第二章半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)終稿

第二章半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)終稿第1頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)2.1.1替位式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì)Si和Ge都具有金鋼石結(jié)構(gòu)，一個(gè)原胞含有8個(gè)原子。原胞內(nèi)8個(gè)原子的體積與立方原胞體積之比為34%，原胞內(nèi)存在66%的空隙。金鋼石晶體結(jié)構(gòu)中的四面體間隙位置金鋼石晶體結(jié)構(gòu)中的六角形間隙位置第2頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)雜質(zhì)原子進(jìn)入半導(dǎo)體硅后，只可能以兩種方式存在。一種方式是雜質(zhì)原子位于晶格原子間的間隙位置，常稱為間隙式雜質(zhì)；間隙式雜質(zhì)原子一般較小，如離子鋰（Li+）。另一種方式是雜質(zhì)原子取代晶格原子而位于晶格格點(diǎn)處，常稱為替位式雜質(zhì)。替位式雜質(zhì)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(jié)構(gòu)也相似。用單位體積中的雜質(zhì)原子數(shù)，也就是雜質(zhì)濃度來(lái)定量描述雜質(zhì)含量多少，雜質(zhì)濃度的單位為1/cm3SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiPSiSiSiSi第3頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)

施主摻雜（摻磷）2.1.2施主雜質(zhì)、施主能級(jí)SiP+SiSiSiSiSiSiSi-

磷替代硅，其效果是形成一個(gè)正電中心P+和一個(gè)多余的價(jià)電子。這個(gè)多余的價(jià)電子就束縛在正電中心P+的周?chē)ㄈ跏`）。第4頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期三+4+4+5+4多余價(jià)電子磷原子Ⅴ族元素有5個(gè)價(jià)電子，其中的四個(gè)價(jià)電子與周?chē)乃膫€(gè)硅原子形成共價(jià)鍵，還剩余一個(gè)電子，同時(shí)Ⅴ族原子所在處也多余一個(gè)正電荷，稱為正離子中心，所以，一個(gè)Ⅴ族原子取代一個(gè)硅原子，其效果是形成一個(gè)正電中心和一個(gè)多余的電子。電子脫離雜質(zhì)原子的束縛成為導(dǎo)電電子的過(guò)程稱為雜質(zhì)電離。第5頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)2.1.2施主雜質(zhì)、施主能級(jí)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(dǎo)電的自由電子，而Ⅴ族原子形成一個(gè)不能移動(dòng)的正電中心。硅、鍺中的Ⅴ族雜質(zhì)，能夠釋放電子而產(chǎn)生導(dǎo)電電子并形成正電中心，稱為施主雜質(zhì)或N型雜質(zhì)，摻有N型雜質(zhì)的半導(dǎo)體叫N型半導(dǎo)體。施主雜質(zhì)未電離時(shí)是中性的，電離后成為正電中心。第6頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)帶有分立的施主能級(jí)的能帶圖施主能級(jí)電離能帶圖第7頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期三被施主雜質(zhì)束縛的電子的能量狀態(tài)稱為施主能級(jí)ED。施主能級(jí)位于離導(dǎo)帶低很近的禁帶中雜質(zhì)原子間的相互作用可忽略，某一種雜質(zhì)的施主能級(jí)是一些具有相同能量的孤立能級(jí)。2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)表2-1硅、鍺晶體中Ⅴ族雜質(zhì)的電離能(eV)第8頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.1.3受主雜質(zhì)受主能級(jí)2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)

受主摻雜（摻硼）SiB-SiSiSiSiSiSiSi+

硼原子接受一個(gè)電子后，成為帶負(fù)電的硼離子，稱為負(fù)電中心（B-）。帶負(fù)電的硼離子和帶正電的空穴間有靜電引力作用，這個(gè)空穴受到硼離子的束縛，在硼離子附近運(yùn)動(dòng)。第9頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期三空穴B-+4+4+3+4Ⅲ族元素占據(jù)了硅原子的位置：Ⅲ族元素有3個(gè)價(jià)電子，它與周?chē)乃膫€(gè)硅原子形成共價(jià)鍵，還缺少一個(gè)電子，于是在硅晶體的共價(jià)鍵中產(chǎn)生了一個(gè)空穴，而Ⅲ族原子接受一個(gè)電子后所在處形成一個(gè)負(fù)離子中心，所以，一個(gè)Ⅲ族原子取代一個(gè)硅原子，其效果是形成一個(gè)負(fù)電中心和一個(gè)空穴第10頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)2.1.3受主雜質(zhì)、受主能級(jí)

