第二章半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷

1、 1 1、來(lái)源、來(lái)源: : （1 1）沾污）沾污 可動(dòng)離子可動(dòng)離子鈉離子鈉離子、鉀離子、氫離子、鉀離子、氫離子 化學(xué)試劑、玻璃器皿、高溫器材、人體玷化學(xué)試劑、玻璃器皿、高溫器材、人體玷 污污 （2 2）人為控制摻雜）人為控制摻雜 2 2 雜質(zhì)晶格位置雜質(zhì)晶格位置 （1 1）間隙式間隙式(interstitial) (interstitial) 雜質(zhì)原子位于晶格原子之間雜質(zhì)原子位于晶格原子之間 的間隙位置的間隙位置 金剛石型晶胞內(nèi)原子占有體積金剛石型晶胞內(nèi)原子占有體積34%34%，空隙，空隙66%66% T H 四面體間隙位置四面體間隙位置 六角形間隙位置六角形間隙位置 （2）替位式替位式(su

2、bstitutional)-雜質(zhì)原子取代晶格雜質(zhì)原子取代晶格 原子而位于格點(diǎn)位置原子而位于格點(diǎn)位置 Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si 替位式雜質(zhì)要求替位式雜質(zhì)要求 原子大小相近原子大小相近 價(jià)電子殼層結(jié)構(gòu)價(jià)電子殼層結(jié)構(gòu) 接近接近 Si：r=0.117nm B：r=0.089nm P：r=0.11nm 間隙式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì)Li、H 原子半徑很小原子半徑很小 Li：r=0.068nm B B-1 -1 （1 1）受主雜質(zhì)受主雜質(zhì)：雜質(zhì)電離時(shí)能夠在半導(dǎo)體中：雜質(zhì)電離時(shí)能夠在半導(dǎo)體中 接受電子而產(chǎn)生導(dǎo)電空穴，并形成負(fù)電中接

3、受電子而產(chǎn)生導(dǎo)電空穴，并形成負(fù)電中 心。心。 3 3 雜質(zhì)對(duì)電學(xué)性質(zhì)的影響雜質(zhì)對(duì)電學(xué)性質(zhì)的影響 例如：例如：Si 室溫下室溫下 本征載流子濃度為本征載流子濃度為1010/cm3 摻入摻入B (NA=1016/cm3) Si的原子濃度為的原子濃度為10221023/cm3 B原子的濃度原子的濃度/Si原子的濃度原子的濃度 =10-6 受主向價(jià)帶提供的載流子受主向價(jià)帶提供的載流子 10161017/cm31010/cm3 百萬(wàn)分之一百萬(wàn)分之一 百萬(wàn)倍百萬(wàn)倍 EA EA Eg Ec Ev （2 2）施主雜質(zhì)）施主雜質(zhì)：雜質(zhì)電離時(shí)能夠釋放電子：雜質(zhì)電離時(shí)能夠釋放電子 而產(chǎn)生導(dǎo)電電子并形成正電中心。而產(chǎn)

4、生導(dǎo)電電子并形成正電中心。 P + 1 ED + ED Eg Ec Ev 概念匯總概念匯總 施主、施主電離、施主、施主電離、n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 施主施主-能夠向半導(dǎo)體提供導(dǎo)帶電子的雜質(zhì)能夠向半導(dǎo)體提供導(dǎo)帶電子的雜質(zhì) 施主電離施主電離-施主雜質(zhì)上多余的一個(gè)價(jià)電子擺施主雜質(zhì)上多余的一個(gè)價(jià)電子擺 脫束縛脫束縛,成為導(dǎo)帶電子成為導(dǎo)帶電子 n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體主要依靠導(dǎo)帶電子導(dǎo)電的半導(dǎo)主要依靠導(dǎo)帶電子導(dǎo)電的半導(dǎo) 體體 雜質(zhì)向?qū)Ш蛢r(jià)帶提供電子和空穴的過(guò)程雜質(zhì)向?qū)Ш蛢r(jià)帶提供電子和空穴的過(guò)程 （電子從施主能級(jí)向?qū)У能S遷或空穴從受（電子從施主能級(jí)向?qū)У能S遷或空穴從受 主能級(jí)向價(jià)帶的躍遷）稱為主能級(jí)向價(jià)帶的

