半導體物理課件：第二章半導體中雜質和缺陷能級

1、2022/7/181第二章 半導體中雜質和缺陷能級理想半導體：1、原子嚴格地周期性排列，晶體具有完整的晶格結構。2、晶體中無雜質，無缺陷。3、電子在周期場中作共有化運動，形成允帶和禁帶電子能量只能處在允帶中的能級上，禁帶中無能級。由本征激發(fā)提供載流子本征半導體晶體具有完整的（完美的）晶格結構，無任何雜質和缺陷。 2022/7/182第二章 半導體中雜質和缺陷能級實際材料中1、總是有雜質、缺陷，使周期場破壞，在雜質或缺陷周圍引起局部性的量子態(tài)對應的能級常常處在禁帶中，對半導體的性質起著決定性的影響。2、雜質電離提供載流子。 2022/7/183第二章 半導體中雜質和缺陷能級2.1 硅、鍺晶體中的

2、雜質能級2.2 族化合物中的雜質能級2.3 缺陷、位錯能級2022/7/1842.1 硅、鍺晶體中的雜質能級1. 替位式雜質 間隙式雜質一個晶胞中包含有八個硅原子，若近似地把原子看成是半徑為r的圓球，則可以計算出這八個原于占據(jù)晶胞空間的百分數(shù)如下：說明，在金剛石型晶體中一個晶胞內的8個原子只占有晶胞體積的34%，還有66%是空隙2022/7/1852.1 硅、鍺晶體中的雜質能級金剛石型晶體結構中的兩種空隙如圖2-1所示。這些空隙通常稱為間隙位置2022/7/1862.1 硅、鍺晶體中的雜質能級 雜質原子進入半導體硅后，以兩種方式存在一種方式是雜質原子位于晶格原子間的間隙位置，常稱為間隙式雜質（

3、A）另一種方式是雜質原子取代晶格原子而位于晶格點處，常稱為替位式雜質（B）2022/7/1872.1 硅、鍺晶體中的雜質能級 兩種雜質特點：間隙式雜質原子一般比較小，如：Li原子，0.068nm替位式雜質1）雜質原子的大小與被取代的晶格原子的大小比較相近2）價電子殼層結構比較相近如：、族元素單位體積中的雜質原子數(shù)即雜質濃度來定量描述雜質含量的多少，雜質濃度的單位為1/cm3 。2022/7/1882.1 硅、鍺晶體中的雜質能級2. 施主雜質 施主能級 以硅中摻磷P為例：磷原子占據(jù)硅原子的位置。磷原子有五個價電子。其中四個價電子與周圍的四個硅原于形成共價鍵，還剩余一個價電子。這個多余的價電子就束

4、縛在正電中心P的周圍。價電子只要很少能量就可掙脫束縛，成為導電電子在晶格中自由運動。這時磷原子就成為少了一個價電子的磷離子P，它是一個不能移動的正電中心。2022/7/1892.1 硅、鍺晶體中的雜質能級族雜質在硅、鍺中電離時，能夠施放電子而產(chǎn)生導電電子并形成正電中心，稱它們?yōu)槭┲麟s質或n型雜質上述電子脫離雜質原子的束縛成為導電電子的過程稱為雜質電離使個多余的價電子掙脫束縛成為導電電子所需要的能量稱為雜質電離能施主雜質電離后成為不可移動的帶正電的施主離子，同時向導帶提供電子，使半導體成為電子導電的n型半導體。2022/7/18102.1 硅、鍺晶體中的雜質能級施主雜質的電離過程，可以用能帶圖表

