半導(dǎo)體物理學(xué)第七劉恩科編著cha3

第2章半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)

Impurityanddefectenergylevelinsemiconductor

劉丹理想半導(dǎo)體：1、原子嚴(yán)格地周期性排列，晶體具有完整的晶格結(jié)構(gòu)。2、晶體中無(wú)雜質(zhì)，無(wú)缺陷。3、電子在周期場(chǎng)中作共有化運(yùn)動(dòng)，形成允帶和禁帶——電子能量只能處在允帶中的能級(jí)上，禁帶中無(wú)能級(jí)。由本征激發(fā)提供載流子本征半導(dǎo)體——晶體具有完整的（完美的）晶格結(jié)構(gòu)，無(wú)任何雜質(zhì)和缺陷。Eg沒有能級(jí)本征半導(dǎo)體（intrinsic）能帶：實(shí)際半導(dǎo)體（extrinsic）：1晶體中晶格位置上的原子在平衡位置振動(dòng)缺陷的出現(xiàn)：點(diǎn)缺陷線缺陷面缺陷空位位錯(cuò)層錯(cuò)3存在與晶體基質(zhì)原子不同的雜質(zhì)原子雜質(zhì)的出現(xiàn)：無(wú)意摻雜源材料和工藝有目的控制材料性質(zhì)有意摻雜2晶格結(jié)構(gòu)并非完整無(wú)缺，存在缺陷雜質(zhì)和缺陷對(duì)能帶結(jié)構(gòu)的影響：周期性勢(shì)場(chǎng)受到破壞在半導(dǎo)體的禁帶中引入能級(jí)影響半導(dǎo)體的電、光性質(zhì)。1硅、鍺中的淺能級(jí)和深能級(jí)雜質(zhì)以及雜質(zhì)能級(jí)，了解淺能級(jí)雜質(zhì)電離能的計(jì)算，了解雜質(zhì)補(bǔ)償作用。2III-V族化合物主要是GaAs中的雜質(zhì)能級(jí)。3了解缺陷、位錯(cuò)能級(jí)。本章主要內(nèi)容：2.1.1替位式雜質(zhì)、間隙式雜質(zhì)替位式雜質(zhì)雜質(zhì)原子的大小與晶體原子相似III、V族元素在硅、鍺中均為替位式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì)雜質(zhì)原子小于晶體原子雜質(zhì)濃度：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)的雜質(zhì)原子數(shù)§2.1Si、Ge晶體中的雜質(zhì)能級(jí)

間隙式原子的半徑一般比較小。1雜質(zhì)存在的方式堿金屬原子在半導(dǎo)體尤其在Si中易擴(kuò)散，引起器件性能的惡化在金剛石型晶體中，一個(gè)晶胞內(nèi)的原子只占晶胞體積的34%，空隙占66%。Li+在硅、鍺、砷化鎵中是間隙式雜質(zhì)。金剛石型晶體結(jié)構(gòu)中的兩種空隙單位體積中的雜質(zhì)原子數(shù)－－雜質(zhì)濃度硅、鍺是Ⅳ

族元素，與Ⅲ、Ⅴ族元素的情況比較相近，它們?cè)诠?、鍺晶體中都是替位式雜質(zhì)。兩種雜質(zhì)特點(diǎn)：間隙式雜質(zhì)：原子一般比較小，如：鋰離子，0.068nm替值式雜質(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：Ⅲ，Ⅴ族元素2.1.2施主雜質(zhì)、施主能級(jí)

Donorimpurityanddonorlevel雜質(zhì)：半導(dǎo)體中存在的與本體元素不同的其它元素。雜質(zhì)出現(xiàn)在半導(dǎo)體中時(shí)，產(chǎn)生的附加勢(shì)場(chǎng)使嚴(yán)格的周期性勢(shì)場(chǎng)遭到破壞，可能在禁帶中引入允許電子具有的能量狀態(tài)（即能級(jí)）。雜質(zhì)能級(jí)位于禁帶之中Ec

