半導體中的雜質和缺陷

1、第二章半導體中雜質和缺陷能級實際應用中的、半導體材料一十岔純凈不含任何雜質原子并不是靜止在具有嚴格周期性 的晶格的格點位置上，而是在其平 衡位置附近振動并不是純凈的，而是含有若干雜質,晶格中的原子嚴格卩在半導體晶格中存在著與組成半按周期排列的導體的元素不同的其他化學元素的 原子晶格結構并不是完整無缺的，而存 在著各種形式的觥陷>雜質：半導體中存在的與本體元素不同的其它元素 缺陷：晶格中的原子周期性排列被破壞a. 點缺陷：空位、間隙原子b. 線缺陷：位錯c. 面缺陷：層錯雜質和缺陷對半導體的物理性能和化學性能會 產生決定性的影響。雜質和缺陷出現在半導體中時,產生的附加勢場使嚴格的周期性勢場

2、遭到破壞。雜質能級位于禁帶之中Ec雜質能級Ev§2.1 Si、Ge晶體中的雜質能級間隙式雜質：雜質原子位于晶格原子的間隙位間隙式雜質原子一般比 僉小替位式雜質：雜質原子 取代晶格原子位于晶格 皆處替位式雜質原子的大 小與被取代的晶格原子 的大小比較相近，價電 子殼層結構相近。雜質濃度：單位體積中的雜質原子數施主雜質和施主能級：施主雜質：能夠施放電子而產生導電電子并形成正電中心硅中摻入磷(P)為例，研究 V族元素雜質的作用。當一個 磷原子占據了硅原子的位置， 如圖所示，磷原子有五個價電 子，其中四個價電子與周圍的 四個硅原子形成共價鍵，還剩 余一個價電子。磷原子成為一 個帶肴一個正電荷

3、的磷離子(P+),稱為正電中心磷離子I 其效果相當于形成了個正電 中心和一個多余的電子。多余的電子束縛在正電中心周圍，但這種束縛作用比共價鍵 的束縛作用弱得多，只要很小的能量就可以使多余電子掙脫 束縛，成為自由電子在晶格中運動，起到導電的作用。這時 磷原子就成了一個少了一個價電子的磷離子，它是一個不能 移動的正電中心。多余電子脫離雜質原子成為導電電子的過程稱為頁電J O 使這個多余電子掙脫棗縛成為導電電子所需要的能量稱為 質電離能,用AE。表示。實驗測得，V族元素原子在硅、錯中的電離能很?。炊嘤?電子很容易掙脫原子的束縛成為導電電子），在硅中電離能 約為0.04M）.05eV,在錯中電離能約

4、為0.01 eV,比硅、錯的禁 帶寬度小得多。1施主雜質/N型雜質:V族元素雜質在硅、錯中電離時，能夠施放電子而 產生昱電電壬并形成正電中心。施放電子的過程稱為施主電離。施主雜質在未電離時是中性的，稱為束? 或中性態(tài), 電離后成為正電中心，稱為離化態(tài)。電子型半導體/N型半導體；丿純凈半導體中摻入施主雜質后，施主雜質電離，使導帶中 的導電電子增多（電子密度大于空穴密度），增強了半導 體的導電能力，成為主要依靠電子導電的半導體材料。1木木爪Ed X <TEgEv電子得到能量AEd后， 就從施主的束縛態(tài)躍遷 到導帶成為導電電子，施王能級用離導帶底Ec為AEd處的短 線段表示,施主能級上的小黑點

5、表示 趙表示被 束縛的電子得到電離能后從施主能級 躍遷到導帶成為導電電子的電離過程。 的朋點表示鯉的電5,旦表示施主雜質電離后帶正電，成為不可移動的正點由心。用Ed表示。由于AEd遠 小于禁帶寬度Eg,所以 施主能級位于離導帶底 很近的禁帶中。歯于n 主雜質相對較少，雜質 原子間的相互作用可以 忽略,所以施主能級可 以看作是一些具有相同 能竝質束縛時的電 子的能量比導帶底Ec低 AEn豫為施主能級/受主雜質和受主能級：Si中摻硼B(yǎng)受主雜質：能夠接受電子而產生導電空穴并形成負電中心Si硅中摻入硼(B)為例，研究in 族元素雜質的作用。當一個硼原 子占據了硅原子的位置，如圖所 示，硼原子有三個價電