5、示如圖2-4所示.當電子得到能量 后，就從施主的束縛態(tài)躍遷到導帶成為導電電子，所以電子被施主雜質束縛時的能量比導帶底 低 。將被施主雜質束縛的電子的能量狀態(tài)稱為施主能級，記為 ，所以施主能級位于離導帶底很近的禁帶中施主雜質電離能分立能級束縛態(tài)離化態(tài)熱激發(fā)、光照等2022/7/18112.1 硅、鍺晶體中的雜質能級硅、鍺晶體中族雜質的電離能2022/7/18122.1 硅、鍺晶體中的雜質能級3. 受主雜質 受主能級 以硅中摻硼B(yǎng)為例：B原子占據(jù)硅原子的位置。磷原子有三個價電子。與周圍的四個硅原于形成共價鍵時還缺一個電子，就從別處奪取價電子，這就在Si形成了一個空穴。這時B原子就成為多了一個價電子

6、的磷離子B，它是一個不能移動的負電中心?？昭ㄊ`在負電中心B的周圍?？昭ㄖ灰苌倌芰烤涂蓲昝撌`，成為導電空穴在晶格中自由運動。2022/7/18132.1 硅、鍺晶體中的雜質能級族雜質在硅、鍺中能夠接受電子而產(chǎn)生導電空穴，并形成負電中心，所以稱它們?yōu)槭苤麟s質或p型雜質。使空穴掙脫束縛成為導電空穴所需要的能量稱為受主雜質電離能。受主雜質電離后成為不可移動的帶負電的受主離子，同時向價帶提供空穴，使半導體成為空穴導電的p型半導體。2022/7/18142.1 硅、鍺晶體中的雜質能級受主雜質的電離過程，可以用能帶圖表示如圖2-6所示.當空穴得到能量后，就從受主的束縛態(tài)躍遷到價帶成為導電空穴，所以電子

7、被受主雜質束縛時的能量比價帶頂 高 。將被受主雜質束縛的空穴的能量狀態(tài)稱為受主能級，記為 ，所以受主能級位于離價帶頂很近的禁帶中受主雜質電離能2022/7/18152.1 硅、鍺晶體中的雜質能級硅、鍺晶體中族雜質的電離能2022/7/18162.1 硅、鍺晶體中的雜質能級按雜質向半導體提供載流子的類型分類n型半導體：以電子導電為主本征半導體p型半導體：以空穴導電為主2022/7/18172.1 硅、鍺晶體中的雜質能級4. 淺能級雜質電離能的簡單計算、族雜質在硅、鍺中的EA 、 ED都很小，即施主能級ED距導帶底EC很近，受主能級EA距價帶頂EV很近，這樣的雜質能級稱為淺能級，相應的雜質就稱為淺

8、能級雜質。 如果Si、Ge中的、族雜質濃度不太高，在包括室溫的相當寬的溫度范圍內，晶格原子熱振動的能量會傳遞給電子，使雜質幾乎全部電離。2022/7/18182.1 硅、鍺晶體中的雜質能級通常情況下半導體中雜質濃度不是特別高，半導體中雜質分布很稀疏，因此不必考慮雜質原子間的相互作用，被雜質原子束縛的電子(空穴)就像單個原子中的電子一樣，處在互相分離、能量相等的雜質能級上而不形成雜質能帶。當雜質濃度很高(稱為重摻雜)時，雜質能級才會交疊，形成雜質能帶。2022/7/18192.1 硅、鍺晶體中的雜質能級類氫模型2022/7/18202.1 硅、鍺晶體中的雜質能級2022/7/18212.1 硅、

9、鍺晶體中的雜質能級5. 雜質的補償作用如果在半導體中既摻入施主雜質，又摻入受主雜質，施主雜質和受主雜質具有相互抵消的作用，稱為雜質的補償作用。從價鍵角度理解：施主周圍有多余的價電子，受主周圍缺少價電子，施主多余的價電子正好填充受主周圍的空缺，使價鍵飽和，這個時候系統(tǒng)的能量降低，處于穩(wěn)定狀態(tài)。2022/7/18222.1 硅、鍺晶體中的雜質能級從能帶角度理解：對于雜質補償?shù)陌雽w，若NDNA： (a) T=0K電子按順序填充能量由低到高的各個能級，由于受主能級EA比施主能級ED低，電子將先填滿受主能級EA，然后再填充施主能級ED，因此施主能級上的電子濃度為ND-NA。(b) 室溫施主能級上的ND

