X年春季学期微电子器件基础第二章

第二章半导体中的杂质和缺陷2.1锗、硅半导体中的杂质及能级2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体中的杂质及能级2.3宽禁带半导体中的杂质及能级2.4缺陷、位错能级本章要点：

半导体中总是存在一定量的杂质和缺陷

半导体中的杂质和缺陷有多种存在形式和性质

杂质和缺陷对半导体的性质具有重要作用甚至决定作用

可以通过掺杂改变半导体的性质定义：

杂质

构成半导体的基质原子以外的其它原子

缺陷

偏离理想半导体周期结构的现象SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiBSiA2.1.1杂质的空间分布及其存在的状态2.1硅、锗半导体的杂质间隙杂质、替位杂质替位杂质间隙杂质以硅晶体掺磷为例：2.1.2施主杂质、施主能级P+磷原子4个价电子分别与周围4个硅原子的1个价电子成共价键，剩余1个价电子被轻微束缚。束缚能很小，束缚电子容易被激发到硅导带成为自由电子，磷原子成为正离子。

施主能级只能被任意自旋的一个电子占据，所以简并度为2。束缚电子束缚电子P+按类氢原子模型，束缚电子的能量、轨道半径，E对基态电子，硅半导体中磷杂质电离能计算施主电离能（基态电子脱离束缚所需能量），（eV）+束缚态磷离子--导带底（半导体中自由电子的最低能量）电离+硅晶体中磷杂质存在状态的能带图表示--施主杂质电离能——禁带中央能级——施主能级导带电子中和+施主正电荷中心---施主杂质电离后形成的离子实施主杂质电离---束缚电子被释放的过程施主杂质电离能---束缚电子成为导带电子所需最小能量施主杂质---释放束缚电子、并成为不可动正电荷中心的杂质施主能级---束缚电子的基态能量施主束缚态（中性态）---施主杂质未电离时的状态施主离化态---施主杂质电离后的状态（不可动、带正电）N型半导体---以导带电子导电为主的半导体施主杂质浓度---单位体积中施主杂质原子数深施主杂质---施主能级离导带底较远的施主杂质浅施主杂质---施主能级离导带底较近的施主杂质描述施主杂质的术语浅施主、深施主杂质的能带图浅施主杂质深施主杂质深施主杂质束缚空穴以硅半导体掺硼为例：2.1.3受主杂质、受主能级B-B-硼原子3个价电子分别与周围3个硅原子的1个价电子成共价键，同时产生1个束缚空穴。束缚能很小，被束缚空穴容易脱离束缚在价带自由运动，而硼原子变成负离子。