5、躍遷）稱為雜質(zhì)電離或雜質(zhì)雜質(zhì)電離或雜質(zhì) 激發(fā)激發(fā)。所需要的能量稱為雜質(zhì)的電離能。所需要的能量稱為雜質(zhì)的電離能。 電子從價(jià)帶直接向?qū)Ъぐl(fā)，成為導(dǎo)帶的自電子從價(jià)帶直接向?qū)Ъぐl(fā)，成為導(dǎo)帶的自 由電子，這種激發(fā)稱為由電子，這種激發(fā)稱為本征激發(fā)本征激發(fā)，只有本征，只有本征 激發(fā)的半導(dǎo)體稱為激發(fā)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體。 受主受主, ,受主電離和受主電離和p p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 受主受主- -能接受電子而產(chǎn)生導(dǎo)電空穴的雜質(zhì)能接受電子而產(chǎn)生導(dǎo)電空穴的雜質(zhì). . 受主電離受主電離 受主雜質(zhì)上的空穴擺脫束縛受主雜質(zhì)上的空穴擺脫束縛, ,成為成為 價(jià)帶空穴價(jià)帶空穴 ( (即價(jià)帶電子激發(fā)到受主能級(jí)上即價(jià)

6、帶電子激發(fā)到受主能級(jí)上) ) p p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 -主要依靠?jī)r(jià)帶空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體主要依靠?jī)r(jià)帶空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體 摻施主的半導(dǎo)體的導(dǎo)帶電子數(shù)主要由施主決定，半摻施主的半導(dǎo)體的導(dǎo)帶電子數(shù)主要由施主決定，半 導(dǎo)體導(dǎo)電的載流子主要是電子（電子數(shù)導(dǎo)體導(dǎo)電的載流子主要是電子（電子數(shù)空穴數(shù)），空穴數(shù)）， 對(duì)應(yīng)的半導(dǎo)體稱為對(duì)應(yīng)的半導(dǎo)體稱為n n型型半導(dǎo)體。稱電子為多數(shù)載流半導(dǎo)體。稱電子為多數(shù)載流 子，簡(jiǎn)稱多子，空穴為少數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱少子。子，簡(jiǎn)稱多子，空穴為少數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱少子。 摻受主的半導(dǎo)體的價(jià)帶空穴數(shù)由受主決定，半導(dǎo)體摻受主的半導(dǎo)體的價(jià)帶空穴數(shù)由受主決定，半導(dǎo)體 導(dǎo)電的載流子主要是空穴（空穴數(shù)導(dǎo)電的載

7、流子主要是空穴（空穴數(shù)電子數(shù)），對(duì)電子數(shù)），對(duì) 應(yīng)的半導(dǎo)體稱為應(yīng)的半導(dǎo)體稱為p p型型半導(dǎo)體。空穴為多子，電子為半導(dǎo)體?？昭槎嘧?，電子為 少子。少子。 n n型和型和p p型半導(dǎo)體都稱為極性半導(dǎo)體型半導(dǎo)體都稱為極性半導(dǎo)體 例：例：n型半導(dǎo)體（低溫弱電離型半導(dǎo)體（低溫弱電離 區(qū)）區(qū)） Tk ENN n DcD 0 0 22 ln 2 1 ln 1/T lnn0 -ED/(2k0) lnn0 常數(shù)常數(shù) ED/(2k0T) 可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)， 計(jì)算出雜質(zhì)電離能計(jì)算出雜質(zhì)電離能 （3）利用電學(xué)性質(zhì)計(jì)算雜質(zhì)電離能）利用電學(xué)性質(zhì)計(jì)算雜質(zhì)電離能 問(wèn)題：?jiǎn)栴}：如果在半導(dǎo)體中摻入施主雜質(zhì)后，又繼續(xù)摻

