半導(dǎo)體物理-第二章-2012.

1、第二章 半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷n一定溫度下，價(jià)帶頂附近的電子受激躍遷到導(dǎo)帶底附近，此時(shí)導(dǎo)帶底電子和價(jià)帶中剩余的大量電子都處于半滿帶當(dāng)中，在外電場的作用下，它們都要參與導(dǎo)電。n對(duì)于價(jià)帶中電子躍遷出現(xiàn)空態(tài)后所剩余的大量電子的導(dǎo)電作用，可以等效為少量空穴的導(dǎo)電作用。n空穴具有以下的特點(diǎn)：(1)帶有與電子電荷量相等但符號(hào)相反的+q電荷；(2)空穴的濃度就是價(jià)帶頂附近空態(tài)的濃度；(3)空穴的共有化運(yùn)動(dòng)速度就是價(jià)帶頂附近空態(tài)中電子的共有化運(yùn)動(dòng)速度；(4)空穴的有效質(zhì)量是一個(gè)正常數(shù)mp* ，它與價(jià)帶頂附近空態(tài)的電子有效質(zhì)量mn*大小相等，符號(hào)相反，即mp*mn* n本征半導(dǎo)體的導(dǎo)帶電子參與導(dǎo)電，同時(shí)價(jià)帶空穴也

2、參與導(dǎo)電，存在著兩種荷載電流的粒子，統(tǒng)稱為載流子載流子。理想半導(dǎo)體理想半導(dǎo)體：1、原子嚴(yán)格周期性排列，具有完整的晶格、原子嚴(yán)格周期性排列，具有完整的晶格 結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。2、晶體中無雜質(zhì)，無缺陷。、晶體中無雜質(zhì)，無缺陷。3、電子在周期場中作共有化運(yùn)動(dòng)，形成允帶和禁帶、電子在周期場中作共有化運(yùn)動(dòng)，形成允帶和禁帶電電子能量只能處在允帶中的能級(jí)上，禁帶中無能級(jí)。子能量只能處在允帶中的能級(jí)上，禁帶中無能級(jí)。本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體晶體具有完整的（完美的）晶格結(jié)構(gòu)，晶體具有完整的（完美的）晶格結(jié)構(gòu)，無任何雜質(zhì)和缺陷。由本征激發(fā)提供載流子。無任何雜質(zhì)和缺陷。由本征激發(fā)提供載流子。實(shí)際半導(dǎo)體實(shí)際半導(dǎo)體：1、總是有雜

3、質(zhì)、缺陷，使周期場破壞，在雜質(zhì)或缺陷周圍、總是有雜質(zhì)、缺陷，使周期場破壞，在雜質(zhì)或缺陷周圍引起局部性的量子態(tài)引起局部性的量子態(tài)對(duì)應(yīng)的能級(jí)常常處在禁帶中，對(duì)應(yīng)的能級(jí)常常處在禁帶中，對(duì)半導(dǎo)體的性質(zhì)起著決定性的影響。對(duì)半導(dǎo)體的性質(zhì)起著決定性的影響。2、雜質(zhì)電離提供載流子。、雜質(zhì)電離提供載流子。 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體主要內(nèi)容主要內(nèi)容 1. 淺能級(jí)雜質(zhì)能級(jí)和雜質(zhì)電離；淺能級(jí)雜質(zhì)能級(jí)和雜質(zhì)電離； 2. 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； 3. 雜質(zhì)補(bǔ)償作用雜質(zhì)補(bǔ)償作用 4. 深能級(jí)雜質(zhì)的特點(diǎn)和作用深能級(jí)雜質(zhì)的特點(diǎn)和作用 1、等電子雜質(zhì)；、等電子雜質(zhì)； 2、族元素起兩性雜質(zhì)作用族元素起兩性雜質(zhì)