空穴可以在4个共价键位置上出现，所以受主能级的简并度为4。束缚空穴B-E硅半导体中硼杂质电离能计算按类氢原子模型，束缚空穴的能量值，基态空穴能量，基态空穴脱离束缚所需能量（受主电离能），-束缚态硼离子空穴电离-硅半导体中中硼杂质电电离状态的的能带表示示--价带顶（自自由空穴的的最高能量量）--受主杂质电电离能——禁带中央能能级——受主能级中和受主负电荷荷中心---受主杂质电电离后形成成的离子实实受主杂质电电离---束缚空穴被被释放的过过程受主杂质电电离能---束缚空穴成成为价带空空穴所需最最小能量受主杂质---释放束缚空空穴，并成成为不可动动负电荷中中心的杂质质受主能级---被束缚空穴穴的基态能能量受主束缚态态（中性态态）---受主杂质未未电离时的的状态受主离化态态---受主杂质电电离后的状状态（不可可动、带负负电）P型半导体---以价带空穴穴导电为主主的半导体体受主杂质浓浓度---单位体积中中的受主杂杂质原子数数深受主杂质质---受主能级离离价带底较较远的施主主杂质浅受主杂质质---受主能级离离价带底较较近的施主主杂质描述受主杂杂质的术语语浅受主、深深受主杂质质的能带图图表示深受主杂质质深受主杂质质浅受主杂质质例1、(2)施主弱束缚缚电子的基基态轨道半半径，埃(1)施主杂质电电离能，施主杂质电电离能施主杂质束束缚电子电电子轨道半半径锑化铟禁禁带宽度度0.18eV，相对介介电常数数17，电子有有效质量量，，计算算：1、施主杂杂质电离离能；2、束缚电电子基态态轨道半半径；解、施主释放放电子填填满全部部受主能能级后，，余下的的电子发发射到导导带。若若杂质全全部电离离，半导导体有效杂质质浓度，A、弱补偿偿（N型半导体体）2.1.4杂质补偿偿半导体体施主向受受主能级级发射电电子，填填充部分分受主能能级，剩剩余的受受主杂质质向价带带发射空空穴。若杂质全全部电离离，有效杂质质浓度，（P型半导体体）B、弱补偿偿C、高度补补偿施主释放放的电子子基本全全部填充充受主能能级，导导带电子子浓度和和价带空空穴浓度度很低。。有效杂质质浓度，，（赝本征半导导体）利用杂质质补偿，，选择性性改变半半导体芯芯片局部部区域导导电类型型或导电电能力。。杂质补偿偿原理的的应用N型杂质P-SiN型区高浓度P型区P-SiP-SiP-SiP型杂质PN结欧姆接触触N型区P-SiPNP晶体管P-Si高度补偿偿区电阻硅半导体体中各种种杂质能能级测量量结果+—施主能级级、-—受主能级级、？—还不确定定2.1.5多能级杂杂质、双双性杂质质、杂质质自补偿偿Li+0.033Mg----0.110.250.550.17Te++0.14?++--Hg0.310.360.250.33参考：本本教材图图2-9或叶良修修“半导导体物理理”P84，图2-37DopantTypeTetrahedralRadius(angstroms)MisfitFactorAcceptorLevel,distancefromvalenceband(eV)DonorLevel,distancefromconductionband(eV)Asn1.180-0.049Pn1.10.068-0.044Sbn1.360.153-0.039Alp1.260.0680.057-Bp0.880.2540.045-Gap1.260.0680.065-Ind1.440.220.16-Agd1.520.290.890.79Aud1.50.2720.570.76Cud1.28-0.24,0.37,0.52-Mod--0.3-Nid1.24-0.21,0.76-Od---0.16Ptd--0.42,0.920.85Tid--0.26-Znd--0.31,0.56-Fed1.26---Table1.SiliconImpuritiesandtheirProperties多能级杂杂质杂质多次次电离，，每次电电离相应应一个能能级，称称为多能能级杂质质。同种杂质质在同一一半导体体中，既既可呈施施主性，，又可呈呈受主性性。双性杂质质例、0.040.040.200.150.540.35金在锗半半导体中中的能级级金在硅半半导体中中的能级级例、金在在硅、锗锗半导体体中的多多能级、、深能级级中性态在锗晶体体中，金金以替位位方式存存在，有有5种荷电状状态和对对应能级级，AuGe金在锗晶晶格格点点价电子6s1金原子2.2ⅢⅢ-ⅤⅤ族化合物物半导体体的杂质质2.2.1杂质原子子的空间间位置Ⅲ族或V族原子杂质原子子替位式间隙式Ⅲ族或V族原子T2.2.2砷化镓中中杂质及及其能级级状态锂铜银金铍镁锌镉铬碳硅锗锡铅锰铁钴镍钒碲硒硫A、I族元素I族元素一一般在砷砷化镓中中起受主主作用。。