Ev雜質(zhì)能級(jí)舉例額：Si中摻迎磷P（Si：P）施主箱（do圖no止r)雜質(zhì)橫施溫主能刪級(jí)：導(dǎo)帶電子電離施主P+束縛掙在正箱電中心附賤近的筐價(jià)電子所偏受到男的束縛力商比共傳價(jià)鍵弱得暢多！施主戀雜質(zhì)V族元鮮素在噴硅、袋鍺中悟電離鎮(zhèn)時(shí)能塵夠釋想放電踩子而艘產(chǎn)生掠導(dǎo)電南電子鉗并形晉成正乏電中養(yǎng)心，胳稱此腔類雜決質(zhì)為施主君雜質(zhì)殲或n型雜并質(zhì)。施主扭電離施主陷雜質(zhì)暑釋放寺電子窗的過櫻程。施主巴能級(jí)被施尖主雜粗質(zhì)束齒縛的芹電子記的能華量狀?yuàn)蕬B(tài)，脖記為ED，施已主電貪離能蹲量為ΔED。n型半你導(dǎo)體依靠劈燕導(dǎo)帶吊電子孔導(dǎo)電擠的半匪導(dǎo)體揉。施主朝雜質(zhì)：束縛貿(mào)在雜憐質(zhì)能屑級(jí)上衫的電輩子被周激發(fā)到導(dǎo)澆帶Ec成為嬌導(dǎo)帶瓶電子劈燕，該念雜質(zhì)餃電離皮后成粗為正電中心（正離鴉子）臨。這忍種雜唐質(zhì)稱指為施主蝴雜質(zhì)。Si、Ge中Ⅴ族雜堵質(zhì)的穿電離毯能△ED（eV）晶體雜咐質(zhì)P耀A稅sSbSi0.架04線4唱0煙.0膜49饞0.艙03偷9Ge0.跌01泰26支0.族01衛(wèi)27叛0.挨00旨96硅、孫鍺在T=倡0棟K時(shí)的Eg為1.錯(cuò)17培0eV和0.鴉74損37eV雜質(zhì)撿電離良能：△ED=EC-ED施主雜質(zhì)束縛態(tài)：雜質(zhì)未電離，中性離化態(tài)：雜質(zhì)電離成為正電中心，釋放電子△ED=EC-EDEgEDECEV2.籮1.朱3受主盲雜質(zhì)可、受填主能孔級(jí)Ac臨ce窮pt抱or冒i委mp禿ur躲it筒y傷an粱d舍ac咳ce愉pt隆or籃l侄ev籌el電離受主價(jià)帶空穴受主含能級(jí)艘：Si中摻卷硼B(yǎng)（Si：B）受主柿雜質(zhì)II款I(lǐng)族元諷素在第硅、午鍺中帽電離看時(shí)能懲夠接懲受電史子而年產(chǎn)生輔導(dǎo)電窩空穴刺并形恩成負(fù)揭電中羊心，套稱此揚(yáng)類雜尤質(zhì)為亞受主性雜質(zhì)礦或p型雜疏質(zhì)。受主賠電離受主鉛雜質(zhì)橋釋放伶空穴怨的過豆程。受主旁能級(jí)被受符主雜箏質(zhì)束般縛的粘空穴戴的能刻量狀住態(tài)，括記為EA。受烤主電懷離能久量為ΔEAp型半溉導(dǎo)體依靠超價(jià)帶喜空穴懲導(dǎo)電林的半貢導(dǎo)體敞。受主電離能：△EA=EA-EVIm爐pu黃ri伙ty噸-d斥op蜜ed季S撓il冷ic虧onEgEA△EAEVEC（淺壩）雜質(zhì)半導(dǎo)體1、n型半鴨導(dǎo)體宗：特征億：a、施毀主雜錫質(zhì)電璃離，導(dǎo)帶傾中出現(xiàn)焰施主提供盼的導(dǎo)精電電子；b、電絡(luò)子濃感度n>空穴刷濃度p2、p型半襯導(dǎo)體：特征：a、受妻主雜猾質(zhì)電儉離，朗價(jià)帶議中出現(xiàn)很受主獻(xiàn)提供尺的空墨穴；b、空硬穴濃怎度p>電子廟濃度nIm以pu蠢ri紋ty拾-d金op舊ed共S誕il不ic窗on上述顏雜質(zhì)紛的特走點(diǎn)：施主常電離件能△ED<<Eg受主慌電離辛能△EA<<Eg雜質(zhì)盈的雙劑重作尊用：改變塘半導(dǎo)嫩體的賢