10、-NA個電子就全部被激發(fā)到導帶，這時導帶中的電子濃度n0=ND-NA，為n型半導體。2022/7/18232.1 硅、鍺晶體中的雜質能級當NAND時，將呈現(xiàn)p型半導體的特性，價帶空穴濃度p0=NA-ND通過補償以后半導體中的凈雜質濃度稱為有效雜質濃度。 如果NDNA，稱ND-NA為有效施主濃度； 如果NAND，那么NA-ND稱為有效受主濃度如果半導體中：NDNA，則n0ND-NAND； NAND，則p0NA-ND NA。 2022/7/18242.1 硅、鍺晶體中的雜質能級 半導體器件和集成電路生產(chǎn)中就是利用雜質補償作用，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，通過

11、雜質補償作用就形成了p型區(qū)，而在n型區(qū)與p型區(qū)的交界處就形成了pn結。如果再次摻入比p型區(qū)濃度更高的施主雜質，在二次補償區(qū)域內p型半導體就再次轉化為n型，從而形成雙極型晶體管的n-p-n結構。 2022/7/18252.1 硅、鍺晶體中的雜質能級高度補償：若施主雜質濃度與受主雜質濃度相差不大或二者相等，則不能提供電子或空穴，這種情況稱為雜質的高等補償。這種材料容易被誤認為高純度半導體，實際上含雜質很多，性能很差，一般不能用來制造半導體器件。 2022/7/18262.1 硅、鍺晶體中的雜質能級6. 深能級雜質 非、族雜質在Si、Ge禁帶中也產(chǎn)生能級產(chǎn)生的施主能級ED距導帶底EC較遠，產(chǎn)生的受主

12、能級EA距價帶頂EV較遠，這種雜質能級稱為深能級，對應的雜質稱為深能級雜質。深能級雜質可以多次電離，每一次電離相應有一個能級，有的雜質既引入施主能級又引入受主能級。2022/7/18272.1 硅、鍺晶體中的雜質能級以Ge中摻Au為例：五種帶電狀態(tài)：Au+ Au0 Au- Au2- Au3-ED EA1 EA2 EA3Au0Au+，釋放電子到導帶，ED略小于Eg（共價鍵束縛，電離能很大）EA3EA2EA1（電子間存在庫侖排斥）2022/7/18282.1 硅、鍺晶體中的雜質能級Si、Ge中其它一些深能級雜質引入的深能級也可以類似地做出解釋。 深能級雜質對半導體中載流子濃度和導電類型的影響不像淺

13、能級雜質那樣顯著，其濃度通常也較低，主要起復合中心的作用。采用摻金工藝能夠提高高速半導體器件的工作速度。2022/7/18292.1 硅、鍺晶體中的雜質能級四個基本特點：1) 不容易電離，對載流子濃度影響不大；2) 一般會產(chǎn)生多重能級，甚至既產(chǎn)生施主能級也產(chǎn)生受主能級。3) 能起到復合中心作用，使少數(shù)載流子壽命降低（在第五章詳細討論）。4) 深能級雜質電離后為帶電中心，對載流子起散射作用，使載流子遷移率減少，導電性能下降。2022/7/18302.2 族化合物中的雜質能級雜質在GaAs中的存在形式三種情況： 1）取代砷 2）取代鎵 3）填隙2022/7/18312.2 族化合物中的雜質能級施主

14、雜質周期表中的族元素(Se、S、Te)在GaAs中通常都替代族元素As原子的晶格位置，由于族原子比族原子多一個價電子，因此族雜質在GaAs中一般起施主作用，為淺施主雜質。2022/7/18322.2 族化合物中的雜質能級受主雜質族元素（Zn、Be、Mg、Cd、Hg）在GaAs中通常都取代族元素Ga原子的晶格位置，由于族原子比族原子少一個價電子，因此族元素雜質在GaAs中通常起受主作用，均為淺受主。2022/7/18332.2 族化合物中的雜質能級兩性雜質族元素雜質（Si、Ge、Sn、Pb）在GaAs中的作用比較復雜，可以取代族的Ga，也可以取代族的As，甚至可以同時取代兩者，因此族雜質不僅可以