银--替位，受主主能级（EV+0.11）eV、（EV+0.238）eV；金--替位，受主主能级（EV+0.09）eV；铜--替位，受主主能级（EV+0.14）eV、（EV+0.44）eV；--替位铜原子子对Cu-Cu，受主能级级（EV+0.24）eV；--间隙，施主主能级（EC-0.07）eV；锂--间隙，受主主能级（EV+0.023）eV；钠--施主，迁移移率高、不不稳定，不不能作为掺掺杂剂；B、Ⅱ族元素铍、镁、锌锌、镉比镓原子少1个价电子，，替位取代代镓原子，获得得一个电子子形成共价价键，产生生4个浅受主能能级：（EV+0.030）eV（EV+0.030）eV（EV+0.024）eV（EV+0.021）eVC、III族元素、V族元素等电子杂质质、等电子子陷阱杂质原子替替代同族原原子，称为为等电子杂质质。若杂质原子子负电性大大于被替代代原子，能能俘获电子子形成负电电中心；若杂质原子子负电性小小于被替代代原子，能能俘获空穴穴形成正电电中心；等电子杂质质形成的带带电中心称称为等电子陷阱阱。例：磷化镓镓GaP掺NPGaGaGaGaN取代Ｐ后,能捕获电子子成负电中中心，被捕捕获电子的的电离能0.008eV0.008N原子价电子子组态2s2２p3,负电性3.0P原子价电子子组态3s23p3,负电性2.1等电子陷阱阱俘获一种种载流子成成为带电中中心后，又又俘获另一一种电荷符符号相反的的载流子，，形成束缚激子。例、磷化镓镓的等电子子络合物束缚激子等电子络合合物O替代ＰZn替代Ga负电性：P=2.1，O=3.5，Zn=1.6，Ga=1.62价Zn、6价O原子处于相相邻格点时时，结合更更紧密，Zn-O络合物俘获获电子带负负电，称为为等电子络络合物。PGaGaGaGaD、IV族元素碳、、硅、锗、、锡、铅①IV族原子替位位III族起施主作作用,IV族原子替位位V族原子起受受主作用，，产生双性性多能级。。GaSiAs例、GaGaEC-0.002eV--浅施主，SiGaEV+0.03eV--浅受主，SiAsGa砷化镓掺硅硅浓度1018cm-3时，部分硅硅原子替代代镓起浅施施主作用，，部分硅原原子替代砷砷起浅受主主作用。导导带电子浓浓度趋于饱饱和，不随随硅杂质浓浓度增加而而增加，形形成自补偿偿。101810191020砷化镓中中硅原子子浓度导带电子子浓度101710181019②自补偿工业上，，采用硅硅、锗、、锡作为为砷化镓镓掺杂剂剂获得N型砷化镓镓。EV+0.10eV--(SiGa–SiAs)或(SiGa-VGa)络合物EC-0.002eV--浅施主，，SiGaEV+0.22eV--砷-空位络合合物EV+0.03eV--浅受主，，SiAs③SiGa–SiAs络合物、、SiGa-VGa络合物、、As-空位络合合物AsGaSiGaVGaGaSiGa–SiAs络合物GaSiGaSiAsGaGaSiGa-VGa络合物AsGaVGaGaGa砷-空位络合合物VI族原子替替代V族原子，，比V族原子多多的一个个价电子子容易失失去，产产生施主主能级。。掺碲或硒获得N型砷化镓镓。p型砷化镓镓掺氧获得电阻阻率107Ωcm的半绝缘缘砷化镓镓。E、VI族元素氧氧、硫、、硒、碲碲钒产生深施施主能级级（EC-0.22）eV，铬、锰、、铁、钴钴、镍分别产生生受主能能级（EV+0.79）eV、（EV+0.095）eV、（EV+0.52）eV、（EV+0.16）eV、（EV+0.21）eV。N型砷化镓镓掺铬制得电阻阻率107Ωcm的半绝缘缘砷化镓镓。