半導(dǎo)體物理學(xué)第二章半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷

1、1.存存在在方方式式 (1)間間隙隙式式雜質(zhì)位于組成半導(dǎo)體的元素或離子的格點(diǎn)之間的間隙位置。 2.2.缺陷的類型缺陷的類型 ( (1 1) )空空位位和和填填隙隙 = Si = Si = Si = = Si Si = = Si = Si = Si = = Si = Si = Si = = Si = Si = Si = Si = Si = Si = Si = 化合物半導(dǎo)體: A、B 兩種原子組成 ( (2 2) )替替位位原原子子 B A二二、元元素素半半導(dǎo)導(dǎo)體體的的雜雜質(zhì)質(zhì)和和缺缺陷陷 1 1. .A A 族族的的替替位位雜雜質(zhì)質(zhì) P原子中這個多余的電子的運(yùn)動半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原子中這個多余的電子的

2、運(yùn)動半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其余四個電子，所受到的束縛最小，極易擺脫其余四個電子，所受到的束縛最小，極易擺脫束縛成為自由電子。束縛成為自由電子。P原子具有提供電子的能力，稱其為施主雜質(zhì)。原子具有提供電子的能力，稱其為施主雜質(zhì)。對于 Ge 中的 P 原子，剩余電子的運(yùn)動半徑： 85r 共價鍵半徑(指典型的共價鍵或者配位鍵中由該原子的核中心到其外層價電子的距離) ： Si 0.117nm; Ge 0.122nm (自Kittel 書p55)設(shè)施主雜質(zhì)能級為設(shè)施主雜質(zhì)能級為ED施主雜質(zhì)的電離能施主雜質(zhì)的電離能ED=弱束縛的電子擺脫束縛弱束縛的電子擺脫束縛 成為晶格中自由運(yùn)動的成為晶格中自由運(yùn)動的 電子（導(dǎo)帶中的

3、電子）電子（導(dǎo)帶中的電子） 所需要的能量所需要的能量 =ECEDECEDEDEcEvDCDEEE施主能級靠近導(dǎo)帶底部施主能級靠近導(dǎo)帶底部對于Si、Ge摻PED淺能級雜質(zhì)電離能的簡單計(jì)算222200( )( )(1)44nhqrErmr 4440000122222222001013.6(2)888m qm qm qEEEevh nh nh r0（1） 氫原子基態(tài)電子的電離能故基態(tài)電子的電離能：（2）用類氫原子模型估算淺能級雜質(zhì)的電離能淺能級雜質(zhì) = 雜質(zhì)離子 + 束縛電子（空穴）正、負(fù)電荷所處介質(zhì)：r4q) r (Ur02電勢能施主雜質(zhì)的電離能小，在常溫下基本上電離。施主雜質(zhì)的電離能小，在常溫下

4、基本上電離。)3(Emmh8qmE2r00*n22r204*nD施主電離能*12rnSim的 為 ，與雜質(zhì)原子有關(guān) 此簡單的氫原子模此簡單的氫原子模型雖然無法精確地解釋型雖然無法精確地解釋電離能尤其對半導(dǎo)體中電離能尤其對半導(dǎo)體中地深層雜質(zhì)能級地深層雜質(zhì)能級( (即電離即電離能能kTkT) )。但可用它來粗。但可用它來粗略推算淺層雜質(zhì)能級的略推算淺層雜質(zhì)能級的電離能大小。右圖是對電離能大小。右圖是對含不同雜質(zhì)的硅及砷化含不同雜質(zhì)的硅及砷化鎵所推算得的電離能大鎵所推算得的電離能大小?？梢?，單一原子中小?？梢姡瑔我辉又杏锌赡苄纬稍S多能級。有可能形成許多能級。Sb P As Ti C Pt Au O

5、0.0390.0450.0540.210.250.250.160.380.54 0.51AA0.410.29D0.360.3D0.35D0.340.160.0720.0670.0451.12B Al Ga In PdSiS Se Sn Te Si C O0.0060.4D1.12Be Mg Zn Cd Si Cu CrGaAs0.0060.0060.0030.00580.0060.0280.0280.0310.0350.0350.440.63A0.670.140.026（1）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)稱為受主雜質(zhì)。受主雜質(zhì)向價帶提供空穴。受主雜質(zhì)向價帶提供空穴。2.

