半導體中雜質和缺陷能級講解課件

1、2.1 硅、鍺晶體中的雜質能級2.2 -族化合物半導體的雜質能級2.3 氮化鎵的雜質能級2.4 缺陷和位錯的能級第二章半導體中的雜質和缺陷能級2.1 硅、鍺晶體中的雜質能級2.1.1 替位式雜質 間隙式雜質Si和Ge都具有金鋼石結構，一個原胞含有8個原子。原胞內8個原子的體積與立方原胞體積之比為34%，原胞內存在66%的空隙。金鋼石晶體結構中的四面體間隙位置金鋼石晶體結構中的六角形間隙位置雜質原子進入半導體硅后，只可能以兩種方式存在。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；間隙式雜質原子一般較小，如離子鋰（Li+）。另一種方式是雜質原子取代晶格原子而位于晶格格點處，常稱為

2、替位式雜質。替位式雜質原子通常與被取代的晶格原子大小比較接近而且電子殼層結構也相似。 用單位體積中的雜質原子數(shù)，也就是雜質濃度來定量描述雜質含量多少，雜質濃度的單位為1/cm3SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiPSiSiSiSi 施 主 摻 雜（摻磷）2.1.2 施主雜質、施主能級SiP+SiSiSiSiSiSiSi- 磷替代硅，其效果是形成一個正電中心P+和一個多余的價電子。這個多余的價電子就束縛在正電中心P+的周圍（弱束縛）。+4+4+5+4多余價電子磷原子族元素有5個價電子，其中的四個價電子與周圍的四個硅原子形成共價鍵，還剩余一個電子，同時族原子所在處也多余一個

3、正電荷，稱為正離子中心，所以，一個族原子取代一個硅原子，其效果是形成一個正電中心和一個多余的電子。 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。 多余的電子束縛在正電中心，但這種束縛很弱 很小的能量就可使電子擺脫束縛，成為在晶格中導電的自由電子，而族原子形成一個不能移動的正電中心。 硅、鍺中的族雜質，能夠釋放電子而產生導電電子并形成正電中心，稱為施主雜質或N型雜質，摻有N型雜質的半導體叫N型半導體。施主雜質未電離時是中性的，電離后成為正電中心。帶有分立的施主能級的能帶圖施主能級電離能帶圖被施主雜質束縛的電子的能量狀態(tài)稱為施主能級ED。施主能級位于離導帶低很近的禁帶中雜質原子間的相互作

4、用可忽略，某一種雜質的施主能級是一些具有相同能量的孤立能級。表2-1 硅、鍺晶體中族雜質的電離能(eV)2.1.3 受主雜質 受主能級 受 主 摻 雜（摻硼）SiB-SiSiSiSiSiSiSi+ 硼原子接受一個電子后，成為帶負電的硼離子，稱為負電中心（B- ） 。帶負電的硼離子和帶正電的空穴間有靜電引力作用，這個空穴受到硼離子的束縛，在硼離子附近運動?？昭˙-+4+4+3+4族元素占據了硅原子的位置： 族元素有3個價電子，它與周圍的四個硅原子形成共價鍵，還缺少一個電子，于是在硅晶體的共價鍵中產生了一個空穴，而族原子接受一個電子后所在處形成一個負離子中心，所以，一個族原子取代一個硅原子，其效果

5、是形成一個負電中心和一個空穴空穴束縛在族原子附近，但這種束縛很弱 很小的能量就可使空穴擺脫束縛，成為在晶格中自由運動的導電空穴，而族原子形成一個不能移動的負電中心。 硅、鍺中的族雜質，能夠接受電子而在價帶中產生空穴， 并形成負電中心的雜質，稱為受主雜質或P型雜質，摻有P 型雜質的半導體叫P型半導體。受主雜質未電離時是中性的，電離后成為負電中心。受主能級電離能帶圖帶有分立的受主能級的能帶圖被受主雜質束縛的空穴的能量狀態(tài)稱為受主能級EA。施主能級位于離價帶頂很近的禁帶中雜質原子間的相互作用可忽略，某一種雜質的受主能級是一些具有相同能量的孤立能級。表2-2 硅、鍺晶體中III族雜質的電離能(eV)施

6、主和受主濃度：ND、NA施主：Donor，摻入半導體的雜質原子向半導體中 提供導電的電子，并成為帶正電的離子。如 Si中摻的P 和As受主：Acceptor，摻入半導體的雜質原子向半導體中 提供導電的空穴，并成為帶負電的離子。如 Si中摻的B 總結總結2.1.4 淺能級雜質電離能的簡單計算采用類氫原子模型估算施主和受主雜質的電離能氫原子中電子的能量：n=1時,基態(tài)電子能量n=時，氫原子電離E=0氫原子的電離能晶體內雜質原子束縛的電子： m0mn*, mp*; 0 r0 施主雜質的電離能： Si: Ge:受主雜質的電離能氫原子半徑：施主雜質半徑：基態(tài)下（n=1），氫原子的軌道半徑：作業(yè)：第二章習

