半導(dǎo)體物理學(xué)劉恩科第七版第2章雜質(zhì)和缺陷

1、第2章 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷2.1 硅鍺晶體中的雜質(zhì)能級q原子并非在格點上靜止不動，而是在平衡位置附件振動；原子并非在格點上靜止不動，而是在平衡位置附件振動；q材料不是絕對純凈，含若干材料不是絕對純凈，含若干雜質(zhì)雜質(zhì) (外來的外來的)；q半導(dǎo)體晶格不是絕對完美，存在缺陷半導(dǎo)體晶格不是絕對完美，存在缺陷 (內(nèi)在的內(nèi)在的)實際晶體與理想本征晶體的區(qū)別實際晶體與理想本征晶體的區(qū)別缺陷分類：缺陷分類： 點缺陷（空位，間隙原子）點缺陷（空位，間隙原子）線缺陷（位錯）線缺陷（位錯）面缺陷（層錯，晶粒間界）面缺陷（層錯，晶粒間界）一般的硅平面器件，要求位錯密度在一般的硅平面器件，要求位錯密度在103cm-2以

2、以下，超過該值，將影響半導(dǎo)體的電導(dǎo)率和劣化器下，超過該值，將影響半導(dǎo)體的電導(dǎo)率和劣化器件的性能。件的性能。極微量的雜質(zhì)和缺陷，極大影響半導(dǎo)體的物理、化學(xué)極微量的雜質(zhì)和缺陷，極大影響半導(dǎo)體的物理、化學(xué)性質(zhì)。性質(zhì)。例如：硅中，以例如：硅中，以105：1的比例摻如的比例摻如B雜質(zhì)，電導(dǎo)率增加雜質(zhì)，電導(dǎo)率增加103倍倍雜質(zhì)的雜質(zhì)的影響影響1、改變周期性排布的原子產(chǎn)生的周期性改變周期性排布的原子產(chǎn)生的周期性勢場，勢場，破壞了原有的能帶結(jié)構(gòu)，但可視破壞了原有的能帶結(jié)構(gòu)，但可視為微擾，引入新的能級為微擾，引入新的能級2、提供 導(dǎo)電用 的載流子（電子、空穴）雜質(zhì)原子位置區(qū)分：雜質(zhì)原子位置區(qū)分：替位式雜質(zhì)替位式

3、雜質(zhì)間隙式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì)2.1硅和鍺晶體中的雜質(zhì)能級硅和鍺晶體中的雜質(zhì)能級2.1.1 雜質(zhì)類型劃分雜質(zhì)類型劃分間隙式雜質(zhì)：雜質(zhì)原子位于晶間隙式雜質(zhì)：雜質(zhì)原子位于晶格原子的間隙位置；格原子的間隙位置；替位式雜質(zhì)：雜質(zhì)原子位于晶替位式雜質(zhì)：雜質(zhì)原子位于晶格原子的格點位置。格原子的格點位置。n替位式雜質(zhì)q雜質(zhì)原子的大小大小與晶體原子相似，價電子的殼層結(jié)構(gòu)比殼層結(jié)構(gòu)比較相近較相近。qIIIIII、V V族元素在硅、鍺中均為替位式雜質(zhì)族元素在硅、鍺中均為替位式雜質(zhì)。兩類型雜質(zhì)的特點：間隙式雜質(zhì)：雜質(zhì)原子較小，如離子鋰 (Li+)半徑為0.068nm雜質(zhì)濃度：單位體積中的雜質(zhì)原子數(shù)，表示半導(dǎo)體雜質(zhì)的含量。

4、 根據(jù)導(dǎo)電類型區(qū)分根據(jù)導(dǎo)電類型區(qū)分受主雜質(zhì)受主雜質(zhì)施主雜質(zhì)施主雜質(zhì)2、雜質(zhì)類型、雜質(zhì)類型2通常關(guān)注的參量：電離能和能級的位置通常關(guān)注的參量：電離能和能級的位置雜質(zhì)的類雜質(zhì)的類型劃分型劃分所處位置：間隙、替位導(dǎo)電類型：施、受主能級位置：淺、深能級分析雜質(zhì)移動分析雜質(zhì)導(dǎo)電分析非平衡載流子情況2.1.22.1.2施主雜質(zhì)施主雜質(zhì) （濃度：（濃度：ND）、施主能級）、施主能級V族元素在硅鍺中是體位式摻雜，如摻磷原子，形成共價鍵后，剩余一個價電子。磷原子很容易失去多余的一個電子而成為帶正電的磷離子(P+),磷離子稱為正電中心(不能移動)。雜質(zhì)電離：多余的一個電子掙脫雜質(zhì)原子的束縛稱為導(dǎo)電電子的過程稱為雜