8、入如果在半導(dǎo)體中摻入施主雜質(zhì)后，又繼續(xù)摻入 等量受主雜質(zhì)，則導(dǎo)電性會(huì)產(chǎn)生什么樣的變化？等量受主雜質(zhì)，則導(dǎo)電性會(huì)產(chǎn)生什么樣的變化？ （4 4）雜質(zhì)補(bǔ)償雜質(zhì)補(bǔ)償：半導(dǎo)體中同時(shí)存在著施主和：半導(dǎo)體中同時(shí)存在著施主和 受主雜質(zhì)，兩種雜質(zhì)之間相互抵消的作用。受主雜質(zhì)，兩種雜質(zhì)之間相互抵消的作用。 E Eg g E ED D E Ec c E Ev v E EA A 雜質(zhì)補(bǔ)償應(yīng)用：根據(jù)需要用擴(kuò)散或離子注入方法雜質(zhì)補(bǔ)償應(yīng)用：根據(jù)需要用擴(kuò)散或離子注入方法 來(lái)改變半導(dǎo)體某一區(qū)域的導(dǎo)電類型，以制成各種來(lái)改變半導(dǎo)體某一區(qū)域的導(dǎo)電類型，以制成各種 器件。器件。 p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 （5 5）等電子

9、雜質(zhì)等電子雜質(zhì)： 雜質(zhì)原子與半導(dǎo)體原子具有同數(shù)量?jī)r(jià)電子。雜質(zhì)原子與半導(dǎo)體原子具有同數(shù)量?jī)r(jià)電子。 電負(fù)性相差較大電負(fù)性相差較大 俘獲電子俘獲電子 負(fù)電中負(fù)電中 心心 俘獲空穴俘獲空穴 正電中心正電中心 等電子雜質(zhì)等電子雜質(zhì) 帶電中心帶電中心 俘獲某種載流子俘獲某種載流子 束縛激子束縛激子 間接帶隙半導(dǎo)體發(fā)光器件間接帶隙半導(dǎo)體發(fā)光器件 俘獲另一種相反俘獲另一種相反 符號(hào)的載流子符號(hào)的載流子 4 4 雜質(zhì)的能級(jí)特性雜質(zhì)的能級(jí)特性 （1 1）淺能級(jí)淺能級(jí)：如果：如果受主能級(jí)受主能級(jí)很很接近價(jià)帶頂接近價(jià)帶頂， 施主能級(jí)施主能級(jí)很很接近導(dǎo)帶底接近導(dǎo)帶底，這些雜質(zhì)能級(jí)稱，這些雜質(zhì)能級(jí)稱 為淺能級(jí)，將產(chǎn)生淺能

10、級(jí)的雜質(zhì)稱為淺能為淺能級(jí)，將產(chǎn)生淺能級(jí)的雜質(zhì)稱為淺能 級(jí)雜質(zhì)。級(jí)雜質(zhì)。 將將、族雜質(zhì)摻入族雜質(zhì)摻入族半導(dǎo)體如族半導(dǎo)體如Si Si、GeGe中，中， 則為淺能級(jí)雜質(zhì)。則為淺能級(jí)雜質(zhì)。 Eg EA EA Ev Eg ED + ED Ec Ev Ec 淺能級(jí)雜質(zhì)電離能的計(jì)算淺能級(jí)雜質(zhì)電離能的計(jì)算 r0 帶電中心帶電中心+ +一個(gè)束縛于其上的載流一個(gè)束縛于其上的載流 子子 施主雜質(zhì)電離能施主雜質(zhì)電離能: : m mn n* * 電導(dǎo)有效質(zhì)量電導(dǎo)有效質(zhì)量 “類氫原子類氫原子” P P + + 1 1 氫原子基態(tài)電子電離能氫原子基態(tài)電子電離能: : 半導(dǎo)體晶體中半導(dǎo)體晶體中 介電常數(shù)為介電常數(shù)為 電子質(zhì)量

