的施主浓度有效的施主浓度 ND*=ND-NAEA因因 EA 在在 ED 之下之下 ， ED上的束缚电子首先上的束缚电子首先填充填充EA上的空位，上的空位， 即即施主与受主先相互施主与受主先相互 “抵抵消消”，剩余的束缚电子再电剩余的束缚电子再电离到导带上。离到导带上。杂杂 质质 的的 补补 偿偿 作作 用用NAND经补偿后，导

12、带中经补偿后，导带中空穴浓度为空穴浓度为NA-NDNA半导体为半导体为p型半导体型半导体（B）NAND时：时： p型半导体型半导体 因因 EA 在在 ED 之下之下 ， ED上的束缚电子首上的束缚电子首 先填充先填充EA上的空位，上的空位， 即施主与受主先相互即施主与受主先相互 “抵消抵消”，剩余的束剩余的束 缚空穴再电离到价带缚空穴再电离到价带 上。上。 ED 有效的受主浓度有效的受主浓度 NA*=NA-ND（C） NA ND时时 杂质的高度补偿杂质的高度补偿本征激发的导带电子本征激发的导带电子 Ec ED EA Ev 本征激发的价带空穴本征激发的价带空穴n杂质的高度补偿控制不当，使得控制不

13、当，使得ND NA施主电子刚好够填满受主能级施主电子刚好够填满受主能级虽然杂质很多，但不能给半导体材料提供更多的电子虽然杂质很多，但不能给半导体材料提供更多的电子和空穴和空穴一般不能用来制造半导体器件一般不能用来制造半导体器件 （易被误认为纯度很高，实质上含杂质很多，性能很差）（易被误认为纯度很高，实质上含杂质很多，性能很差）EvED深能级杂质n非III，V族杂质在硅、锗的禁带中产生的施主能级距离导带底较远，他们产生的受主能级距离价带顶也较远，成为深能级，深能级杂质。n深能级杂质通常能产生多次电离，每次电离对应一个能级。EcEAEcEvEDEA1 EA2EA3Au 掺入 SiEA3EA2EA1

14、 电子的库伦排斥力0.040.20.150.04Au: 2、8、18、32、18、1 深能级杂质如第如第IV族材料中加入非族材料中加入非III、V族杂质族杂质杂质能级离导带或者价带很远杂质能级离导带或者价带很远常规条件下不易电离常规条件下不易电离起一定的杂质补偿作用起一定的杂质补偿作用对载流子的复合作用非常重要，是很好的对载流子的复合作用非常重要，是很好的复合中心复合中心III-VIII-V族化合物半导体中的浅能级杂质族化合物半导体中的浅能级杂质在在III-V族化合物中掺入不同类型杂质：族化合物中掺入不同类型杂质：* IIII族元素族元素GaAs: GaAs: 铍铍(Be),(Be),镁镁(M

15、g),(Mg),锌锌(zn),(zn),镉镉(Cd) E(Cd) EA A=Ev+0.02-0.03 eV=Ev+0.02-0.03 eV* VIVI族元素族元素GaAs: GaAs: 硫硫(S),(S),硒硒(Se) E(Se) ED D=Ec-0.006 eV=Ec-0.006 eV* IVIV族元素族元素GaAs: GaAs: 硅硅(Si) Ev+0.03eV, Ec-0.006 eV (Si) Ev+0.03eV, Ec-0.006 eV （杂质的双性行为）（杂质的双性行为） 锗锗(Ge) Ev+0.03eV, Ec-0.006 eV(Ge) Ev+0.03eV, Ec-0.006 e

16、V* 等电子杂质等电子杂质GaP: GaP: 氮氮(N) Ec-0.01 eV (N) Ec-0.01 eV ( (等电子陷阱引起）等电子陷阱引起） 氮半径小，电负性强，俘获电子形成负电中心氮半径小，电负性强，俘获电子形成负电中心n等电子杂质等电子杂质与基质晶体原子具有同数量价电子的杂质原子称为等电子杂质与基质晶体原子具有同数量价电子的杂质原子称为等电子杂质（同族原子杂质）（同族原子杂质）v 等电子陷阱等电子陷阱形成条件形成条件等电子杂质替代格点上的同族原子后，基本仍是电中性的等电子杂质替代格点上的同族原子后，基本仍是电中性的。但是，。但是，掺掺入原子与基质晶体原子在电负性、共价半径等方面有较

17、大差别入原子与基质晶体原子在电负性、共价半径等方面有较大差别，等等电子杂质电负性大于基质晶体原子的电负性时，替代后，它能俘获电子杂质电负性大于基质晶体原子的电负性时，替代后，它能俘获电子成为负电中心电子成为负电中心，这个带电中心就成为等电子陷阱这个带电中心就成为等电子陷阱。v 杂质的双性行为杂质的双性行为 硅在砷化镓中既能取代镓而表现出施主杂质，又能取代砷表现出硅在砷化镓中既能取代镓而表现出施主杂质，又能取代砷表现出受主杂质受主杂质n缺陷：晶格周期的不完整晶格周期的不完整分为三类分为三类点缺陷点缺陷（点的不完整）：空位、间隙原子（点的不完整）：空位、间隙原子线缺陷线缺陷（线的不完整）：位错（线

18、的不完整）：位错面缺陷面缺陷（面的不完整）：层错（面的不完整）：层错大多由热振动引起大多由热振动引起由晶体内部的应力引起的，导致晶格结构发生扭曲由晶体内部的应力引起的，导致晶格结构发生扭曲缺陷、位错能级n点缺陷在一定温度下，晶格原子不仅在平衡位置附近做振动，在一定温度下，晶格原子不仅在平衡位置附近做振动，而且有一部分原子会获得足够的能量，克服周围原子对而且有一部分原子会获得足够的能量，克服周围原子对它的束缚，挤入晶格原子间的间隙，形成它的束缚，挤入晶格原子间的间隙，形成间隙原子间隙原子，原，原来的位置空出来，成为来的位置空出来，成为空位空位。（热缺陷）。（热缺陷） Frenkel缺陷缺陷：间隙原子和空位成对出现间隙原子和空位成对出现 Schottky缺陷：缺陷：只在晶体内形成空位，而无间隙原子只在晶体内形成空位，而无间隙原子n反结构缺陷（化合物、替位原子） 有两种替位方式：有两种替位方式：A A取替取替B B，记为记为A AB