5、質(zhì)電離。稱此類雜質(zhì)為施主雜質(zhì)或n型雜質(zhì)。 硅、鍺硅、鍺中的n施主電離施主電離 qV族元素在硅、鍺中電離時能產(chǎn)生導(dǎo)電電子并形族元素在硅、鍺中電離時能產(chǎn)生導(dǎo)電電子并形成正電中心的雜質(zhì)稱為成正電中心的雜質(zhì)稱為施主雜質(zhì)。n施主雜質(zhì)未電離時是中性的，稱為束縛態(tài)或中施主雜質(zhì)未電離時是中性的，稱為束縛態(tài)或中性態(tài)，電離后稱為離化態(tài)。性態(tài)，電離后稱為離化態(tài)。n雜質(zhì)電離能：多余的價電子掙脫束縛稱為導(dǎo)電雜質(zhì)電離能：多余的價電子掙脫束縛稱為導(dǎo)電電子所需要的能量。電子所需要的能量。n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體主要靠導(dǎo)帶電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體。SiSi、GeGe而言，施主通常是而言，施主通常是V V族元素。電離能較小，族元素。電離能較小

6、，在在SiSi中約中約0.040.040.05eV0.05eV，GeGe中約中約0.01eV0.01eV。 施主雜質(zhì)電子施主雜質(zhì)電子導(dǎo)帶電子所需要的能量，稱為導(dǎo)帶電子所需要的能量，稱為施主雜質(zhì)電電離能離能 ED ：施主能級施主能級：在半導(dǎo)體中引入施主雜質(zhì)，將在帶隙中引入施主：在半導(dǎo)體中引入施主雜質(zhì)，將在帶隙中引入施主能級。能級。 即被施主雜質(zhì)束縛的電子的能量狀態(tài)。記為即被施主雜質(zhì)束縛的電子的能量狀態(tài)。記為 E ED D。2.1.32.1.3受主雜質(zhì)受主雜質(zhì) (濃度：NA)受主電離：能夠接受電子而產(chǎn)受主電離：能夠接受電子而產(chǎn)生導(dǎo)電空穴，形成負電中心的生導(dǎo)電空穴，形成負電中心的過程。過程。受主能級

7、受主能級半導(dǎo)體中引入受主雜質(zhì)，在帶隙內(nèi)引入能級，即被受主雜質(zhì)束縛的空穴的能量狀態(tài)，記為EA。p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體依靠價帶空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體。SiSi、GeGe而言，施主通常是而言，施主通常是IIIIII族元素。電離能較小，在族元素。電離能較小，在SiSi中中約約0.0450.0450.065eV0.065eV【InIn是唯一是唯一例外，達例外，達0.16eV0.16eV】，】，GeGe中約中約0.01eV0.01eV。 雜質(zhì)空穴價帶空穴所需要的能量。受主雜質(zhì)電離能電離能EA：3、雜質(zhì)的劃分類型、雜質(zhì)的劃分類型3淺能級雜質(zhì)深能級雜質(zhì)根據(jù)雜質(zhì)能級位置劃分施主能級很接近導(dǎo)帶底，受主能級很接近價帶頂。施主

8、能級很接近導(dǎo)帶底，受主能級很接近價帶頂。稱為淺能級雜質(zhì)。稱為淺能級雜質(zhì)。室溫下，室溫下，、族雜質(zhì)基本全部電離。族雜質(zhì)基本全部電離。硅、鍺中摻入V族的磷原子雜質(zhì)時，磷原子周圍比硅原子周圍多一個束縛著的價電子。好像在硅、鍺晶體中多加了一個“氫原子”。雜質(zhì)原子氫原子多余的價電子氫外層電子4 4、淺能級雜質(zhì)電離能簡單計算、淺能級雜質(zhì)電離能簡單計算類氫模型類氫模型氫原子電離后，電子位于無窮遠處，受束縛力很弱，也是準(zhǔn)自由電子。雜質(zhì)離化后，雜質(zhì)電子進入導(dǎo)帶，成準(zhǔn)自由電子；401220m qE, E08h 42022208nm q ZEh n q氫原子中的電子能量：氫原子中的電子能量：qn=1,2,3，為主量

9、子數(shù)，eVhqmEEE6 .1382204010n氫原子基態(tài)電子的電離能q當(dāng)n=1和無窮時n考慮到晶體中正、負電荷處于介電常數(shù)介電常數(shù)=0r的介質(zhì)中，且在周期勢場周期勢場中運動，電子的質(zhì)量要用有效質(zhì)量所以有22024*8hqmErnD200*22024*8rprpAEmmhqmE施主雜質(zhì)電離能：受主雜質(zhì)電離能：(2.2)(2.3)2204008hqmE200*rnDEmmE1、沒反映出雜質(zhì)原子的影響。2、本身是一個近似模型。類氫模型的不足：類氫模型的不足：Si: r=12, ED=0.1mn*/m0，小于0.1eV. mn*=0.26 m0， ED=0.025 eV.Ge:r=16, ED=0

