半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷

1、實(shí)際半導(dǎo)體晶格偏離理想情況實(shí)際半導(dǎo)體晶格偏離理想情況 雜質(zhì)雜質(zhì) 缺陷缺陷 原子在平衡位置附近振動(dòng)原子在平衡位置附近振動(dòng) 雜質(zhì)和缺陷雜質(zhì)和缺陷 原子的周期性勢(shì)場(chǎng)受到破壞原子的周期性勢(shì)場(chǎng)受到破壞 在禁帶中引入能級(jí)在禁帶中引入能級(jí) 決定半導(dǎo)體的物理和化學(xué)性質(zhì)決定半導(dǎo)體的物理和化學(xué)性質(zhì) 淺能級(jí)雜質(zhì)：能級(jí)接近導(dǎo) 帶底 Ec 或價(jià)帶頂 Ev； 深能級(jí)雜質(zhì)：能級(jí)遠(yuǎn)離導(dǎo) 帶底 Ec 或價(jià)帶頂 Ev。 缺陷缺陷 點(diǎn)缺陷，如空位、間隙原子等 線缺陷，如位錯(cuò)等 面缺陷，如層錯(cuò)、晶粒間界等 Si：r =0.117nm Li：r =0.068nm P：r =0.11nm (2)替位式雜質(zhì)替位式雜質(zhì)：雜質(zhì)占據(jù)格點(diǎn)的位置。

2、 =Si = Si = Si = =Si = P+ = Si = =Si = Si = Si = SiP Li = Si = Si = Si = = Si Si = = Si = Si = Si = A B A B B A A A A B A B 化合物半導(dǎo)體: A、B 兩種原子組成 B A = Si = Si = Si = = Si = P + = Si = = Si = Si = Si = 正電中心正電中心 氫原子中的電子的運(yùn)動(dòng)軌道半徑為： 2 2 2 n qm h r o o H Si 中受正電中心 P +束縛的電子的運(yùn)動(dòng)軌道半 徑： 埃651 4 . 0 12 2 2 qm h r o

3、 o 12)( Sir 2 2 *2 ( ) rSio e h rn mq 0 * 1 . 0 mme Si P 對(duì)于對(duì)于Si中的中的P原子，原子， 剩余電子的運(yùn)動(dòng)剩余電子的運(yùn)動(dòng) 半徑：半徑：r 65 Si的晶格常數(shù)為的晶格常數(shù)為 5.4 對(duì)于Ge中的P 原子，r 85 P原子中這個(gè)多余的電子的運(yùn)動(dòng)半徑遠(yuǎn)原子中這個(gè)多余的電子的運(yùn)動(dòng)半徑遠(yuǎn) 遠(yuǎn)大于其余四個(gè)電子，所受到的束縛遠(yuǎn)大于其余四個(gè)電子，所受到的束縛 最小，極易擺脫束縛成為自由電子。最小，極易擺脫束縛成為自由電子。 施主雜質(zhì)施主雜質(zhì): 施主雜質(zhì)具有提供電子的能力。施主雜質(zhì)具有提供電子的能力。 對(duì)氫原子對(duì)氫原子 氫原子中電子的能量氫原子中電子的

4、能量 222 0 4 0 8nh qm En eV6 .13 8 2 2 4 h qm E o o H 氫原子中的電子的電離能為： 1 EEE 電子從穩(wěn)定的基態(tài)到電離態(tài)所需 要的能量就是電子的電離能E： 設(shè)設(shè) 施主雜質(zhì)能級(jí)為施主雜質(zhì)能級(jí)為ED 施主雜質(zhì)的電離能施主雜質(zhì)的電離能ED：即弱束縛的電子即弱束縛的電子 擺脫束縛成為晶格中自由運(yùn)動(dòng)的電子（導(dǎo)擺脫束縛成為晶格中自由運(yùn)動(dòng)的電子（導(dǎo) 帶中的電子）所需要的能量。帶中的電子）所需要的能量。 施主的電離能施主的電離能 EC ED Eg EV DC H r e r e r e D EE E m m h qm m m h qm E 2 0 * 22 0