6、元素半導(dǎo)體中元素半導(dǎo)體中A族替位雜質(zhì)的能級族替位雜質(zhì)的能級B(硼)獲得一個電子變成負(fù)離子，成為負(fù)電中心，周圍產(chǎn)生帶正電的空穴。BBevEevEGeASiA01. 0,04. 0VAAEEEEcEvEA受主能級靠近價帶頂部受主能級靠近價帶頂部(2)受主電離能和受主能級受主電離能和受主能級以摻B為例：)4(Emmh8qmE2r00*p22r204*pA受主電離能受主能級受主能級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帶激發(fā)的電上為價帶激發(fā)的電子所占據(jù)（空穴由子所占據(jù)（空穴由受主能級向價帶激受主能級向價帶激發(fā)）。發(fā)）。雜質(zhì)向?qū)Ш蛢r帶提供電子和空穴雜質(zhì)向?qū)Ш蛢r帶提

7、供電子和空穴的過程（電子從施主能級向?qū)У牡倪^程（電子從施主能級向?qū)У能S遷或空穴從受主能級向價帶的躍躍遷或空穴從受主能級向價帶的躍遷）稱為遷）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)。所。所需要的能量稱為雜質(zhì)的電離能。需要的能量稱為雜質(zhì)的電離能。 電子從價帶直接向?qū)Ъぐl(fā)，成為導(dǎo)電子從價帶直接向?qū)Ъぐl(fā)，成為導(dǎo)帶的自由電子，這種激發(fā)稱為帶的自由電子，這種激發(fā)稱為本征激本征激發(fā)發(fā)，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)體稱為本征本征半導(dǎo)體半導(dǎo)體。摻受主的半導(dǎo)體的價帶空穴數(shù)由受主決摻受主的半導(dǎo)體的價帶空穴數(shù)由受主決定，半導(dǎo)體導(dǎo)電的載流子主要是空穴定，半導(dǎo)體導(dǎo)電的載流子主要是空穴（空穴數(shù)（空

8、穴數(shù)電子數(shù)），對應(yīng)的半導(dǎo)體稱電子數(shù)），對應(yīng)的半導(dǎo)體稱為為P型半導(dǎo)體?？昭槎嘧樱娮訛樯僮?。型半導(dǎo)體?？昭槎嘧樱娮訛樯僮?。 摻施主的半導(dǎo)體的導(dǎo)帶電子數(shù)主要由施主摻施主的半導(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決定，半導(dǎo)體導(dǎo)電的載流子主要是電子（電子數(shù)（電子數(shù)空穴數(shù)），對應(yīng)的半導(dǎo)體稱為空穴數(shù)），對應(yīng)的半導(dǎo)體稱為N型型半導(dǎo)體。稱電子為多數(shù)載流子，簡稱半導(dǎo)體。稱電子為多數(shù)載流子，簡稱多子，空穴為少數(shù)載流子，簡稱少子。多子，空穴為少數(shù)載流子，簡稱少子。 N型和型和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EcED電離施主電離受主Ev3.雜質(zhì)的補(bǔ)償作用雜質(zhì)的補(bǔ)償作用(1

9、)NDNA半導(dǎo)體中同時存在施主和受主雜質(zhì)，施半導(dǎo)體中同時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和受主之間有互相抵消的作用此時半導(dǎo)體為此時半導(dǎo)體為n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 n=ND-NAEcEDEAEv電離施主電離受主(2) NDNA此時半導(dǎo)體為此時半導(dǎo)體為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4 4. .元元素素半半導(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 = 原子的空位起受主作用。 (2) 填隙填隙SiSiSiSiSiSiSiSiSiSi間隙原子缺陷起施主作用間

10、隙原子缺陷起施主作用 ( (1 1) )雜雜質(zhì)質(zhì) 理想的 GaAs 晶格為 = 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) 周期表中的周期表中的族元素族元素(Se、S、Te)在在GaAs中通常都替代中通常都替代族元素族元素As原子的晶格位置，原子的晶格位置，由于由于族原子比族原子比族原子多一個價電子，族原子多一個價電子，因此因此族雜質(zhì)在族雜質(zhì)在GaAs中一般起施主作

11、用，中一般起施主作用，為淺施主雜質(zhì)。為淺施主雜質(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原子的晶原子的晶格位置，由于格位置，由于族原子比族原子比族原子少一個族原子少一個價電子，因此價電子，因此族元素雜質(zhì)在族元素雜質(zhì)在GaAs中通中通常起受主作用，均為淺受主。常起受主作用，均為淺受主。 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，可以取代族的族的Ga，也，也可以取代可以取代族的族的As，甚至可以同時取代兩者，甚至可以同時取代兩者，因此因此