7、題7第二章習題8兩題都加上第三小問 請畫出雜質能級的能帶圖2.1.5 雜質的補償作用當半導體中同時存在施主和受主雜質時，半導體是n型還是p型呢？在半導體中，若同時存在著施主和受主雜質，施受主雜質之間有互相抵消的作用，通常稱為雜質的補償作用。NDNANANDNAND1、當 NDNA因為受主能級低于施主能級，所以施主雜質的電子首先躍遷到NA個受主能級上，還有ND-NA個電子在施主能級上，雜質全部電離時，躍遷到導帶中的導電電子的濃度為n= ND-NA。即則有效施主濃度為NAeff ND-NAECEVEDEA2、 當NAND 施主能級上的全部電子躍遷到受主能級上，受主能級上還有NA-ND個空穴，它們可

8、接受價帶上的NA-ND個電子，在價帶中形成的空穴濃度p= NA-ND. 即有效受主濃度為NAeff NA-NDECEVEDEA3、當NAND時， 不能向導帶和價帶提供電子和空穴，稱為雜質的高度補償. 這種材料容易被誤認高純半導體，實際上含雜質很多，性能很差， 不能用采制造半導體器件. 雜質補償作用是制造各種半導體器件的基礎 如能根據需要用擴散或離子注人方法來改變半導體中某一區(qū)域的導電類型，以制成各種器件. 晶體管制造過程中的雜質補償n型Si外延層PN硼磷NN2.1.6 深能級雜質 在半導體硅、鍺中，除、族雜質在禁帶中形成淺能級外，其它各族元素摻入硅、鍺中也會在禁帶中產生能級特點：1、施主雜質能

9、級距離導帶底較遠，受主雜質能級距離價帶頂較遠，這種能級稱為深能級，相應的雜質稱為深能級雜質。2、深能級雜質能夠產生多次電離，每次電離對應有一個能級。有的雜質既能引入施主能級，又能引入受主能級。金在鍺中產生的能級金在鍺中產生4個能級， ED是施主能級，EA1、EA2和EA3是受主能級。中性金原子只有一個價電子，它取代鍺原子后，金的這一價電子可以電離躍遷到導帶，形成施主能級ED。它也可以從價帶接受3個電子，形成三個受主能級。金有5種荷電狀態(tài)，Au+, Au0, Au-, Au-,Au-ECEVEDEA1EiEA2EA30.040.200.150.04金在鍺中的能級2.2 -族化合物半導體的雜質能級

10、1、族元素為受主雜質 鈹、鎂、鋅、鎘取代族原子而處于晶格格點上，引入淺受主能級晶體雜質鈹鎂鋅鎘GaAs0.0300.0300.0240.021GaP0.0560.0540.0640.009GaAs、GaP晶體中受主雜質的電離能2.2 -族化合物半導體的雜質能級GaAs電子濃度和硅雜質濃度的關系2、 族雜質在-族化合物中是兩性摻雜劑 族元素取代族原子則起施主作用； 族元素取代族原子則起受主作用。 導帶中電子濃度隨硅雜質濃度的增加而增加，當硅雜質濃度增加到一定程度時趨于飽和。硅先取代Ga原子起施主作用，隨著硅濃度的增加，硅取代As原子起受主作用。2.2 -族化合物半導體的雜質能級3、族元素取代族原

11、子，引入施主能級 族元素氧、硫、硒、碲比族元素多一個價電子而且容易失去，所以表現(xiàn)為施主雜質。晶體雜質硫硒碲GaAs0.0060.0060.03GaP0.1040.1020.0895GaAs、GaP晶體中受主雜質的電離能（eV)2.2 -族化合物半導體的雜質能級4、摻過渡族元素，制備高電阻率的半絕緣GaAs5、 族的B、Al 取代Ga, 族的P，銻取代As既 不是施主也不是受主雜質。 6、摻族元素 ，一般起受主作用。2.3 氮化鎵的雜質能級目前常用硅作為GaN的n型摻雜，用鎂，鋅作為GaN的p型摻雜。硅作為施主的電離能：0.0120.02eV鎂作為受主的電離能：0.140.21eV2.4 缺陷、

12、位錯能級2.4.1 點缺陷 間隙原子缺陷：只有間隙原子而無原子空位 肖特基缺陷：晶體內形成空位而無間隙原子。 弗倉克耳缺陷：間隙原子和空位成對出現(xiàn)。 硅、鍺材料中空位表現(xiàn)為受主； 間隙原子表現(xiàn)為施主 2.4 缺陷、位錯能級 化合物半導體中，利用成分偏離正常的化學比的現(xiàn)象來控制材料的導電類型 化合物中的替位原子，如Ga取代As的位置起受主作用；As取代Ga的位置起施主作用，這種點缺陷稱為反結構缺陷2.4 缺陷、位錯能級2.4.2 位錯 線位錯（在一條線附近原子的排列偏離了嚴格的周期性） 面位錯（在一個面附近原子的排列偏離了嚴格的周期性） 根據實驗測得： Si中位錯能級在價帶頂上面0.030.09eV處 Ge中的位錯能級在導帶底下面0.20.35eV處 都屬于深受主能級 當位錯密度較高時，由于它和雜質之間的補償作用，能使淺施主雜質的n型Si、Ge中的電子濃度降低，而對p型Si、Ge卻沒有這種影響。本章小結一 重要術語解釋1摻雜 2. 本征半導體3. 非本征半導體 4. 補償型半導體5.多數(shù)載流子 6. 少數(shù)載流子7. n型半導體 8. p型半導體9. 施主雜質，施主能級，施主雜質電離能 10. 受主雜質，受主能級，受主雜質電離能摻雜：通過在半導體材料中摻入雜質以改變半導體材料的載流子濃