4、作用2-1 元素半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí)元素半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí)2-3 缺陷、位錯(cuò)缺陷、位錯(cuò)2-2 化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí)化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí)點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)對(duì)半導(dǎo)體性能的影響點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)對(duì)半導(dǎo)體性能的影響 一個(gè)晶胞中包含有八個(gè)硅原子，若近似地把原子看成是半徑一個(gè)晶胞中包含有八個(gè)硅原子，若近似地把原子看成是半徑為為r的圓球，則可以計(jì)算出這八個(gè)原于占據(jù)晶胞空間的百分的圓球，則可以計(jì)算出這八個(gè)原于占據(jù)晶胞空間的百分?jǐn)?shù)如下：數(shù)如下：n說明，在金剛石型晶體中一個(gè)晶胞內(nèi)的說明，在金剛石型晶體中一個(gè)晶胞內(nèi)的8個(gè)原子只占有晶胞體個(gè)原子只占有晶胞體積的積的34%，還有，還有66%是空隙是空隙331323 =4838

5、4 0.34rarara2-1 元素半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí)元素半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí)雜質(zhì)雜質(zhì)與本體元素不同的其他元素與本體元素不同的其他元素一、雜質(zhì)存在的方式一、雜質(zhì)存在的方式n所以雜質(zhì)進(jìn)入半導(dǎo)體后可以存在于晶格原子之間的間隙位置上，稱為間隙式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì)，間隙式雜質(zhì)原子一般較小。n也可以取代晶格原子而位于格點(diǎn)上，稱為替位式雜質(zhì)替位式雜質(zhì)，替位式雜質(zhì)通常與被取代的晶格原子大小比較接近而且電子殼層結(jié)構(gòu)也相似。 兩種雜質(zhì)特點(diǎn)：n間隙式雜質(zhì)原子一般比較小，如：鋰離子，0.068nmn替位式雜質(zhì)時(shí)：1）雜質(zhì)原子的大小與被取代的晶格原子的大小比較相近2）價(jià)電子殼層結(jié)構(gòu)比較相近如：族元素(2) 替位式替位式雜質(zhì)

6、占據(jù)格點(diǎn)雜質(zhì)占據(jù)格點(diǎn)位置。大小接近、電子位置。大小接近、電子殼層結(jié)構(gòu)相近殼層結(jié)構(gòu)相近Si：r=0.117nmB：r=0.089nmP：r=0.11nmSiSiSiSiSiSiSiPSiLi1. VA族的替位雜質(zhì)族的替位雜質(zhì)在硅在硅Si中摻入中摻入PSiSiSiSiSiSiSiP+Si磷原子替代硅原子后，形成一個(gè)正電中心P和一個(gè)多余的價(jià)電子未電離未電離電離后電離后二、元素半導(dǎo)體的雜質(zhì)二、元素半導(dǎo)體的雜質(zhì)電離時(shí)，電離時(shí)，P原子能夠提供導(dǎo)電電子并形成正電原子能夠提供導(dǎo)電電子并形成正電中心，中心，。施主雜質(zhì)施主雜質(zhì) 施主能級(jí)施主能級(jí)被施主雜質(zhì)束縛的電子被施主雜質(zhì)束縛的電子的能量比導(dǎo)帶底的能量比導(dǎo)帶底E

7、c低，低，稱為稱為，ED。施主雜質(zhì)少，原子間相施主雜質(zhì)少，原子間相互作用可以忽略，施主互作用可以忽略，施主能級(jí)是具有相同能量的能級(jí)是具有相同能量的孤立能級(jí)孤立能級(jí)ED施主濃度：施主濃度：ND （單位為（單位為1/cm3 ）施主電離能施主電離能ED = 弱束縛的電子擺脫雜質(zhì)原子束縛成為晶格中弱束縛的電子擺脫雜質(zhì)原子束縛成為晶格中 自由運(yùn)動(dòng)的電子（導(dǎo)帶中的電子）所需要的自由運(yùn)動(dòng)的電子（導(dǎo)帶中的電子）所需要的 能量能量nED的大小與半導(dǎo)體材料和雜質(zhì)種類有關(guān)，但遠(yuǎn)小于的大小與半導(dǎo)體材料和雜質(zhì)種類有關(guān)，但遠(yuǎn)小于Si和和Ge的的禁帶寬度。禁帶寬度。ECED ED =ECED施主電離能施主電離能EV-束縛態(tài)