6、子，當它 和周圍的四個硅原子形成共價鍵 時，還缺少一個電子，必須從別 處的硅原子中奪取一個價電子， 于是在硅晶體的共價鍵中產生了 一個空穴。硼原子成為一個帶有 一個負電荷的硼離子(B-)，稱 為負電中心硼離子。其效果相當 于形成了一個負電中心和一個多 余的空穴。多余的空穴束縛在負電中心周圍，但這種束縛作用比共價鍵 的束縛作用弱得多，只要很小的能量就可以使多余空穴掙脫 束縛，成為自由空穴在晶格中運動，起到導電的作用。這時 硼原子就成了一個多了一個價電子的硼離子，它是一個不能 移動的負電中心。多余空穴脫離雜質原子成為導電空穴的過程稱為雜質電離。 使這個多余空穴掙脫束縛成為導電空穴所需要的能量稱為雜

7、 質電離能，用AEr表亦<>實驗測得，m族元素原子在硅.錯中的電離能很?。炊嘤嗫?穴很容易掙脫原子的束縛成為導電空穴），在硅中約為 0.0450.065eV,在錯中約為0.01 eVo< 丿.Jr受主雜質健型雜質；m族元素雜質在硅、錯中能接受電子而產生昱蟲空, 并形成負電中心。 一-一d空穴掙脫受主雜質束縛的過程稱為受主電離。受主雜質未電離時是中性的，稱為束縛態(tài)或中性態(tài)。、 /空穴型半導體/P型半導體、/純凈半導體中摻入受主雜質后，受主雜質電離，使價帶中的 導電空穴增多（空穴密度大于電子密度），增強了半導體的 導電能力，成為主要依靠空穴導電的半導體材料。EgE"I

8、 o o o 。o 二T4EvO O o受主能級用離價帶頂E、為AE.、處的短線國詩 縛的空穴。趙表示被束縛的空穴得到翰 能后從受主能級躍遷到價帶成為導電空穴（即價帶頂的電子躍遷到受主能級上填充7 位）的電離過程。價帶中的小圓圈表示進, 價帶中的空穴,薛示受主勰瞬瞬后帶步 電，成為不可移動的負點中心。空穴得到能量AEa后， 就從受主的束縛態(tài)躍遷 到價帶成為導電空穴， 被受主雜質束縛時的空 穴的能量比價帶頂EJ氏 aea,趣內受主能級; 用Ea表示。由于AEa遠 小于禁帶寬度Eg,所以 '受主能級位于價帶頂很 ；近的禁帶中。由于受主雜質相對較少，雜質原 子間的相互作用可以忽 略，所以受主

9、能級可以 i看作是一些具有相同能 覽的菰立能級.in族元素摻入半導體，f受主雜質T在禁帶中引入了V族元素11分別成為沉r'1施主雜質 J1新的能級，分別為/J受主能級：比價帶頂高AEaJ常溫下，雜質都處于離化態(tài)施主能級：比導帶底低受主雜質向價帶提供空穴而成為負電中心/"S施主雜質向導帶提供電子而成為正電中心' )p型半導體N型半導體S./淺能級 很靠近導帶底的施主能級.很靠近價帶頂的受主能級5、雜質的補償作用(A) Nd弘時n型半導體雜質的補償:既摻有施主又摻有受主補償半導體因Ea在Ed之下，Ed上的束縛 電子首先填充Ea上的空位，即 施主與受主先相互“抵消”，剩余的

10、束縛電子再電離到導帶上。=Nd半導體是n型的有效的施主濃度Nd僅NdNa(B) Na>Nd時 p型半導體因Ea在Ed之下, Ed上的束縛電子首 先填充Ea上的空位,即施主與受主先相互“抵消”,剩余的束縛空穴再電離到價帶上。PEv 半導體是P型的有效的受主濃度Na*二Na- Nd (C) nand時雜質的高度補償 6、深能級雜質EcEv(1) 淺能級雜質EdEgAEaEg(2) 深能級雜質E d 卡 EgAEA<tEg深能級的特點: 施主能級離導帶較遠，受主能級離價帶較遠。一種雜質可以引入若干能級，因為會產生多次電離, 有的雜質既能引入施主能級，又能引入受主能級。雜質能級是與雜質原子