電阻肅率決定仿半導(dǎo)窮體的嶺導(dǎo)電塞類型Im葵pu誓ri迫ty購(gòu)-d對(duì)op濾ed挺S由il窯ic熊on淺能費(fèi)級(jí)雜舅質(zhì)在單義晶生據(jù)長(zhǎng)過耕程中素?fù)饺肜C雜質(zhì)在高蚊溫下肢通過纖雜質(zhì)尺擴(kuò)散鋤的工故藝摻央入雜莫質(zhì)離子貞注入把雜質(zhì)在薄謎膜外加延工轎藝過黑程中統(tǒng)摻入默雜質(zhì)用合袍金工克藝將憑雜質(zhì)敢摻入筆半導(dǎo)跨體中控制窩雜質(zhì)但濃度靠的方腎法Im撐pu務(wù)ri峽ty鐵-d霞o(jì)p抓ed重S逢il獲ic軟on2.翠1.新4淺能攜級(jí)雜仍質(zhì)電殃離能償簡(jiǎn)單訊計(jì)算（1）氫原牌子基態(tài)獄電子的電姐離能氫原塘子電直子滿欄足：解得阻電子扮能量惜：氫原炒子基販態(tài)能左量：氫原扭子的栗電離睜能：故基帶態(tài)電閣子的燒電離告能：Im訴pu岔ri程ty鑄-d鍬op樓ed祖S娘il坑ic選on正、猛負(fù)電恥荷所瞎處介宗質(zhì)的捐介電囑常數(shù)染為：Im買pu怎ri棍ty傭-d逃op笨ed肥S挑il痛ic扔on估算質(zhì)結(jié)果泉與實(shí)糾際測(cè)麥量值攔有相徒同數(shù)蹤蝶量級(jí)Ge：△ED～0.反00專64eVSi榮:△ED～0.容02昏5eVIm劇pu板ri嚼ty轟-d忙op臥ed擊S教il益ic梢on2.盼1.咬5雜質(zhì)釣的補(bǔ)岡償作椅用當(dāng)ND>>黑NA時(shí)n=測(cè)ND-NA≈ND，半繭導(dǎo)體似是n型的當(dāng)ND<<孝NA時(shí)p=綢NA-ND≈NA，半辜導(dǎo)體展是p型的當(dāng)ND≈NA時(shí)補(bǔ)償文半導(dǎo)緩體有效徑雜質(zhì)守濃度補(bǔ)償返后半館導(dǎo)體董中的眉凈雜候質(zhì)濃胡度。2.倦1.盤6深能親級(jí)雜巡壽質(zhì)非Ⅲ、Ⅴ族雜質(zhì)殃在Si、Ge的禁柜帶中餐產(chǎn)生過的施主皺能級(jí)煙遠(yuǎn)離葬導(dǎo)帶奪底，棄受主委能級(jí)枯遠(yuǎn)離這價(jià)帶深頂。南雜質(zhì)競(jìng)電離炒能大滾，能副夠產(chǎn)蟲生多文次電漠離特點(diǎn)多為料替位雪式雜連質(zhì)硅、剪鍺的僅禁帶副中產(chǎn)蓮生的災(zāi)施主辭能級(jí)鵲距離隸導(dǎo)帶狀底、弄受主必能級(jí)選距離最價(jià)帶青頂較聰遠(yuǎn)，療形成頌深能砌級(jí)，晴稱為深能窗級(jí)雜懶質(zhì)。深能蜜級(jí)雜絹質(zhì)能兔夠產(chǎn)酸生多峽次電鞏離，炭每次善電離收均對(duì)廳應(yīng)一武個(gè)能耕級(jí)。（1）淺需能級(jí)箏雜質(zhì)（2）深偷能級(jí)漆雜質(zhì)△ED≮Eg△EA≮Eg△ED△EAEAEDEDEAEcEcEvEv△ED<<Eg△EA<<EgIm院pu劈燕ri拾ty驢-d跪op甩ed惜S牛il憲ic森onEDEA在元農(nóng)素半妙導(dǎo)體鬧中的芬替位墳受主襲和施脈主Im做pu啞ri漆t(yī)y矩-d此op維ed柔S適il目ic蛾on例1：Au（Ⅰ族）盟在Ge中Au在Ge中共顧有五末種可拆能的拆狀態(tài)降：（1）Au+；（2）Au0；（3）Au一；（4）Au二；（5）Au三。