12、族雜質(zhì)不僅可以起施主作用和受主作用，族雜質(zhì)不僅可以起施主作用和受主作用，還可以起中性雜質(zhì)作用。例如，在摻還可以起中性雜質(zhì)作用。例如，在摻Si濃度小濃度小于于11018cm-3時，時，Si全部取代全部取代Ga位而起施主位而起施主作用，這時摻作用，這時摻Si濃度和電子濃度一致；而在摻濃度和電子濃度一致；而在摻Si濃度大于濃度大于1018cm-3時，部分時，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，使電子濃度逐漸偏低。位，出現(xiàn)補(bǔ)償作用，使電子濃度逐漸偏低。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

13、As，由于雜質(zhì)在晶格位置上并不改變原有的價由于雜質(zhì)在晶格位置上并不改變原有的價電子數(shù)，因此既不給出電子也不俘獲電子電子數(shù)，因此既不給出電子也不俘獲電子而呈電中性，對而呈電中性，對GaAs的電學(xué)性質(zhì)沒有明的電學(xué)性質(zhì)沒有明顯影響。顯影響。等電子陷阱等電子陷阱特征：特征：a、與本征元素同族但不同原子序數(shù)、與本征元素同族但不同原子序數(shù) 例：例：GaP中摻入中摻入族的族的N或或Bib、以替位形式存在于晶體中，基本上是電中性的。、以替位形式存在于晶體中，基本上是電中性的。 如如GaAsP中的中的P位置由位置由N占據(jù)占據(jù)，存在著由核心力引起的短存在著由核心力引起的短程作用力，它們可以吸引一個導(dǎo)帶電子（空穴）

14、而變成程作用力，它們可以吸引一個導(dǎo)帶電子（空穴）而變成負(fù)（正）離子，前者就是電子陷阱，后者就是空穴陷阱。負(fù)（正）離子，前者就是電子陷阱，后者就是空穴陷阱。束縛激子束縛激子 等電子陷阱通過短程勢俘獲電子等電子陷阱通過短程勢俘獲電子(或空穴或空穴)之后，成為負(fù)之后，成為負(fù)電（或正電）中心，可以借助長程庫侖作用吸引一個空電（或正電）中心，可以借助長程庫侖作用吸引一個空穴（或電子），于是形成了等電子陷阱上的束縛激子穴（或電子），于是形成了等電子陷阱上的束縛激子.以短程作用束縛電子，構(gòu)成等電子陷阱以短程作用束縛電子，構(gòu)成等電子陷阱.（2）GaAs晶體中的點(diǎn)缺陷晶體中的點(diǎn)缺陷當(dāng)當(dāng)T0K時：時： 空位空位V

15、Ga、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空空位，或位，或As原子占據(jù)原子占據(jù)Ga空位，記為空位，記為GaAs和和AsGa。 -族化合物半導(dǎo)體中的缺陷族化合物半導(dǎo)體中的缺陷 由于由于-族化合物半導(dǎo)體是負(fù)電性差族化合物半導(dǎo)體是負(fù)電性差別較大的元素結(jié)合成的晶體，主要是離子鍵別較大的元素結(jié)合成的晶體，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)，所以外界雜質(zhì)對它們性能的影響不的結(jié)構(gòu)，所以外界雜質(zhì)對它們性能的影響不顯著，半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型更主要的是由它們顯著，半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型更主要的是由它們自身結(jié)構(gòu)的缺陷

16、（間隙離子或空格點(diǎn)）所決自身結(jié)構(gòu)的缺陷（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定，這類缺陷在半導(dǎo)體中常起施主或受主作用。用。 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)性電負(fù)性小小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根據(jù)雜質(zhì)能級在禁帶中的位置，將雜質(zhì)分為： 淺能級雜質(zhì)能級接近導(dǎo)帶底 Ec 或價帶頂 Ev； 深能級雜質(zhì)能級遠(yuǎn)離導(dǎo)帶底 Ec 或價帶頂 Ev。 2.2半導(dǎo)體中的深能級雜質(zhì)半導(dǎo)體中的深能級雜質(zhì)（1）淺能級雜質(zhì)）淺能級雜質(zhì)（2）深能級雜質(zhì)）深能級雜質(zhì)E D EgEA EgE DEAEAE DE DEAEcEcEvEvEDEgEAEgAu的電子組態(tài)是：的電子組態(tài)是：5s25p65d106s11.Au失去一個電子失去一個電子施主施主AuEcEvEDED=Ev+0.04 eV在在Ge中摻中摻Au:EcEvEDEA1Au2. Au獲得一個電子獲得一個電子受主受主EA1= Ev + 0.15eV3.Au獲得第二個