5、4 0 2 0 * 22 0 2 4* 1 8 1 8 對(duì)于Si、Ge摻P * 00 0.26,0.12 eSieGe mmmm= 100,16,12 2 rrGerSi Ec Ev 施主能級(jí)靠近導(dǎo)帶底部施主能級(jí)靠近導(dǎo)帶底部 ED DCD EEE eVeV GeD,SD, 064. 0,04. 0EE i 施主雜質(zhì)的電離能小，施主雜質(zhì)的電離能小， 在常溫下基本上電離。在常溫下基本上電離。 價(jià)帶價(jià)帶 導(dǎo)帶導(dǎo)帶 （1）在）在 Si 中摻入中摻入 B 2.元素半導(dǎo)體中元素半導(dǎo)體中A族替位雜質(zhì)的能級(jí)族替位雜質(zhì)的能級(jí) B 獲得一個(gè)電子獲得一個(gè)電子 變成負(fù)離子，成變成負(fù)離子，成 為為負(fù)電中心負(fù)電中心，周，

6、周 圍產(chǎn)生帶正電的圍產(chǎn)生帶正電的 空穴?？昭?。 B B 受主雜質(zhì)具有得到電子的性質(zhì)，受主雜質(zhì)具有得到電子的性質(zhì)， 向價(jià)帶提供空穴。向價(jià)帶提供空穴。 電離的結(jié)果：電離的結(jié)果：價(jià)帶中的空穴數(shù)增加了， 這即是摻受主的意義摻受主的意義所在。 H r o P A E m m E 2 * 1 VAA EEE Ec Ev EA 受主能級(jí)靠近價(jià)帶頂部受主能級(jí)靠近價(jià)帶頂部 (2)受主電離能和受主能級(jí)受主電離能和受主能級(jí) oP mm1 . 005. 0 * 受主能級(jí)受主能級(jí)EA 受主雜質(zhì)的電離能受主雜質(zhì)的電離能 小，在常溫下基本小，在常溫下基本 上為價(jià)帶電離的電上為價(jià)帶電離的電 子所占據(jù)（空穴由子所占據(jù)（空穴由

7、受主能級(jí)向價(jià)帶激受主能級(jí)向價(jià)帶激 發(fā)）。發(fā)）。 雜質(zhì)電離或雜質(zhì)激發(fā)：雜質(zhì)電離或雜質(zhì)激發(fā)： 雜質(zhì)向?qū)Ш蛢r(jià)帶提供電子和空穴雜質(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遷的過(guò)程（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）?；蚩昭◤氖苤髂芗?jí)向價(jià)帶的躍遷）。 本征激發(fā)：本征激發(fā)： 電子從價(jià)帶直接向?qū)Ъぐl(fā)，成為電子從價(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)稱為導(dǎo)帶的自由電子，這種激發(fā)稱為。 只有本征激發(fā)的半導(dǎo)體稱為只有本征激發(fā)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體。 所需要的能量稱為所需要的能量稱為雜質(zhì)的電離能雜質(zhì)的電離能。 P 的濃度/Si 原子的濃度=10

8、-6 Si 的原子濃度為 10 221023/cm3 稱稱電子為多數(shù)載流子電子為多數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱多子多子，空穴空穴 為少數(shù)載流子為少數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱少子少子。 摻施主的半導(dǎo)體的導(dǎo)帶電子數(shù)主要由摻施主的半導(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施主決定，半導(dǎo)體導(dǎo)電的載流子主要是電 子（電子數(shù)子（電子數(shù)空穴數(shù)），對(duì)應(yīng)的半導(dǎo)體稱空穴數(shù)），對(duì)應(yīng)的半導(dǎo)體稱 為為N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體。 空穴為多子，電子為少子?？昭槎嘧?，電子為少子。 摻受主的半導(dǎo)體的價(jià)帶空穴數(shù)由受摻受主的半導(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主決定，半導(dǎo)體導(dǎo)電的載流子主要是空 穴（空穴數(shù)穴