8、束縛態(tài)離化態(tài)離化態(tài)+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。含有施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體，其導(dǎo)電的載流子主要是電子含有施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體，其導(dǎo)電的載流子主要是電子N型型半導(dǎo)體，或電子型半導(dǎo)體半導(dǎo)體，或電子型半導(dǎo)體晶晶體體雜質(zhì)雜質(zhì)PAsSbSi0.0440.0490.039Ge0.0126 0.0127 0.0096Si中摻入施主雜質(zhì)后，通過雜質(zhì)電離增加了導(dǎo)電電子數(shù)量從而中摻入施主雜質(zhì)后，通過雜質(zhì)電離增加了導(dǎo)電電子數(shù)量從而增強(qiáng)了半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。增強(qiáng)了半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。在在Si中摻入中摻入BB具有得到電子的性質(zhì)，這類雜質(zhì)稱為具有得到電子的性質(zhì)，這類雜質(zhì)稱為受主雜質(zhì)受

9、主雜質(zhì)。受主雜質(zhì)向價(jià)帶提供空穴。受主雜質(zhì)向價(jià)帶提供空穴。2. A族替位雜質(zhì)族替位雜質(zhì)受主雜質(zhì)受主雜質(zhì)B獲得一個(gè)電子變成獲得一個(gè)電子變成負(fù)離子，成為負(fù)電中負(fù)離子，成為負(fù)電中心，周圍產(chǎn)生帶正電心，周圍產(chǎn)生帶正電的空穴。的空穴。BBEA受主濃度：受主濃度：NAVAAEEEEcEvEA(2)受主電離能和受主能級(jí)受主電離能和受主能級(jí)受主電離能受主電離能EA=空穴擺脫受主雜質(zhì)束縛成為導(dǎo)電空穴擺脫受主雜質(zhì)束縛成為導(dǎo)電 空穴所需要的能量空穴所需要的能量-束縛態(tài)束縛態(tài)離化態(tài)離化態(tài)+n不同半導(dǎo)體和不同受主雜質(zhì)其不同半導(dǎo)體和不同受主雜質(zhì)其EA也不相同，但也不相同，但EA通常通常遠(yuǎn)小于遠(yuǎn)小于Si和和Ge禁帶寬度。禁帶

10、寬度。受主雜質(zhì)的電離能小，在受主雜質(zhì)的電離能小，在常溫下基本上為價(jià)帶電離常溫下基本上為價(jià)帶電離的電子所占據(jù)的電子所占據(jù)空穴由空穴由受主能級(jí)向價(jià)帶激發(fā)。受主能級(jí)向價(jià)帶激發(fā)。含有受主雜質(zhì)的半導(dǎo)體，其導(dǎo)電的載流子主要含有受主雜質(zhì)的半導(dǎo)體，其導(dǎo)電的載流子主要是空穴是空穴P型半導(dǎo)體，或空穴型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體，或空穴型半導(dǎo)體。晶晶體體雜質(zhì)雜質(zhì)BAlGaSi0.0450.0570.065Ge0.010.010.011施主和受主濃度：施主和受主濃度：ND、NA施主：施主：Donor，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的電子，并成為帶正電的離導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的電子，并成為帶正電的離子。