10、.05mn*/m0，小于0.05eV mn*=0.12 m0， ED=0.0046 eV.與實驗結(jié)果很符合。n例3 半導(dǎo)體硅單晶的介電常數(shù)為11.8，電子和空穴的有效質(zhì)量備為mn*=0.26m0,mp*=0.30m0，利用類氫模型估計：(1). 施主和受主的電離能；(2). 基態(tài)電子軌道半徑；(3). 相鄰雜質(zhì)原子的電子軌道將發(fā)生明顯交迭時(假設(shè)基態(tài)半徑發(fā)生交疊)，試估算此時施主、受主濃度的數(shù)量級(此時可認為將形成雜質(zhì)能帶)?問題： 若雜質(zhì)原子濃度不斷增加，是否也會出現(xiàn)電子云交疊，即出現(xiàn)“共有化運動”？從而使孤立原子能級變成雜質(zhì)能帶？n當(dāng)當(dāng)ND(施主雜質(zhì)濃度施主雜質(zhì)濃度)NA (受主雜質(zhì)濃度受

11、主雜質(zhì)濃度)q n(導(dǎo)帶中電子濃度)= ND-NA ND，半導(dǎo)體是n型的n當(dāng)當(dāng)NDNNA A, , 有效雜質(zhì)濃度為有效雜質(zhì)濃度為N ND D-NA-NA；反過來一樣。；反過來一樣。當(dāng)當(dāng)N ND DNNA A時：高度補償半導(dǎo)體，雜質(zhì)很多，性能很差，不能時：高度補償半導(dǎo)體，雜質(zhì)很多，性能很差，不能用來制造半導(dǎo)體用來制造半導(dǎo)體2.1.6、深能級雜質(zhì)n深能級雜質(zhì)特點：深能級雜質(zhì)特點： 1、多為替位式雜質(zhì)； 2、硅、鍺的禁帶中產(chǎn)生的施主能級距離導(dǎo)帶底和能級距離導(dǎo)帶底和 價帶頂較遠價帶頂較遠，形成深能級，稱為深能級雜質(zhì)； n對Si、Ge而言，深能級雜質(zhì)通常為非III、V族元素（圖2-9）。3、能多次電離多

12、次電離，每電離均產(chǎn)生一個對應(yīng)能級。 4、含量少、含量少，且對載流子濃度影響較小【兩個原因】。復(fù)合作用明顯復(fù)合作用明顯，一般作為復(fù)合中心復(fù)合中心存在【非平衡時】 。n金是I族元素 (目前無完善的理論能夠說明，只能定性)q故可失去一個電子，施主能級略高于價帶頂；q也可得到三個電子，形成穩(wěn)定的共價鍵結(jié)構(gòu)。 實際中，Au在Si：一受主、一施主能級。 在Ge中：三受主，一施主能級。 由于庫侖力的排斥庫侖力的排斥作用，后獲得電子的電離能大于先獲得電子的電離能。即EA3EA2EA1。金在Ge中ED、EA3、EA2、EA1四個孤立能級。2.2 III-V族化合物 （略）自習(xí)2.3.1點缺陷點缺陷1. 1. 熱

13、缺陷（由溫度決定）熱缺陷（由溫度決定） 晶格原子吸收熱能后擠入晶格間隙擠入晶格間隙，產(chǎn)生間隙原子,原來位置稱為空位。間隙原子與空位不斷產(chǎn)生與復(fù)合，最后達到熱平衡 (a).(a).弗倫克爾缺陷弗倫克爾缺陷 成對出現(xiàn)的間隙原子和空位。 (b).(b).肖特基缺陷肖特基缺陷 在晶體內(nèi)只形成空位而沒有間隙原子。2.3缺陷、位錯能級3. 3. 替位原子替位原子( (反結(jié)構(gòu)缺陷反結(jié)構(gòu)缺陷) )： 對對ABAB化合物，化合物，A A取代取代B B寫為寫為A AB B, , 反過來，反過來，B B取代取代A A的位的位置為置為B BA A （小寫代表位置，大寫代表占據(jù)該位置的原子）。（小寫代表位置，大寫代表占據(jù)該位置的原子）?；匣衔锇胛锇雽?dǎo)體導(dǎo)體2. 2. 空位：空位： 由于偏離正常的化學(xué)成分比。位置上原子消失，形成點缺陷。點缺陷引入的能級類型間隙原子間隙原子有四個電子可以失去，所以傾向于表現(xiàn)出施主作用(也會起受主作用)?？瘴唬嚎瘴唬盒纬傻逆I不飽和，易于接受電子，所以空位表現(xiàn)出受主作用；空位：空位：需要實際分析。GaAs中的鎵空位和砷空位均表現(xiàn)為受主作用；離子性強的化合物半導(dǎo)體（M,X），正離子空位是受主，負離子