空穴束縛在Ⅲ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(yùn)動(dòng)的導(dǎo)電空穴，而Ⅲ族原子形成一個(gè)不能移動(dòng)的負(fù)電中心。硅、鍺中的Ⅲ族雜質(zhì)，能夠接受電子而在價(jià)帶中產(chǎn)生空穴，并形成負(fù)電中心的雜質(zhì)，稱為受主雜質(zhì)或P型雜質(zhì)，摻有P型雜質(zhì)的半導(dǎo)體叫P型半導(dǎo)體。受主雜質(zhì)未電離時(shí)是中性的，電離后成為負(fù)電中心。第11頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)受主能級(jí)電離能帶圖帶有分立的受主能級(jí)的能帶圖第12頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期三被受主雜質(zhì)束縛的空穴的能量狀態(tài)稱為受主能級(jí)EA。施主能級(jí)位于離價(jià)帶頂很近的禁帶中雜質(zhì)原子間的相互作用可忽略，某一種雜質(zhì)的受主能級(jí)是一些具有相同能量的孤立能級(jí)。2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)表2-2硅、鍺晶體中III族雜質(zhì)的電離能(eV)第13頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期三施主和受主濃度：ND、NA施主：Donor，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，并成為帶正電的離子。如Si中摻的P和As受主：Acceptor，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的空穴，并成為帶負(fù)電的離子。如Si中摻的B總結(jié)第14頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期三總結(jié)

第15頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)2.1.4淺能級(jí)雜質(zhì)電離能的簡(jiǎn)單計(jì)算采用類(lèi)氫原子模型估算施主和受主雜質(zhì)的電離能氫原子中電子的能量：n=1時(shí),基態(tài)電子能量n=時(shí)，氫原子電離E=0氫原子的電離能第16頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)晶體內(nèi)雜質(zhì)原子束縛的電子：m0mn*,mp*;0r0

施主雜質(zhì)的電離能：Si:Ge:受主雜質(zhì)的電離能第17頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)氫原子半徑：施主雜質(zhì)半徑：基態(tài)下（n=1），氫原子的軌道半徑：作業(yè)：第二章習(xí)題7第二章習(xí)題8兩題都加上第三小問(wèn)③請(qǐng)畫(huà)出雜質(zhì)能級(jí)的能帶圖第18頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)2.1.5雜質(zhì)的補(bǔ)償作用當(dāng)半導(dǎo)體中同時(shí)存在施主和受主雜質(zhì)時(shí)，半導(dǎo)體是n型還是p型呢？在半導(dǎo)體中，若同時(shí)存在著施主和受主雜質(zhì)，施受主雜質(zhì)之間有互相抵消的作用，通常稱為雜質(zhì)的補(bǔ)償作用。ND>>NANA>>NDNA~ND~第19頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1、當(dāng)ND>>NA2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)因?yàn)槭苤髂芗?jí)低于施主能級(jí)，所以施主雜質(zhì)的電子首先躍遷到NA個(gè)受主能級(jí)上，還有ND-NA個(gè)電子在施主能級(jí)上，雜質(zhì)全部電離時(shí)，躍遷到導(dǎo)帶中的導(dǎo)電電子的濃度為n=ND-NA。即則有效施主濃度為NAeff≈ND-NAECEVEDEA第20頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)2、當(dāng)NA>>ND施主能級(jí)上的全部電子躍遷到受主能級(jí)上，受主能級(jí)上還有NA-ND個(gè)空穴，它們可接受價(jià)帶上的NA-ND個(gè)電子，在價(jià)帶中形成的空穴濃度p=NA-ND.即有效受主濃度為NAeff≈NA-NDECEVEDEA第21頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3、當(dāng)NAND時(shí)，不能向?qū)Ш蛢r(jià)帶提供電子和空穴，稱為雜質(zhì)的高度補(bǔ)償.這種材料容易被誤認(rèn)高純半導(dǎo)體，實(shí)際上含雜質(zhì)很多，性能很差，不能用采制造半導(dǎo)體器件.2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)第22頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期三雜質(zhì)補(bǔ)償作用是制造各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)

如能根據(jù)需要用擴(kuò)散或離子注人方法來(lái)改變半導(dǎo)體中某一區(qū)域的導(dǎo)電類(lèi)型，以制成各種器件.