11、如子。如Si中摻的中摻的P 和和As 受主：受主：Acceptor，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體提供導(dǎo)電的空穴，并成為帶負(fù)電的離半導(dǎo)體提供導(dǎo)電的空穴，并成為帶負(fù)電的離子。如子。如Si中摻的中摻的B小結(jié)！小結(jié)！等電子雜質(zhì)等電子雜質(zhì)N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體特征：特征：a 施主雜質(zhì)電離，導(dǎo)帶中施主雜質(zhì)電離，導(dǎo)帶中出現(xiàn)施主提供的導(dǎo)電電子出現(xiàn)施主提供的導(dǎo)電電子b 電子濃度電子濃度n 空穴濃度空穴濃度pP 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體特征：特征：a 受主雜質(zhì)電離，價(jià)帶中受主雜質(zhì)電離，價(jià)帶中出現(xiàn)受主提供的導(dǎo)電空穴出現(xiàn)受主提供的導(dǎo)電空穴b空穴濃度空穴濃度p 電子濃度電子濃度n ECEDEVEA-+-+E

12、gN型和型和P型半導(dǎo)體都稱為型半導(dǎo)體都稱為極性半導(dǎo)體極性半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體價(jià)帶空穴數(shù)由受主決定，半導(dǎo)體價(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?？昭槎嘧?，電導(dǎo)電的載流子主要是空穴?？昭槎嘧?，電子為少子。子為少子。N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體導(dǎo)帶電子數(shù)由施主決定，半導(dǎo)體導(dǎo)帶電子數(shù)由施主決定，半導(dǎo)體導(dǎo)電的載流子主要是電子。電子為導(dǎo)電的載流子主要是電子。電子為多子多子，空，空穴為穴為少子少子。多子多子多數(shù)載流子多數(shù)載流子少子少子少數(shù)載流子少數(shù)載流子雜質(zhì)向?qū)Ш蛢r(jià)帶提供電子和空穴的過程（電雜質(zhì)向?qū)Ш蛢r(jià)帶提供電子和空穴的過程（電子從施主能級(jí)向?qū)У能S遷或空穴從受主能級(jí)子從施主能級(jí)向?qū)У能S遷

13、或空穴從受主能級(jí)向價(jià)帶的躍遷）稱為向價(jià)帶的躍遷）稱為雜質(zhì)電離或雜質(zhì)激發(fā)雜質(zhì)電離或雜質(zhì)激發(fā)。具。具有雜質(zhì)激發(fā)的半導(dǎo)體稱為有雜質(zhì)激發(fā)的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體 雜質(zhì)激發(fā)雜質(zhì)激發(fā)3. 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體電子從價(jià)帶直接向?qū)Ъぐl(fā)，成為導(dǎo)帶的自由電子從價(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)稱為電子，這種激發(fā)稱為本征激發(fā)本征激發(fā)。只有本征激發(fā)。只有本征激發(fā)的半導(dǎo)體稱為的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體。本征激發(fā)本征激發(fā)N型和型和P型半導(dǎo)體都是型半導(dǎo)體都是雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體 施主向?qū)峁┑妮d流子施主向?qū)峁┑妮d流子=10161017/cm3 本征載流子濃度本征載流子濃度雜質(zhì)半導(dǎo)體中雜質(zhì)

14、載流子濃度遠(yuǎn)高于雜質(zhì)半導(dǎo)體中雜質(zhì)載流子濃度遠(yuǎn)高于本征載流子濃度本征載流子濃度Si的原子濃度為的原子濃度為10221023/cm3摻入摻入P的濃度的濃度/Si原子的濃度原子的濃度=10-6例如：例如：Si 在室溫下，本征載流子濃度為在室溫下，本征載流子濃度為1010/cm3，上述雜質(zhì)的特點(diǎn)：上述雜質(zhì)的特點(diǎn)：施主雜質(zhì)：施主雜質(zhì)：受主雜質(zhì)：受主雜質(zhì)：淺能級(jí)雜質(zhì)淺能級(jí)雜質(zhì)雜質(zhì)的雙重作用：雜質(zhì)的雙重作用：u 改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電性改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電性u(píng) 決定半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型決定半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型雜質(zhì)能級(jí)在禁帶中的位置雜質(zhì)能級(jí)在禁帶中的位置gDEEgAEE 4. 淺能級(jí)雜質(zhì)電離能的簡單計(jì)算淺能級(jí)雜質(zhì)電離能的簡單計(jì)