15、起施主作用還可以起受主作用。如Si在GaAs中引入的施主能級和受主能級分別在導帶以下0.006eV和價帶以上0.03eV處。2022/7/18342.2 族化合物中的雜質能級 摻Si的GaAs一般表現(xiàn)為n型。這是因為摻入的Si大部分占據(jù)Ga的位置。 在Si的濃度小于1018cm3,電子濃度大致與Si的濃度相等。但當Si的濃度更高時，電子濃度低于Si的濃度，且電子濃度有飽和的傾向。這說明有相當一部分硅占據(jù)了As的位置而起受主作用。而出現(xiàn)了雜質的補償作用。Ge和Sn在GaAs中也主要起施主作用，常用作n型材料的摻雜劑雜質的雙性行為2022/7/18352.2 族化合物中的雜質能級中性雜質族元素（B

16、、Al、In）和族元素（P、Sb）在GaAs中通常分別替代Ga和As，由于雜質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而呈電中性，對GaAs的電學性質沒有明顯影響。2022/7/18362.2 族化合物中的雜質能級等電子陷阱在某些化合物半導體中，例如GaP中摻入V族元素N或Bi，N或Bi將取代P并在禁帶中產(chǎn)生能級。這個能級稱為等電子陷阱。這種效應稱為等電子雜質效應。等電子雜質的特征與本征元素同族但不同原子序數(shù)以替位形式存在于晶體中，基本上是電中性的。2022/7/18372.2 族化合物中的雜質能級這類雜質一般不能提供電子或空穴，但在一定條件下，可以收容一個電子或一個空

17、穴，作為電子陷阱或空穴陷阱起作用，通常稱之為等電子陷阱。 GaP中的NN在占據(jù)P的位置后，不會產(chǎn)生長程作用的庫侖勢，但N和P的負電性有明顯的差異(分別為3.0和2.1)，因此N有較強的獲得電子的傾向?；蛘邚牧硪唤嵌日f，由于N和P電子結構的差異，在N中心處存在對電子的短程作用勢。結果可以形成電子的束縛態(tài)(電子陷阱)。在GaP中，N能級在導帶以下約10meV。顯然這種雜質不是施主，也不是典型的受主，但它能收容一個電子(起受主作用）。2022/7/18382.2 族化合物中的雜質能級是否周期表中同族元素均能形成等電子陷阱呢？只有當摻入原子與基質晶體原子在電負性、共價半徑方面有較大差別時，才能形成等電

18、子陷阱。一般說，同族元素原子序數(shù)越小，電負性越大，共價半徑越小。等電子雜質電負性(即小原子序數(shù))大于基質晶體原子的電負性時，取代后，它便能俘獲電子成為負電中心（電子陷阱）。反之，俘獲空穴成為正電中心（空穴陷阱）。 存在形式 替位式（等電子雜質） 復合體，如 Zn-O（等電子絡合物）2022/7/18392.2 族化合物中的雜質能級束縛激子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。束縛激子在由間接禁帶半導體材料制造的發(fā)光器件中起主要作用。2022/7/18402.2 族化合物中的雜質能級2022/7/18412.2 族化合物中的雜質能級2022/7/18422.3 缺陷、位錯能級1. 點缺陷點缺陷的種類：弗侖克耳缺陷：原子空位和間隙原子同時存在肖特基缺陷：晶體中只有晶格原子空位反肖特基缺陷：只有間隙原子而無原子空位點缺陷（熱缺陷）特點 ：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）。淬火后可以“凍結”高溫下形成的缺陷。退火后可以消除大部分缺陷。2022/7/18432.3 缺陷、位錯能級點缺陷對半導體性質的影響： 1）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。2）熱缺陷能級大多為深能級