9、（空穴數(shù)電子數(shù)），對(duì)應(yīng)的半導(dǎo)體電子數(shù)），對(duì)應(yīng)的半導(dǎo)體 稱為稱為P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體。 3. 雜質(zhì)的補(bǔ)償作用雜質(zhì)的補(bǔ)償作用 (1) NDNA 半導(dǎo)體中同時(shí)存在施主和受主雜質(zhì)，半導(dǎo)體中同時(shí)存在施主和受主雜質(zhì)， 施主和受主之間有互相抵消的作用施主和受主之間有互相抵消的作用 此時(shí)為此時(shí)為n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 n=ND-NA Ec ED 電離施主 電離受主 Ev EA (2) NDNA Ec ED EA Ev 電離施主 電離受主 此時(shí)為此時(shí)為p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 p=NA- ND (3) NDNA 雜質(zhì)的高度補(bǔ)償雜質(zhì)的高度補(bǔ)償 不能向?qū)Ш蛢r(jià)不能向?qū)Ш蛢r(jià) 帶提供電子和空穴帶提供電子和空穴 4 4. .元元素

10、素半半導(dǎo)導(dǎo)體體中中的的缺缺陷陷 ( (1 1) )空空位位 = Si = Si = Si = = Si Si = = Si = Si = Si = (2) 間隙間隙 Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si 間隙原子缺陷起施主作用間隙原子缺陷起施主作用 ( (1 1) )雜雜質(zhì)質(zhì) = G a - = A s + = G a - = = A s + = G a - = A s + = = G a - = A s + = G a - = 1. 族化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷族化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷 三、三、 化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷 施主雜質(zhì)施主雜質(zhì)

11、 族元素族元素(Se、S、Te) 在在 GaAs 中通常中通常 都替代都替代族元素族元素As原子的晶格位置。原子的晶格位置。 族雜質(zhì)在族雜質(zhì)在GaAs中一般起施主作用，為中一般起施主作用，為 淺施主雜質(zhì)淺施主雜質(zhì)。 受主雜質(zhì)受主雜質(zhì) 族元素（族元素（Zn、Be、Mg、Cd、Hg） 在在GaAs中通常都取代中通常都取代族元素族元素 Ga 原子的晶格位置。原子的晶格位置。 族元素雜質(zhì)在族元素雜質(zhì)在 GaAs 中通常起受主作用，中通常起受主作用， 均為均為淺受主雜質(zhì)淺受主雜質(zhì)。 中性雜質(zhì)中性雜質(zhì) 族元素（族元素（B、Al、In）和）和族元族元 素（素（P、Sb）在）在 GaAs 中通常分別中通常分別

12、 替代替代 Ga 和和 As，由于雜質(zhì)在晶格位，由于雜質(zhì)在晶格位 置上并不改變?cè)械膬r(jià)電子數(shù)，因置上并不改變?cè)械膬r(jià)電子數(shù)，因 此既不給出電子也不俘獲電子而呈此既不給出電子也不俘獲電子而呈 電中性，對(duì)電中性，對(duì) GaAs 的電學(xué)性質(zhì)沒(méi)有的電學(xué)性質(zhì)沒(méi)有 明顯影響。明顯影響。 在禁帶中不引入能級(jí)在禁帶中不引入能級(jí) 兩性雜質(zhì)兩性雜質(zhì) 族元素雜質(zhì)（族元素雜質(zhì)（Si、Ge、Sn、Pb）在）在 GaAs 中的作用比較復(fù)雜，可以取代中的作用比較復(fù)雜，可以取代族族 的的 Ga，也可以取代，也可以取代族的族的 As，甚至可以，甚至可以 同時(shí)取代兩者。同時(shí)取代兩者。 族雜質(zhì)不僅可以起施主作用和受主作用，族雜質(zhì)不僅

13、可以起施主作用和受主作用， 還可以起還可以起中性雜質(zhì)中性雜質(zhì)作用。作用。 在摻在摻 Si 濃度小于濃度小于 11018 cm-3 時(shí)，時(shí)，Si 全部全部 取代取代 Ga 位而起施主作用，這時(shí)摻位而起施主作用，這時(shí)摻 Si 濃度濃度 和電子濃度一致；和電子濃度一致； 例如：例如： 而在摻而在摻 Si 濃度大于濃度大于 1018 cm-3 時(shí)，部分時(shí)，部分 Si 原子開始取代原子開始取代 As 位，出現(xiàn)補(bǔ)償作用，使位，出現(xiàn)補(bǔ)償作用，使 電子濃度逐漸偏低。電子濃度逐漸偏低。 （2）GaAs 晶體中的點(diǎn)缺陷晶體中的點(diǎn)缺陷 當(dāng)當(dāng) T 0 K 時(shí)：時(shí)： 空位空位 VGa、VAs 間隙原子間隙原子 GaI、