15、算+-施主施主-+受主受主淺能級(jí)雜質(zhì)淺能級(jí)雜質(zhì)=雜質(zhì)離子雜質(zhì)離子+束縛電子（空穴）束縛電子（空穴）類氫模型類氫模型222oHohrnmq玻爾原子電子的運(yùn)動(dòng)玻爾原子電子的運(yùn)動(dòng)軌道半徑軌道半徑為：為：n=1為基態(tài)電子的運(yùn)動(dòng)軌跡為基態(tài)電子的運(yùn)動(dòng)軌跡42228onom qEh ne= -氫原子中的電子的電離能為氫原子中的電子的電離能為E0=13.6eV玻爾能級(jí)：玻爾能級(jí)：玻爾原子模型玻爾原子模型類氫模型：類氫模型：計(jì)算束縛電子或空穴運(yùn)動(dòng)軌道計(jì)算束縛電子或空穴運(yùn)動(dòng)軌道半徑及電離能半徑及電離能22*2rohrnmq 運(yùn)動(dòng)軌道半徑：運(yùn)動(dòng)軌道半徑：4*4*022222221188orooroorm qm qm

16、mEEhmhm 電離能：電離能：對(duì)于對(duì)于Si中的中的P原子，剩余電子的運(yùn)動(dòng)半徑原子，剩余電子的運(yùn)動(dòng)半徑約為約為24.4 ：Si: a=5.4剩余電子本質(zhì)上是剩余電子本質(zhì)上是在晶體中運(yùn)動(dòng)在晶體中運(yùn)動(dòng)SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiPSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi4 .24126. 01222qmhroo12)(Sir*0.26eommSi：r=1.17施主能級(jí)靠近導(dǎo)帶底部施主能級(jí)靠近導(dǎo)帶底部100,16,122rrGerSi*000.26,0.12eSieGemmmm=對(duì)于對(duì)于Si、Ge摻摻PEcEvED*021eDo

17、rmEEmeVESiD025. 0,eVEGeD064. 0,估算結(jié)果與實(shí)測值估算結(jié)果與實(shí)測值有相同的數(shù)量級(jí)有相同的數(shù)量級(jí)*021PAormEEm0.04 ASiEeV對(duì)于對(duì)于Si、Ge摻摻B0.01 AGeEeVEcEvEAEcED電離施主電離施主電離受主電離受主Ev5. 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)，施主和受半導(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主之間有互相抵消的作用此時(shí)半導(dǎo)體為此時(shí)半導(dǎo)體為n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 有效施主濃度有效施主濃度n=ND-NAEAEcEDEAEv電離施主電離施主電離受主電離受主(2) NDNA此時(shí)半

18、導(dǎo)體為此時(shí)半導(dǎo)體為p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 有效受主濃度有效受主濃度p=NA- ND(3) NDNA雜質(zhì)的雜質(zhì)的高度補(bǔ)償高度補(bǔ)償：若施主雜質(zhì)濃度與受主雜質(zhì)濃度相差不大或二者相等，則不能提供電子或空穴，這種情況稱為雜質(zhì)的高等補(bǔ)償。這種材料容易被誤認(rèn)為高純度半導(dǎo)體，實(shí)際上含雜質(zhì)很多，性能很差，一般不能用來制造半導(dǎo)體器件。 EcEDEAEv本征激發(fā)產(chǎn)生的導(dǎo)本征激發(fā)產(chǎn)生的導(dǎo)帶電子帶電子本征激發(fā)產(chǎn)生的價(jià)本征激發(fā)產(chǎn)生的價(jià)帶空穴帶空穴 半導(dǎo)體器件和集成電路生產(chǎn)中就是利用雜質(zhì)補(bǔ)償作用，在n型Si外延層上的特定區(qū)域摻入比原先n型外延層濃度更高的受主雜質(zhì)，通過雜質(zhì)補(bǔ)償作用就形成了p型區(qū)，而在n型區(qū)與p型區(qū)的交界處就形成

