半导体物理与器件基础-第2章

雷天民西Ⅱ-206leitianmin@163.com半导体物理与器件基础第二章半导体中的杂质和缺陷

硅、锗晶体中的杂质能级Ⅲ-Ⅴ族化合物中的杂质能级缺陷位错能级半导体中存在杂质原子或缺陷时，它们产生的附加势场使严格的周期势场被破坏，导致电子束缚在杂质原子或缺陷周围，相应的能级位于禁带之中，称为杂质或缺陷能级。由于被束缚的电子态，其波函数遍及范围只在杂质附近局部范围内，又称此为局域化电子态。杂质和缺陷对半导体性质的影响极大，其在半导体中的作用与它们引入的能级有密切关系。2023/2/62Prof.LEI§2.1硅、锗晶体中的杂质能级本节要点：

杂质与杂质能级

施主杂质施主能级

受主杂质受主能级

浅能级杂质电离能的简单计算

杂质的补偿作用

深能级杂质2023/2/63Prof.LEI一、杂质与杂质能级杂质:半导体中存在的与本体元素不同的其它元素。替位式杂质与间隙式杂质杂质能级位于禁带中EvEc杂质能级§2.1硅、锗晶体中的杂质能级2023/2/64Prof.LEI二、施主（Donor）与受主（Acceptor）施主：掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电电子，并成为带正电的离子。如Si中掺P、As、Sb

受主：掺入的杂质原子向半导体中提供导电空穴，并成为带负电的离子。如Si中掺的Al、B、Ga、In

电离施主Sb+电离受主B－§2.1硅、锗晶体中的杂质能级2023/2/65Prof.LEI杂质电离：电子脱离杂质原子的束缚成为导电电子的过程称为杂质电离，所需能量为杂质电离能ΔE。施主电离：施主杂质释放电子的过程称为施主电离，对应的电离能称为施主电离能ΔED。受主电离：空穴挣脱受主杂质束缚的过程称为受主电离，对应的电离能称受主电离能ΔEA。１、杂质的电离很小的能量就能使电子（空穴）挣脱杂质能级的束缚，成为导电电子或导电空穴，在晶格中自由运动，这时的杂质原子就成为少（多）了一个价电子的正、负离子，它是一个不能移动的正（负）电中心。§2.1硅、锗晶体中的杂质能级2023/2/66Prof.LEI

Sb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，所受到的束缚最小，极易摆脱束缚成为自由电子。设施主能级为ED，则ED=EC-ED。ECED△ED2、施主杂质与施主能级§2.1硅、锗晶体中的杂质能级2023/2/67Prof.LEI晶体杂质PAsSbSi0.0440.0490.039Ge0.01260.01270.0096施主杂质的电离能小，在常温下基本上电离。§2.1硅、锗晶体中的杂质能级2023/2/68Prof.LEI3、受主杂质与受主能级EcEvEA§2.1硅、锗晶体中的杂质能级2023/2/69Prof.LEI晶体杂质BAlGaInSi0.045eV0.057eV0.065eV0.16eVGe0.01eV0.01eV0.011eV0.011eV受主杂质的电离能小，在常温下基本上为价带激发的电子所占据（空穴由受主能级向价带激发）。§2.1硅、锗晶体中的杂质能级2023/2/610Prof.LEI4、杂质能级的表示+++ECEVED---EAECEV§2.1硅、锗晶体中的杂质能级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或空穴从受主能级向价带的跃迁）称为杂质电离或杂质激发。所需要的能量称为杂质的电离能。2023/2/611Prof.LEI电子从价带直接向导带激发，成为导带的自由电子，这种激发称为本征激发，只有本征激发的半导体称为本征半导体。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穴（空穴数>>电子数），对应的半导体称为P型半导体。空穴为多子，电子为少子。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（电子数>>空穴数），对应的半导体称为N型半导体。称电子为多数载流子，简称多子，空穴为少数载流子，简称少子。§2.1硅、锗晶体中的杂质能级2023/2/612Prof.LEI三、浅能级杂质电离能的简单计算§2.1硅、锗晶体中的杂质能级2023/2/613Prof.LEI四、杂质的补偿作用1、ND>>NA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。此时半导体为n型半导体EcED电离施主电离受主Evn=ND-NA§2.1硅、锗晶体中的杂质能级2023/2/614Prof.LEI2、ND<<NAEcEDEAEv电离施主电离受主半导体为p型半导体p=NA-ND3、ND≈NA杂质的高度补偿！§2.1硅、锗晶体中的杂质能级利用杂质补偿作用，就能根据需要用扩散或离子注入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。2023/2/615Prof.LEI五、半导体中的深能级杂质除Ⅲ、Ⅴ族元素可在锗、硅等Ⅳ族元素半导体中引入杂质能级外，其它族元素也可在锗、硅中产生杂质能级。而且，能级通常有如下特点：1）它们产生的施主（受主）能级距导带底（价带顶）较远，电离能大！通常称这些能级为深能级，产生这些深能级的杂质称为深能级杂质；2）这些杂质在硅、锗的禁带中往往可以引入若干个能级，有的属于两性杂质（施主能级或受主能级）；3）主要以替位形式存在；4）深能级杂质的行为与杂质原子的电子壳层结构、原子大小、杂质在半导体晶格中的位置等因素有关。§2.1硅、锗晶体中的杂质能级2023/2/616Prof.LEI§2.1硅、锗晶体中的杂质能级2023/2/617Prof.LEI§2.1硅、锗晶体中的杂质能级深能级产生的定性解释：深能级杂质由于其电子壳层结构的不同，能够产生多次电离，每一次电离相应地有—个能级。深能级的作用：Au的电子组态是：5s25p65d106s1如在Ge中掺Au:对半导体导电类型和载流子数量的影响没有浅能级杂质显著，但在载流子的复合过程中主要起复合中心作用或陷阱作用。2023/2/618Prof.LEI§2.1硅、锗晶体中的杂质能级1）Au失去一个电子——施主Au＋EcEvEDED=Ev+0.04eVAu－2）Au获得一个电子——受主EcEvEDEA1EA1=Ev+0.15eV2023/2/619Prof.LEI§2.1硅、锗晶体中的杂质能级3）Au获得第二个电子、第三个电子EcEvEDEA1EA2=Ec-0.2eVEA2Au2－EcEvEDEA1EA3=Ec-0.04eVEA2EA3Au3－2023/2/620Prof.LEI§2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物中的杂质能级周期表中的ⅢA族元素硼、铝、镓、铟、铊和ⅤA族元素氮、磷、砷、锑、铋组成的二元化合物，称为Ⅲ-Ⅴ族化合物。成分化学比都是11，具有闪锌矿型晶体结构。2023/2/621Prof.LEI施主杂质：周期表中的Ⅵ族元素(Se、S、Te)在GaAs中通常都替代Ⅴ族元素As原子的晶格位置，由于Ⅵ族原子比Ⅴ族原子多一个价电子，因此Ⅵ族杂质在GaAs中一般起施主作用，为浅施主杂质；受主杂质：Ⅱ族元素（Zn、Be、Mg、Cd、Hg）在GaAs中通常都取代Ⅲ族元素Ga原子的晶格位置，由于Ⅱ族原子比Ⅲ族原子少一个价电子，因此Ⅱ族元素杂质在GaAs中通常起受主作用，均为浅受主；§2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物中的杂质能级2023/2/622Prof.LEI两性杂质：