14、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，或空位，或 As 原子占據(jù)原子占據(jù) Ga 空空 位，記為位，記為 GaAs和和 AsGa。 化合物晶體中的各類點(diǎn)缺陷可以電離，化合物晶體中的各類點(diǎn)缺陷可以電離， 釋放出電子或空穴，從而影響材料的釋放出電子或空穴，從而影響材料的 電學(xué)性質(zhì)。電學(xué)性質(zhì)。 當(dāng) Ga 的位置被 As 取代后，多出一個(gè)電 子，相當(dāng)于施主； 實(shí)際晶體中，由于各種缺陷形成時(shí)所需實(shí)際晶體中，由于各種缺陷形成時(shí)所需 要的能量不同，他們濃度會(huì)有很大差別。要的能量不同，他們濃度會(huì)有很大差別。 GaAs 曾認(rèn)為曾認(rèn)為VAs、VGa是比較重要的。是比較重要的。 最近發(fā)現(xiàn)，主

15、要缺陷是最近發(fā)現(xiàn)，主要缺陷是VAs、AsI。 VGa、VAs、AsI 是起施主還是起受主作用，是起施主還是起受主作用， 尚有分歧。尚有分歧。 較多的人則采用較多的人則采用 VAs、AsI 為施主、為施主、VGa 是受主的觀點(diǎn)來(lái)解釋各種實(shí)驗(yàn)結(jié)果。是受主的觀點(diǎn)來(lái)解釋各種實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 2.2.族化合物半導(dǎo)體的雜族化合物半導(dǎo)體的雜 質(zhì)和缺陷質(zhì)和缺陷 （2）- 族化合物半導(dǎo)體中的缺陷族化合物半導(dǎo)體中的缺陷 其導(dǎo)電類型主要是由它們自身結(jié)構(gòu)的缺其導(dǎo)電類型主要是由它們自身結(jié)構(gòu)的缺 陷（間隙離子或空格點(diǎn)）所決定，這類陷（間隙離子或空格點(diǎn)）所決定，這類 缺陷在半導(dǎo)體中常起施主或受主作用。缺陷在半導(dǎo)體中常起施主或受主

16、作用。 主要是離子鍵起作用，正負(fù)離子相間排主要是離子鍵起作用，正負(fù)離子相間排 列組成了非常穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，所以外界雜列組成了非常穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，所以外界雜 質(zhì)對(duì)它們性能的影響不顯著。質(zhì)對(duì)它們性能的影響不顯著。 -負(fù)離子 +正離子 -+-+- +-+-+ -+-+- +-+-+ a.負(fù)離負(fù)離 子空位子空位 產(chǎn)產(chǎn) 生生 正正 電電 中中 心，心， 起起 施施 主主 作作 用用 電負(fù)性 小 b.正離正離 子填隙子填隙 產(chǎn)產(chǎn) 生生 正正 電電 中中 心，心， 起起 施施 主主 作作 用用 c.正離正離 子空位子空位 產(chǎn)產(chǎn) 生生 負(fù)負(fù) 電電 中中 心，心， 起起 受受 主主 作作 用用 電負(fù)性 大 d.負(fù)離負(fù)離 子填隙子填隙 產(chǎn)產(chǎn) 生生 負(fù)負(fù) 電電 中中 心，心， 起起 受受 主主 作作 用用 負(fù)離子空位負(fù)離子空位 產(chǎn)生正電中心，起施主作用產(chǎn)生正電中心，起施主作用 正離子填隙正離子填隙 正離子空位正離子空位 負(fù)離子填隙負(fù)離子填隙 產(chǎn)生負(fù)電中心，起受主作用產(chǎn)生負(fù)電中心，起受主作用 Ge Ge Au Ge Ge Ec Ev ED Ec Ev ED EA1 Ec Ev ED EA1 EA2 EA3 深能級(jí)一般作為復(fù)合中心深能級(jí)一