半导体物理学第七刘恩科编著cha3

第2章半导体中杂质和缺陷能级

Impurityanddefectenergylevelinsemiconductor

刘丹理想半导体：1、原子严格地周期性排列，晶体具有完整的晶格结构。2、晶体中无杂质，无缺陷。3、电子在周期场中作共有化运动，形成允带和禁带——电子能量只能处在允带中的能级上，禁带中无能级。由本征激发提供载流子本征半导体——晶体具有完整的（完美的）晶格结构，无任何杂质和缺陷。Eg没有能级本征半导体（intrinsic）能带：实际半导体（extrinsic）：1晶体中晶格位置上的原子在平衡位置振动缺陷的出现：点缺陷线缺陷面缺陷空位位错层错3存在与晶体基质原子不同的杂质原子杂质的出现：无意掺杂源材料和工艺有目的控制材料性质有意掺杂2晶格结构并非完整无缺，存在缺陷杂质和缺陷对能带结构的影响：周期性势场受到破坏在半导体的禁带中引入能级影响半导体的电、光性质。1硅、锗中的浅能级和深能级杂质以及杂质能级，了解浅能级杂质电离能的计算，了解杂质补偿作用。2III-V族化合物主要是GaAs中的杂质能级。3了解缺陷、位错能级。本章主要内容：2.1.1替位式杂质、间隙式杂质替位式杂质杂质原子的大小与晶体原子相似III、V族元素在硅、锗中均为替位式杂质间隙式杂质杂质原子小于晶体原子杂质浓度：单位体积内的杂质原子数§2.1Si、Ge晶体中的杂质能级

间隙式原子的半径一般比较小。1杂质存在的方式碱金属原子在半导体尤其在Si中易扩散，引起器件性能的恶化在金刚石型晶体中，一个晶胞内的原子只占晶胞体积的34%，空隙占66%。Li+在硅、锗、砷化镓中是间隙式杂质。金刚石型晶体结构中的两种空隙单位体积中的杂质原子数－－杂质浓度硅、锗是Ⅳ

族元素，与Ⅲ、Ⅴ族元素的情况比较相近，它们在硅、锗晶体中都是替位式杂质。两种杂质特点：间隙式杂质：原子一般比较小，如：锂离子，0.068nm替值式杂质时：1）杂质原子的大小与被取代的晶格原子的大小比较相近2）价电子壳层结构比较相近如：Ⅲ，Ⅴ族元素2.1.2施主杂质、施主能级

Donorimpurityanddonorlevel杂质：半导体中存在的与本体元素不同的其它元素。杂质出现在半导体中时，产生的附加势场使严格的周期性势场遭到破坏，可能在禁带中引入允许电子具有的能量状态（即能级）。杂质能级位于禁带之中Ec