11、電子質(zhì)量 2 2 0 4 0 0 42 qm E * 0n mm 2 r 0 0 * n E m m D E 和實(shí)際相比，類氫模型只是粗糙的近似和實(shí)際相比，類氫模型只是粗糙的近似 Si 、 Ge中施主雜質(zhì)電離能中施主雜質(zhì)電離能 0.025eV 、 0.006eV 晶體晶體 Si Ge 雜質(zhì)雜質(zhì) PAsSb 0.044 0.0126 0.049 0.0127 0.039 0.0096 硅、鍺中硅、鍺中族雜質(zhì)電離能（單位族雜質(zhì)電離能（單位eVeV） 類氫模型不精確的原因類氫模型不精確的原因 （1）原子實(shí)的極化和軌道的貫穿）原子實(shí)的極化和軌道的貫穿 氫原子模型氫原子模型 原子實(shí)的極化原子實(shí)的極化 軌

12、道的貫穿軌道的貫穿 （2） 沒(méi)有考慮電導(dǎo)有效質(zhì)量的各向異性沒(méi)有考慮電導(dǎo)有效質(zhì)量的各向異性 類氫模型類氫模型 （2 2）深能級(jí)雜質(zhì)深能級(jí)雜質(zhì)：雜質(zhì)的：雜質(zhì)的施主能級(jí)施主能級(jí)距離距離導(dǎo)帶底較遠(yuǎn)導(dǎo)帶底較遠(yuǎn)， 或或受主能級(jí)受主能級(jí)距離距離價(jià)帶頂也較遠(yuǎn)價(jià)帶頂也較遠(yuǎn)， 這種能級(jí)為深能級(jí)，相應(yīng)雜質(zhì)為深能級(jí)雜質(zhì)。這種能級(jí)為深能級(jí)，相應(yīng)雜質(zhì)為深能級(jí)雜質(zhì)。 特點(diǎn)特點(diǎn)：能夠產(chǎn)生多次電離，：能夠產(chǎn)生多次電離， 每次電離相應(yīng)地有一個(gè)能級(jí)。每次電離相應(yīng)地有一個(gè)能級(jí)。 在Ge中摻入Au Au的電子組態(tài)是： 5s25p65d106s1 Ec Ev E D EA1 EA2 EA3 0.04 0.15 0.20 0.04 5 -

13、族化合物中的族化合物中的雜質(zhì) 以以GaAsGaAs中的雜質(zhì)為例中的雜質(zhì)為例 族元素族元素- -傾向于占據(jù)傾向于占據(jù)GaGa的位置的位置, ,是受主是受主 族元素族元素- -傾向于占據(jù)傾向于占據(jù)AsAs的位置的位置, ,是施主是施主 族元素族元素- -占據(jù)占據(jù)AsAs的位置的位置, ,是受主是受主 占據(jù)占據(jù)GaGa的位置的位置, ,是施主是施主 族元素雜質(zhì)（族元素雜質(zhì)（Si、Ge、Sn、Pb） 施主作用施主作用 受主作用受主作用 中性雜質(zhì)作用中性雜質(zhì)作用 例如例如SiGaAs ND1018cm-3 部分部分Si原子取代原子取代As 出現(xiàn)補(bǔ)償作用出現(xiàn)補(bǔ)償作用 n0 中性雜質(zhì)中性雜質(zhì) 族元素（族元素（B、Al、In）和）和族元素（族元素（P、 Sb）在）在GaAs中通常分別替代中通常分別替代Ga和和As 價(jià)電子數(shù)不變價(jià)電子數(shù)不變 呈電中性呈電中性 對(duì)對(duì)GaAs的電學(xué)性質(zhì)沒(méi)有明顯影響。的電學(xué)性質(zhì)沒(méi)有明顯影響。 7 7 半導(dǎo)體中的缺陷半導(dǎo)體中的缺陷 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷 間隙原子間隙原子 空位空位 位錯(cuò)位錯(cuò) 層錯(cuò)層錯(cuò) 化合物半導(dǎo)體中的點(diǎn)缺陷化合物半導(dǎo)體中的點(diǎn)缺陷 空位空位VGa、Vas 間隙原子間隙原子GaI、AsI 反結(jié)構(gòu)缺陷反結(jié)構(gòu)缺陷 Ga原子占據(jù)原子占據(jù)As空位空位 As原子占據(jù)原子占據(jù)Ga空位空位 記為記為Ga