19、了pn結(jié)。如果再次摻入比p型區(qū)濃度更高的施主雜質(zhì)，在二次補(bǔ)償區(qū)域內(nèi)p型半導(dǎo)體就再次轉(zhuǎn)化為n型，從而形成雙極型晶體管的n-p-n結(jié)構(gòu)。 圖2.16 晶體管制造過程中的雜質(zhì)補(bǔ)償6. 深雜質(zhì)能級(jí)深雜質(zhì)能級(jí)根據(jù)雜質(zhì)能級(jí)在禁帶中的位置，雜質(zhì)分為：根據(jù)雜質(zhì)能級(jí)在禁帶中的位置，雜質(zhì)分為：淺能級(jí)雜質(zhì)淺能級(jí)雜質(zhì)能級(jí)接近導(dǎo)帶底能級(jí)接近導(dǎo)帶底Ec或價(jià)帶頂或價(jià)帶頂Ev，電離能很小電離能很小ECEDEVEAEggDEE gAEE p室溫下，摻雜濃度不很高底情況下，淺能級(jí)雜質(zhì)幾乎可以可以全部電離。五價(jià)元素磷（P）、銻（Sb）在硅、鍺中是淺受主雜質(zhì)，三價(jià)元素硼（B）、鋁（Al）、鎵（Ga）、銦（In）在硅、鍺中為淺受主雜質(zhì)

20、。深能級(jí)雜質(zhì)深能級(jí)雜質(zhì)能級(jí)遠(yuǎn)離導(dǎo)帶能級(jí)遠(yuǎn)離導(dǎo)帶底底Ec或價(jià)帶頂或價(jià)帶頂Ev，電離能較，電離能較大大ECEAEVEDEg例：例：在在Ge中摻中摻Au 可產(chǎn)生可產(chǎn)生3個(gè)受主能級(jí)，個(gè)受主能級(jí)，1個(gè)施主能個(gè)施主能級(jí)級(jí)Au的電子組態(tài)是：的電子組態(tài)是：5s25p65d106s1AuGeGeGeGeAu+Au0Au-Au2-Au3-多次電離，每一次電離相應(yīng)地有一個(gè)能級(jí)既多次電離，每一次電離相應(yīng)地有一個(gè)能級(jí)既能引入施主能級(jí)又能引入受主能級(jí)能引入施主能級(jí)又能引入受主能級(jí)1. Au失去一個(gè)電子失去一個(gè)電子施主施主AuEcEvEDED=Ev+0.04 eVEcEvEDEA1Au2. Au獲得一個(gè)電子獲得一個(gè)電子受主

21、受主EA1= Ev + 0.15eV3.Au獲得第二個(gè)電子獲得第二個(gè)電子EcEvEDEA1Au2EA2= Ec - 0.2eVEA24.Au獲得第三個(gè)電子獲得第三個(gè)電子EcEvEDEA1EA3= Ec - 0.04eVEA2EA3Au3深能級(jí)雜質(zhì)特點(diǎn)深能級(jí)雜質(zhì)特點(diǎn)：n不容易電離，對(duì)載流不容易電離，對(duì)載流子濃度影響不大；子濃度影響不大；n一般會(huì)產(chǎn)生多重能級(jí)，一般會(huì)產(chǎn)生多重能級(jí)，甚至既產(chǎn)生施主能級(jí)甚至既產(chǎn)生施主能級(jí)也產(chǎn)生受主能級(jí)。也產(chǎn)生受主能級(jí)。n能起到復(fù)合中心作用，能起到復(fù)合中心作用，使少數(shù)載流子壽命降使少數(shù)載流子壽命降低。低。EcEvEDEAAu doped Silicon0.35eV0. 5