Ev杂质能级举例额：Si中掺迎磷P（Si：P）施主箱（do图no止r)杂质横施温主能删级：导带电子电离施主P+束缚挣在正箱电中心附贱近的筐价电子所偏受到男的束缚力商比共传价键弱得畅多！施主恋杂质V族元鲜素在喷硅、袋锗中悟电离镇时能尘够释想放电踩子而艘产生掠导电南电子钳并形晋成正乏电中养心，胳称此腔类杂决质为施主君杂质歼或n型杂并质。施主扭电离施主陷杂质暑释放寺电子窗的过樱程。施主巴能级被施尖主杂粗质束齿缚的芹电子记的能华量状娱态，脖记为ED，施已主电贪离能蹲量为ΔED。n型半你导体依靠劈燕导带吊电子孔导电挤的半匪导体揉。施主朝杂质：束缚贸在杂怜质能屑级上衫的电辈子被周激发到导浇带Ec成为娇导带瓶电子劈燕，该念杂质饺电离皮后成粗为正电中心（正离鸦子）临。这忍种杂唐质称指为施主蝴杂质。Si、Ge中Ⅴ族杂堵质的穿电离毯能△ED（eV）晶体杂咐质P耀A税sSbSi0.架04线4唱0烟.0膜49馋0.舱03偷9Ge0.跌01泰26支0.族01卫27叛0.挨00旨96硅、孙锗在T=倡0栋K时的Eg为1.错17培0eV和0.鸦74损37eV杂质捡电离良能：△ED=EC-ED施主杂质束缚态：杂质未电离，中性离化态：杂质电离成为正电中心，释放电子△ED=EC-EDEgEDECEV2.箩1.朱3受主盲杂质可、受填主能孔级Ac临ce穷pt抱or冒i委mp秃ur躲it筒y伤an粱d舍ac咳ce愉pt隆or篮l侄ev筹el电离受主价带空穴受主含能级艘：Si中掺卷硼B（Si：B）受主柿杂质II款I族元讽素在第硅、午锗中帽电离看时能惩够接惩受电史子而年产生辅导电窝空穴刺并形恩成负揭电中羊心，套称此扬类杂尤质为亚受主性杂质矿或p型杂疏质。受主赔电离受主铅杂质桥释放伶空穴怨的过豆程。受主旁能级被受符主杂筝质束般缚的粘空穴戴的能刻量状住态，括记为EA。受烤主电怀离能久量为ΔEAp型半溉导体依靠超价带喜空穴惩导电林的半贡导体敞。受主电离能：△EA=EA-EVIm炉pu黄ri伙ty吨-d斥op蜜ed季S挠il冷ic亏onEgEA△EAEVEC（浅坝）杂质半导体1、n型半鸭导体宗：特征亿：a、施毁主杂锡质电璃离，导带倾中出现焰施主提供盼的导精电电子；b、电络子浓感度n>空穴刷浓度p2、p型半衬导体：特征：a、受妻主杂猾质电俭离，朗价带议中出现很受主献提供尺的空墨穴；b、空硬穴浓怎度p>电子庙浓度nIm以pu蠢ri纹ty拾-d金op旧ed共S诞il不ic窗on上述颜杂质纷的特走点：施主常电离件能△ED<<Eg受主慌电离辛能△EA<<Eg杂质盈的双剂重作尊用：改变塘半导嫩体的贤电阻肃率决定仿半导穷体的岭导电塞类型Im葵pu誓ri迫ty购-d对op滤ed挺S由il窑ic熊on浅能费级杂舅质在单义晶生据长过耕程中素掺入绣杂质在高蚊温下肢通过纤杂质尺扩散锄的工故艺掺央入杂莫质离子贞注入把杂质在薄谜膜外加延工轿艺过黑程中统掺入默杂质用合袍金工克艺将凭杂质敢掺入笔半导跨体中控制窝杂质但浓度靠的方肾法Im撑pu务ri峡ty铁-d霞op抓ed重S逢il获ic软on2.翠1.新4浅能携级杂仍质电殃离能偿简单讯计算（1）氢原牌子基态狱电子的电姐离能氢原塘子电直子满栏足：解得阻电子扮能量惜：氢原炒子基贩态能左量：氢原扭子的栗电离睁能：故基带态电阁子的烧电离告能：Im诉pu岔ri程ty铸-d锹op楼ed祖S娘il坑ic选on正、猛负电耻荷所瞎处介宗质的捐介电嘱常数染为：Im买pu怎ri棍ty佣-d逃op笨ed肥S挑il痛ic扔on估算质结果泉与实纠际测麦量值拦有相徒同数踪蝶量级Ge：△ED～0.反00专64eVSi荣:△ED～0.容02昏5eVIm剧pu板ri嚼ty轰-d忙op卧ed击S教il益ic梢on2.盼1.咬5杂质钓的补冈偿作椅用当ND>>黑NA时n=测ND-NA≈ND，半茧导体似是n型的当ND<<孝NA时p=绸NA-ND≈NA，半辜导体展是p型的当ND≈NA时补偿文半导缓体有效径杂质守浓度补偿返后半馆导体董中的眉净杂候质浓胡度。2.倦1.盘6深能亲级杂巡寿质非Ⅲ、Ⅴ族杂质殃在Si、Ge的禁柜带中餐产生过的施主皱能级烟远离葬导带夺底，弃受主委能级枯远离这价带深顶。南杂质竞电离炒能大滚，能副够产虫生多文次电漠离特点多为料替位雪式杂连质硅、剪锗的仅禁带副中产莲生的灾施主辞能级鹊距离隶导带状底、弄受主必能级选距离最价带青顶较聪远，疗形成颂深能砌级，晴称为深能窗级杂懒质。深能蜜级杂绢质能兔够产酸生多峡次电巩离，炭每次善电离收均对厅应一武个能耕级。（1）浅需能级筝杂质（2）深偷能级漆杂质△ED≮Eg△EA≮Eg△ED△EAEAEDEDEAEcEcEvEv△ED<<Eg△EA<<EgIm院pu劈燕ri拾ty驴-d跪op甩ed惜S牛il宪ic森onEDEA在元农素半妙导体闹中的芬替位坟受主袭和施脉主Im做pu哑ri漆ty矩-d此op维ed柔S适il目ic蛾on例1：Au（Ⅰ族）盟在Ge中Au在Ge中共顾有五末种可拆能的拆状态降：（1）Au+；（2）Au0；（3）Au一；（4）Au二；（5）Au三。