Ⅳ族元素杂质（Si、Ge、Sn、Pb）在GaAs中的作用比较复杂，可以取代Ⅲ族的Ga，也可以取代Ⅴ族的As，甚至可以同时取代两者，因此Ⅳ族杂质不仅可以起施主作用和受主作用，还可以起中性杂质作用。§2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物中的杂质能级掺Si浓度小于1018cm-3时，Si全部取代Ga位而起施主作用，这时掺Si浓度和电子浓度一致；而当掺Si浓度大于1018cm-3时，部分Si原子开始取代As位，出现补偿作用，使电子浓度逐渐偏低。2023/2/623Prof.LEI§2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物中的杂质能级中性杂质：Ⅲ族元素（B、Al、In）和Ⅴ族元素（P、Sb）在GaAs中通常分别替代Ga和As，杂质在晶格位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电中性，对GaAs的电学性质没有明显影响。

注意：

电负性、共价半径相差很大的同族元素替代容易形成等电子陷阱！2023/2/624Prof.LEI§2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物中的杂质能级2023/2/625Prof.LEI§2.3缺陷、位错能级半导体中的缺陷也能在半导体的禁带中产生缺陷能级，它们可以与能带能级发生电子交换，同样可起施主作用或受主作用。一、元素半导体中的缺陷空位：当锗、硅中存在空位时，因邻近的四个硅原子各有一个不成对的电子，它们倾向于接受电子，因此这些空位起受主作用。一般说来，正离子空位是负电中心，负离子空位是正电中心。2023/2/626Prof.LEI§2.3缺陷、位错能级当锗、硅中存在间隙原子时，因邻近的四个硅原子均已成键，故间隙原子具有释放电子的倾向，起施主作用。间隙原子：SiSiSiSiSiSiSiSiSiSi2023/2/627Prof.LEI§2.3缺陷、位错能级二、Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体中的缺陷当T>0K时，GaAs晶体中的点缺陷主要有：空位：VGa、Vas

间隙原子：

GaI、AsI

反结构缺陷：Ga原子占据As空位，或As原子占据Ga空位，记为GaAs和AsGa。

前两类缺陷是起施主还是受主作用，需由实验决定。反结构缺陷在离子性强的化合物中形成的概率很小，可以忽略。2023/2/628Prof.LEI§2.3缺陷、位错能级三、Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体的缺陷由于Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体是电负性差别较大的元素结合成的晶体，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。所以外界杂质对它们性能的影响不显著，决定其导电类型主要是它们自身结构的缺陷（间隙离子或空格点）。2023/2/629Prof.LEI§2.3缺陷、位错能级间隙正离子和负离子空位处形成带正电的中心；间隙负离子和正离子空位处则形成带负电的中心。正电中心在中性态时束缚着电子，被束缚的电子很容易被激发成为导带电子而留下固定的正电中心。因而正电中心起施主作用，在禁带中引入施主能级。产生多重施主能级和多重受主能级。2023/2/630Prof.LEI§2.3缺陷、位错能级同理，负电中心在中性态时束缚着空穴，被束缚的空穴容易被激发至价带而留下固定的负电中心。所以负电中心起受主作用，相应在禁带中引入受主能级。若正、负电中心带有多个电子电荷，则可分别产生多重施主能级和多重受主能级。2023/2/631Prof.LEI§2.3缺陷、位错能级半导体中的缺陷类型和密度可以影响半导体的导电类型和载流子数目。四、位错位错是半导体中的一种缺陷，它对半导体材料和器件的性能会产生严重影响。但是，目前仅对硅、锗中的位错了解得稍多一些，对于其它半导体中的位错了解很