22、4eV1.12eV2-2 化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí)化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí) 族化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)族化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)理想的理想的GaAs晶格晶格價(jià)鍵結(jié)構(gòu)：價(jià)鍵結(jié)構(gòu)：含有離子鍵成分的含有離子鍵成分的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)Ga-AsGaGaAsGaAs+GaAs雜質(zhì)在砷化鎵中的存在雜質(zhì)在砷化鎵中的存在形式形式 n1）取代砷）取代砷2）取代鎵）取代鎵3）填隙）填隙施主雜質(zhì)施主雜質(zhì)替代替代族元素族元素受主雜質(zhì)受主雜質(zhì)替代替代III族元素族元素兩性雜質(zhì)兩性雜質(zhì)III、族元素族元素等電子雜質(zhì)等電子雜質(zhì)同族原子取代同族原子取代等電子雜質(zhì)等電子雜質(zhì) 等電子雜質(zhì)等電子雜質(zhì)是與基質(zhì)晶體原子具有同數(shù)量是與基質(zhì)晶體

23、原子具有同數(shù)量價(jià)電子的雜質(zhì)原子替代了同族原子后，價(jià)電子的雜質(zhì)原子替代了同族原子后，基本仍是電中性的。但是由于基本仍是電中性的。但是由于共價(jià)半徑共價(jià)半徑和和電負(fù)性電負(fù)性不同，它們能俘獲某種載流子而成不同，它們能俘獲某種載流子而成為帶電中心。帶電中心稱為為帶電中心。帶電中心稱為等電子陷阱等電子陷阱。例如，例如，N取代取代GaP中的中的P而成為負(fù)電中心而成為負(fù)電中心電子陷阱電子陷阱空穴陷阱空穴陷阱n四族元素硅在砷化鎵中會(huì)產(chǎn)生雙性行為，即硅的濃度較低時(shí)主要起施主雜質(zhì)作用，當(dāng)硅的濃度較高時(shí)，一部分硅原子將起到受主雜質(zhì)作用。n這種雙性行為可作如下解釋： 因?yàn)樵诠桦s質(zhì)濃度較高時(shí)，硅原子不僅取代鎵原子起著受主

24、雜質(zhì)的作用，而且硅也取代了一部分V族砷原子而起著受主雜質(zhì)的作用，因而對(duì)于取代族原子鎵的硅施主雜質(zhì)起到補(bǔ)償作用，從而降低了有效施主雜質(zhì)的濃度，電子濃度趨于飽和。 點(diǎn)缺陷：空位、間隙原子點(diǎn)缺陷：空位、間隙原子線缺陷：位錯(cuò)線缺陷：位錯(cuò)面缺陷：層錯(cuò)、晶界面缺陷：層錯(cuò)、晶界SiSiSiSiSiSiSiSiSi1、缺陷的類型、缺陷的類型2-3 缺陷、位錯(cuò)缺陷、位錯(cuò)2.元素半導(dǎo)體中的缺陷元素半導(dǎo)體中的缺陷(1) 空位空位SiSiSiSiSiSiSiSi原子的空位起原子的空位起受主受主作用。作用。(2) 填隙填隙SiSiSiSiSiSiSiSiSiSi間隙原子缺陷起間隙原子缺陷起施主施主作用作用 AsGaAs

25、AsAsAsGaAsGaGaGaAsGaAsGaAs反結(jié)構(gòu)缺陷反結(jié)構(gòu)缺陷GaAs受主受主 AsGa施主施主3. GaAs晶體中的點(diǎn)缺陷晶體中的點(diǎn)缺陷空位空位VGa、VAs VGa受主受主 VAs 施主施主間隙原子間隙原子GaI、AsI GaI施主施主 AsI受主受主e4.族化合物半導(dǎo)體的缺陷族化合物半導(dǎo)體的缺陷族化合物半導(dǎo)體族化合物半導(dǎo)體離子鍵結(jié)構(gòu)離子鍵結(jié)構(gòu)負(fù)離子負(fù)離子正離子正離子+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-a.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+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-