Im引pu听ri丛ty芝-d眼op诸ed稳S末il肢ic舰on（1）Au+：Au0–救e郊A债u+Im色pu羡ri骗ty汗-d而op洋ed均S能il室ic脸onEgECEVED(2匠)A墓u0电中幻玉性态Im通pu蹈ri价ty稿-d孩op芬ed摩S足il辉ic勺on（3）Au一：Au0+举e吉A倡u一Im并pu喂ri泄ty暂-d墙op摆ed聚S消il早ic云onECEA1EV（4）Au二：Au一+佩e罗A喜u二EVIm惹pu豪ri舟ty榜-d射op恋ed隔S岂il絮ic疼onECEA2EA1△E=（5）Au三：Au二+寸e爷A坡u三EC△E=EA3EA2EA1EVIm谎pu终ri崖ty药-d虾op必ed冠S蔬il呆ic窑on金是I族元掠素故可刊失去判一个蜂电子猛，施涨主能冷级略晚高于醒价带简顶；也可齿得到颈三个妨电子把，形胡成稳攀定的浙共价顽键结授构。抵但由陕于库器仑力液的排介斥作主用，猴后获滚得电青子的监电离图能大虽于先栗获得挨电子缠的电辰离能诸。即EA3>EA2>EA1。金在Ge中存糠在ED、EA3、EA2、EA1四个爬孤立坊能级粪。2.伸2Ⅲ-造Ⅴ族化合木物中境的杂亿质能宵级杂质仙在砷洲化镓压中的栏存在心形式1）取泪代砷2）取统代镓3）填猴隙I族元梢素一般群为引术入受退主能活级，桃如银否受主姜能级岂为（Ev+0性.1离1）ev，（Ev+0防.2咽38）ev；金秆受主共能级程为（Ev+0奥.0吊9）ev；替羡位式揭铜受爸主能缠级为怪（Ev+0快.1历4）ev，（Ev+0场.4闭4）ev等II族元蓬素价电拍子比II酸I族元流素少挡一个贤，有传获得竞一个稠电子麦完成纪共价扶键的错倾向轿。通子常取站代II富I族原蹲子位确于格矛点上对，表庄现为油受主蜡杂质吊。II鸣I，V族元宰素掺入刷不是堪由他筝们本染身形肌成的II移I-触V族化猴合物答，实皮验中抱测不服到杂槽质影涝响。绞是电袍中性聚杂质驰，在郊禁带巧中不内引入秃能级巷。等电舅子陷炎阱（1）等炕电子略杂质特征之：a、与勤本征柔元素刊同族旋但不扩同原嚷子序明数例：Ga贪P中掺厕入Ⅴ族的N或Bib、以耗替位佳形式霉存在乓于晶殖体中粘，基振本上汤是电巷中性绪的。等电蝴子杂静质（经如N）占疯据本围征原色子位脉置（焦如Ga悬P中的P位置竞）后存在宏着由麻核心捧力引伍起的便短程压作用铲力，捎它们拐可以香吸引丢一个帜导带泳电子钢（空阻穴）奇而变室成负(正）看离子绸，前嗽者就尽是电子眠陷阱，后讯者就原是空穴涛陷阱。NNP1、N在Ga无P中：NP2、C在Si中：CSi其存落在形犬式可奋以是（1）替蜓位式（2）复付合体穗，如Zn吹-O在磷粱化镓织中，Zn原子销代替Ga原子违位置摧，O原子也代替P原子埋位置杜，当睁两个裂杂质羊原子末处于间相邻吨晶格壳点时拍，形希成一爷个电筛中性肤的Zn健-O络合按物等怪电垄子期陷爬阱夜举隆例束缚晚激子即等皱电子茄陷阱遭俘获忍一种絮符号里的载岩流子库后，狐又因丢带电惊中心顺的库趋仑作约用又肺俘获唱另一慕种带趟电符琴号的麦载流猾子，漆这就左是束缚亡激子。举例摆：Ga滴As中掺Si（Ⅳ族）Ga：Ⅲ族As：Ⅴ族SiGa受主SiAs施主两性肝杂质高：在化盟合物勺半导合体中钞，某估种杂粱质在王其中筒既可药以作归施主劣又可就以作草受，嫁这种务杂质鹿称为两性某杂质。两性坛杂质IV族元筋素取代II库I族起保施主槽杂质毯作用隐，取芒代V族则蚂起受买主作朵用。蒸杂质漆总效梳果与匙掺杂滴浓度茶及掺炕杂时例的外号界条四件有垮关。VI族元养素取代V族原底子，肠表现犬为施矿主杂久质，恢引入隆施主修能级陡。过渡绝族元翠素2.横4缺陷滑、位毕错能贺级(d柔ef历ec止t收le姥ve匆ls高)2.谅4.刷1点缺潮陷po熊in戒t姐de象fe自ct炕s热缺删陷th易er匆ma胡l宇de洲fe但ct虽s（由培温度地决定惹）弗仓翠克尔渣缺陷成对旦出现彼的间悦隙原艇子和独空位肖特立基缺尘陷只形劝成空蚁位而联没有良间隙扎原子II证I-渡V族化枯合物酱，成日分偏卖离正阅常化立学比替位庭原子空位惹易于急间隙衡原子您出现因为胡空位休周围题有四叼个不本成对毙电子精，所柿以空活位表中现出指受主智作用粱；每个推间隙刃原子齿有四跃个可榴以失仆去的住电子课，所辫以表钳现出浴施主序作用仔。Ga养As中的塔镓空悬位和肿砷空湾位均吼表现耳为受泰主作糊用；离子暑性强雀的化资合物瞒半导喝体（M,后X），集正离屿子空椒位是块受主捡，负联离子薄空位微是施额主，摩金属何原子滨为间柄隙原届子时蜻为施亡主，佣非金蛾属原散子为都间隙约原子烦时为项受主烤。离子死性弱核的二摔元化爱合物AB，替乳位原鞠子AB是