11、的殼層結構、雜質原子的大 小、雜質在晶格中的位置等等因素有關，目前沒有 完善的理論加以說明。例Au ( I族)在Ge中Au在Ge中共有五種可能的狀態(tài):(1) Au+；(2) AuO ；(3) Au ；(4) Au二；(5) Au三。 (1) Au+： Au°- e(2) AuOa Au+aed電中性態(tài)VavA3Sl '0onV :_叫（£） (4) Au二：Au +Au 二Ea20.04eV0.15eV (5) Au三：Au二+eA2o.oLve Au三(1)等電子雜質特征：a、與本征元素同族但不同原子序數b、以替位形式存在于晶體中, 上是電中性的。條件：電負性、共

12、價半徑相差較大同族元素原子序數越小，電負性越大，共價半徑越小。等電子雜質電負性大于基質晶體原子的電負時,取代后將成為負電中心；反之，將成為正電中心。原子的電負性是描述化合物分子中組成原子吸引電子傾向強弱的物理量，顯然與原子的電離能、親合能及價態(tài)有關 （2）等電子陷阱等電子雜質（如N）占據本征原子位置（如GaP中的P位置）后，即NPN的共價半徑為0.07nm,電負性為30;P的共價半徑為O.llnm,電負性為21所以氮取代磷后能俘獲電子成為負電中心，它們可以 吸引一個導帶電子而變成負離子，這就是電子陷阱, 相反如果成為正電中心即可吸引一個價帶空穴而變成 正離子這就是空穴陷阱。1、N在GaP中：N

13、P2、C在Si 中：CSi3、O在ZnTe 中:其存在形式可以是(1)替位式(2)復合體，如ZnO 8、束縛激子即等電子陷阱俘獲一種符號的載流子后，又因帶電中心的庫侖作用又俘獲另一種帶電符號的載流子，這就是束縛激子。 9、兩性雜質GaAs 中摻 Si （IV族）Ga： HI族As： V族Si Ga k施主兩徃嘗質Si As k受主兩性雜質：在化合物半導體中，某種雜質在 其中既可以作施主又可以作受 主，這種雜質稱為兩性雜質。§ 2.2 ID-V族化合物中的雜質能級鋁、傢、錮和磷、碑、簣組成的九種化合物化學計量比：1:1晶體結構：閃鋅礦結構替位式雜質間隙式雜質(1) 一族元素，引入受主能

14、級(2) 二族元素，受主能級三、五族元素，一般是電中性雜質，另一種等電 子雜質效應等電子雜質: 特征：a、與本征元素同族但不同原子序數b、以替位形式存在于晶體中，基本 卜縣由悴66條件：電負性、共價半徑站差較大同族元素原子序數越小，電負性越大，共價半 徑越小。1=等電子雜質電負性大于基質晶體原子的電負時，取代后將成為負電中心；反之，將成為正電中心。等電子雜質（如N）占據本征原子位置 （如GaP中的P位置）后，即NPN的共價半徑為0.07nm,電負性為30;P的共價半徑為O.llnm,電負性為21所以氮取代磷后能俘獲電子成為負電中心，它們可以 吸引一個導帶電子而變成負離子，這就是電子陷阱, 相反如果成為正電中心即可吸引一個價帶空穴而變成 正離子這就是空穴陷阱。（4）四族元素，兩性雜質GaAs 中摻 Si （IV族）Ga： HI族As： V族Si Ga k施主兩徃嘗質Si As k受主兩性雜質：在化合物半導體中，某種雜質在 其中既可以作施主又可以作受 主，這種雜質稱為兩性雜質。(5) 六族元素，常取代五族元素，施主雜質過渡族元素除帆產生施主能級，其余均產生 受主能級