26、電負(fù)性小電負(fù)性小b.正離子填隙正離子填隙產(chǎn)生正電中心，起施主作用產(chǎn)生正電中心，起施主作用+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+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c.正離子空位正離子空位+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-電負(fù)性大產(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d.負(fù)離子填隙負(fù)離子填隙+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-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

27、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，起受主作用點(diǎn)缺陷（熱缺陷）point defects/thermaldefects n點(diǎn)缺陷的種類：弗侖克耳缺陷：原子空位和間隙原子同時(shí)存在原子空位和間隙原子同時(shí)存在肖特基缺陷：晶體中只有晶格原子空位晶體中只有晶格原子空位間隙原子缺陷：只有間隙原子而無原子空位只有間隙原子而無原子空位n點(diǎn)缺陷（熱缺陷）特點(diǎn)點(diǎn)缺陷（熱缺陷）特點(diǎn) ：熱缺陷的數(shù)目隨溫度升高而增加熱缺陷的數(shù)目隨溫度升高而增加熱缺陷中以肖特基缺陷為主（即原子空位為主）。熱缺陷中以肖特基缺陷為主（即原子空位為主）。原因：三種點(diǎn)缺陷中形成肖特基缺陷需要的能量原因

28、：三種點(diǎn)缺陷中形成肖特基缺陷需要的能量最小。最小。淬火后可以淬火后可以“凍結(jié)凍結(jié)”高溫下形成的缺陷。高溫下形成的缺陷。退火后可以消除大部分缺陷。半導(dǎo)體器件生產(chǎn)工藝退火后可以消除大部分缺陷。半導(dǎo)體器件生產(chǎn)工藝中，經(jīng)高溫加工（如擴(kuò)散）后的晶片一般都需要中，經(jīng)高溫加工（如擴(kuò)散）后的晶片一般都需要進(jìn)行退火處理。離子注入形成的缺陷也用退火來進(jìn)行退火處理。離子注入形成的缺陷也用退火來消除。消除。 n點(diǎn)缺陷對(duì)半導(dǎo)體性質(zhì)的影響： 1）缺陷處晶格畸變，周期性勢場被破壞，致使在禁）缺陷處晶格畸變，周期性勢場被破壞，致使在禁帶中產(chǎn)生能級(jí)。帶中產(chǎn)生能級(jí)。2）熱缺陷能級(jí)大多為深能級(jí)，在半導(dǎo)體中起復(fù)合中）熱缺陷能級(jí)大多為

29、深能級(jí)，在半導(dǎo)體中起復(fù)合中心作用，使非平衡載流子濃度和壽命降低。心作用，使非平衡載流子濃度和壽命降低。3）空位缺陷有利于雜質(zhì)擴(kuò)散）空位缺陷有利于雜質(zhì)擴(kuò)散4）對(duì)載流子有散射作用，使載流子遷移率和壽命降）對(duì)載流子有散射作用，使載流子遷移率和壽命降低。低。4、 位錯(cuò)位錯(cuò)n位錯(cuò)形成原因：晶格畸變n位錯(cuò)種類：刃位錯(cuò)（橫位錯(cuò)）和螺位錯(cuò) n導(dǎo)帶底價(jià)帶頂改變分別為：導(dǎo)帶底價(jià)帶頂改變分別為：n禁帶寬度變化為：禁帶寬度變化為：00000()CCCCvvvvgCvVEEEVVEEEVVEV位錯(cuò)n棱位錯(cuò)對(duì)半導(dǎo)體性能的影響： 1）位錯(cuò)線上的懸掛鍵可以接受電子變?yōu)樨?fù)電中心，表現(xiàn)為受）位錯(cuò)線上的懸掛鍵可以接受電子變?yōu)樨?fù)電中心，表現(xiàn)為受主；懸掛鍵上的一個(gè)電子也可以被釋放出來而變?yōu)檎娭?；懸掛鍵上的一個(gè)電子也可以被釋放出來而變?yōu)檎娭行模藭r(shí)表現(xiàn)為施主