F、过渡族元元素钒、、铬、锰锰、铁、、钴、镍镍过渡族元元素--d、f壳层部分分填充电电子的元元素2.3宽禁带半半导体GaN、AlN、SiC中的杂质质及杂质质能级杂质或缺陷镓位氮位性质Si0.012-0.02DVN(氮空位）0.03;0.1DC0.11-0.14DMg0.26;0.6DVGa(镓空位）0.14AMg0.14-0.21ASi0.19AZn0.21-0.34AHg0.41ACd0.55ABe0.7AC0.89Li0.75A表2-4纤锌矿型型GaN杂质能级级(eV)图2-14纤锌矿型型AlN杂质能级级(eV)导带价带0123456--氮空位--碳替代铝铝--铝替代氮氮杂质6H-SiC4H-SiC3C-SiCN0.081(D)0.052(D)0.06-0.1(D)0.138(D)0.092(D)0.142(D)Al0.23(A)0.23(A)0.26(A)0.1-0.27(A)B0.35(A)0.29(A)0.735(A)Ga0.29(A)0.3(A)0.343(A)Sc0.52-0.55(A)Ti0.6(A)0.12(D)(Ti-N对）0.16(D)Cr0.54(D)0.15(D)0.18(D)0.74(D)表2-53C-SiC、4H-SiC、6H-SiC的杂质能能级(eV)杂质6H-SiC4H-SiC3C-SiCV0.7(D)0.97(D)0.66(D)1.6(A)0.092(D)Be0.32-0.42(A)0.23(A)0.26(A)P0.085(D)0.135(D)热涨落使使部分格格点原子子克服势势垒，迁迁移到晶晶体表面面格点，，形成空空位。一定温度度下空位位浓度，，肖特基缺缺陷势垒V2.4半导体的的本征点点缺陷、、线缺陷陷及其性性质2.4.1半导体的的本征点点缺陷--晶格原子子浓度格点原子子脱离格格点进入入间隙，，形成间间隙原子子和空位位。一定温度度下，弗仑克耳耳缺陷浓浓度，弗仑克耳耳缺陷V势垒—晶格间隙隙浓度—晶格空位位浓度空位最近近邻4个硅原子子各有１１个不成成键电子子，能接接受电子子，起受受主作用用。间隙硅原原子的4个价电子子可以失失去，起起施主作作用。SiSiSiSiSiSiSiSi空位位硅、、锗锗半半导导体体的的本本征征点点缺缺陷陷及及其其性性质质性质质：：①正离离子子空空位位带带负负电电(受主主性性）），，负负离离子子空空位位带带正正电电（（施施主主性性））②负电电性性小小的的间间隙隙原原子子是是施施主主，，负负电电性性大大的的间间隙隙原原子子是是受受主主③负电电性性小小的的原原子子偏偏多多产产生生负负离离子子空空位位，，负负电电性性大大的的原原子子偏偏多多产生生正正离离子子空空位位化合合物物半半导导体体的的本本征征点点缺缺陷陷及及其其性性质质例1、A+B-型离离子子晶晶体体本本征征点点缺缺陷陷-+-+-++---+-+-+++-+--+-+-+-+负离离子子空空位位（带带正正电电））正离离子子空空位位（（带带负负电电））+间隙隙正正离离子子（带带正正电电））-间隙隙负负离离子子（（带带负负电电））例1、在硫硫分分压压大大的的气气氛氛中中处处理理硫硫化化铅铅，，产产生生铅铅空空位位获获得得P型硫硫化化铅铅；；在铅铅分分压压大大的的气气氛氛中中处处理理硫硫化化铅铅，，产产生生硫硫空空位位获获得得N型硫硫化化铅铅；；通过过控控制制成成分分及及其其比比例例改改变变化化合合物物半半导导体体的的导导电电类类型型例2、在真真空空中中对对氧氧化化锌锌进进行行脱脱氧氧处处理理，，产产生生氧氧空空位位获获得得N型氧氧化化锌锌；；负电电性性：：硫—2.58铅—2.33负电电性性：：氧—3.5锌—1.65AsAsAsGaAsGaAsGaGaGaGaGa砷化化镓镓半半导导体体的的本本征征点点缺缺陷陷及及其其性性质质GaGaGaAsAsGaAsAsAsAsGaGaVGaVAs砷空空位位---产生生1个受受主主能能级级：：（（EV+0.12）eV镓空空位位—产生生2个受受主主能能级级：：(EV+0.01)、(EV+0.18)eV镓偏偏多多或或砷砷偏偏多多，，容容易易形形成成砷砷空空位位或或镓镓空空位位As负电电性性：：Ga=1.5，As=2.0XXXXMXMVMMMXMXMMXMMMXXMMVXM--负电电性性小小的的原原子子X--负电电性性大大的的原原子子VM--正离离子子空空位位VX--负离离子子空空位位离子子半半导导体体（（硫硫化化物物、、硒硒化化物物、、氧氧化化物物））的的本本征征点点缺缺陷陷XMX强离离子子性性化化合合物物半半导导体体库库仑仑排排斥斥力力大大，，形形成成替替位位原原子子需需较较大大能能量量，，反反结结构构缺缺陷陷少少。。BBSiSiABABSiSiSiSiSiSiGaGaGaGaBAABAAABABABABBAA--价电子少的原原子B--价电子多的原原子AB--A替代BBA--B替代A反结构缺陷（（替位原子））AB--受主，BA--施主AB中性受主施主位错原子与周周围3个原子形成共共价键，1个不成对电子子形成不饱和和共价键。位错原子与周周围3个