晶體管制造過(guò)程中的雜質(zhì)補(bǔ)償n型Si外延層PN硼磷2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)NN第23頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)2.1.6深能級(jí)雜質(zhì)

在半導(dǎo)體硅、鍺中，除Ⅲ、Ⅴ族雜質(zhì)在禁帶中形成淺能級(jí)外，其它各族元素?fù)饺牍?、鍺中也會(huì)在禁帶中產(chǎn)生能級(jí)第24頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)特點(diǎn)：1、施主雜質(zhì)能級(jí)距離導(dǎo)帶底較遠(yuǎn)，受主雜質(zhì)能級(jí)距離價(jià)帶頂較遠(yuǎn)，這種能級(jí)稱為深能級(jí)，相應(yīng)的雜質(zhì)稱為深能級(jí)雜質(zhì)。2、深能級(jí)雜質(zhì)能夠產(chǎn)生多次電離，每次電離對(duì)應(yīng)有一個(gè)能級(jí)。有的雜質(zhì)既能引入施主能級(jí)，又能引入受主能級(jí)。第25頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)第26頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)第27頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)金在鍺中產(chǎn)生的能級(jí)金在鍺中產(chǎn)生4個(gè)能級(jí)，ED是施主能級(jí)，EA1、EA2和EA3是受主能級(jí)。中性金原子只有一個(gè)價(jià)電子，它取代鍺原子后，金的這一價(jià)電子可以電離躍遷到導(dǎo)帶，形成施主能級(jí)ED。它也可以從價(jià)帶接受3個(gè)電子，形成三個(gè)受主能級(jí)。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(jí)第28頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體的雜質(zhì)能級(jí)

1、Ⅱ族元素為受主雜質(zhì)鈹、鎂、鋅、鎘取代Ⅲ族原子而處于晶格格點(diǎn)上，引入淺受主能級(jí)晶體雜質(zhì)鈹鎂鋅鎘GaAs0.0300.0300.0240.021GaP0.0560.0540.0640.009GaAs、GaP晶體中受主雜質(zhì)的電離能第29頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體的雜質(zhì)能級(jí)GaAs電子濃度和硅雜質(zhì)濃度的關(guān)系2、Ⅳ族雜質(zhì)在Ⅲ-Ⅴ族化合物中是兩性摻雜劑

Ⅳ族元素取代Ⅲ族原子則起施主作用；Ⅳ族元素取代Ⅴ族原子則起受主作用。

導(dǎo)帶中電子濃度隨硅雜質(zhì)濃度的增加而增加，當(dāng)硅雜質(zhì)濃度增加到一定程度時(shí)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。第30頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體的雜質(zhì)能級(jí)

3、Ⅵ族元素取代Ⅴ族原子，引入施主能級(jí)

Ⅵ族元素氧、硫、硒、碲比Ⅴ族元素多一個(gè)價(jià)電子而且容易失去，所以表現(xiàn)為施主雜質(zhì)。晶體雜質(zhì)硫硒碲GaAs0.0060.0060.03GaP0.1040.1020.0895GaAs、GaP晶體中受主雜質(zhì)的電離能（eV)第31頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體的雜質(zhì)能級(jí)4、摻過(guò)渡族元素，制備高電阻率的半絕緣GaAs5、Ⅲ族的B、Al取代Ga,Ⅴ族的P，銻取代As既不是施主也不是受主雜質(zhì)。6、摻Ⅰ族元素，一般起受主作用。第32頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.3氮化鎵的雜質(zhì)能級(jí)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：0.012~0.02eV鎂作為受主的電離能：0.14~0.21eV第33頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.3缺陷、位錯(cuò)能級(jí)2.3.1點(diǎn)缺陷

間隙原子缺陷：只有間隙原子而無(wú)原子空位

肖特基缺陷：晶體內(nèi)形成空位而無(wú)間隙原子。弗倉(cāng)克耳缺陷：間隙原子和空位成對(duì)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

第34頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.3缺陷、位錯(cuò)能級(jí)化合物半導(dǎo)體中，利用成分偏離正常的化學(xué)比的現(xiàn)象來(lái)控制材料的導(dǎo)電類(lèi)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(diǎn)缺陷稱為反結(jié)構(gòu)缺陷第35頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.3缺陷、位錯(cuò)能級(jí)2.3.2位錯(cuò)線位錯(cuò)（在一條線附近原子的排列偏離了嚴(yán)格的周期性）面位錯(cuò)（在一個(gè)面附近原子的排列偏離了嚴(yán)格的周期性）根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得：Si中位錯(cuò)能級(jí)在價(jià)帶頂上面0.03~0.09eV處Ge中的位錯(cuò)能級(jí)在導(dǎo)帶底下面0.2~0.35eV處都屬于深受主能級(jí)當(dāng)位錯(cuò)密度較高時(shí)，由于它和雜質(zhì)之間的補(bǔ)償作用，能使淺