Im引pu聽ri叢ty芝-d眼op諸ed穩(wěn)S末il肢ic艦on（1）Au+：Au0–救e郊A債u+Im色pu羨ri騙ty汗-d而op洋ed均S能il室ic臉onEgECEVED(2匠)A墓u0電中幻玉性態(tài)Im通pu蹈ri價(jià)ty稿-d孩op芬ed摩S足il輝ic勺o(hù)n（3）Au一：Au0+舉e吉A倡u一Im并pu喂ri泄ty暫-d墻op擺ed聚S消il早ic云onECEA1EV（4）Au二：Au一+佩e(cuò)羅A喜u二EVIm惹pu豪ri舟ty榜-d射op戀ed隔S豈il絮ic疼onECEA2EA1△E=（5）Au三：Au二+寸e爺A坡u三EC△E=EA3EA2EA1EVIm謊pu終ri崖ty藥-d蝦op必ed冠S蔬il呆ic窯on金是I族元掠素故可刊失去判一個(gè)蜂電子猛，施漲主能冷級(jí)略晚高于醒價(jià)帶簡(jiǎn)頂；也可齒得到頸三個(gè)妨電子把，形胡成穩(wěn)攀定的浙共價(jià)頑鍵結(jié)授構(gòu)。抵但由陜于庫(kù)器侖力液的排介斥作主用，猴后獲滾得電青子的監(jiān)電離圖能大雖于先栗獲得挨電子纏的電辰離能諸。即EA3>EA2>EA1。金在Ge中存糠在ED、EA3、EA2、EA1四個(gè)爬孤立坊能級(jí)糞。2.伸2Ⅲ-造Ⅴ族化合木物中境的雜億質(zhì)能宵級(jí)雜質(zhì)仙在砷洲化鎵壓中的欄存在心形式1）取淚代砷2）取統(tǒng)代鎵3）填猴隙I族元梢素一般群為引術(shù)入受退主能活級(jí)，桃如銀否受主姜能級(jí)豈為（Ev+0性.1離1）ev，（Ev+0防.2咽38）ev；金稈受主共能級(jí)程為（Ev+0奧.0吊9）ev；替羨位式揭銅受爸主能纏級(jí)為怪（Ev+0快.1歷4）ev，（Ev+0場(chǎng).4閉4）ev等II族元蓬素價(jià)電拍子比II酸I族元流素少擋一個(gè)賢，有傳獲得競(jìng)一個(gè)稠電子麥完成紀(jì)共價(jià)扶鍵的錯(cuò)傾向轎。通子常取站代II富I族原蹲子位確于格矛點(diǎn)上對(duì)，表莊現(xiàn)為油受主蠟雜質(zhì)吊。II鳴I，V族元宰素?fù)饺胨⒉皇强坝伤~們本染身形肌成的II移I-觸V族化猴合物答，實(shí)皮驗(yàn)中抱測(cè)不服到雜槽質(zhì)影澇響。絞是電袍中性聚雜質(zhì)馳，在郊禁帶巧中不內(nèi)引入禿能級(jí)巷。等電舅子陷炎阱（1）等炕電子略雜質(zhì)特征之：a、與勤本征柔元素刊同族旋但不擴(kuò)同原嚷子序明數(shù)例：Ga貪P中摻廁入Ⅴ族的N或Bib、以耗替位佳形式霉存在乓于晶殖體中粘，基振本上湯是電巷中性緒的。等電蝴子雜靜質(zhì)（經(jīng)如N）占瘋據(jù)本圍征原色子位脈置（焦如Ga懸P中的P位置競(jìng)）后存在宏著由麻核心捧力引伍起的便短程壓作用鏟力，捎它們拐可以香吸引丟一個(gè)幟導(dǎo)帶泳電子鋼（空阻穴）奇而變室成負(fù)(正）看離子綢，前嗽者就盡是電子眠陷阱，后訊者就原是空穴濤陷阱。NNP1、N在Ga無(wú)P中：NP2、C在Si中：CSi其存落在形犬式可奮以是（1）替蜓位式（2）復(fù)付合體穗，如Zn吹-O在磷粱化鎵織中，Zn原子銷代替Ga原子違位置摧，O原子也代替P原子埋位置杜，當(dāng)睜兩個(gè)裂雜質(zhì)羊原子末處于間相鄰噸晶格殼點(diǎn)時(shí)拍，形希成一爺個(gè)電篩中性膚的Zn健-O絡(luò)合按物等怪電壟子期陷爬阱夜舉隆例束縛晚激子即等皺電子茄陷阱遭俘獲忍一種絮符號(hào)里的載巖流子庫(kù)后，狐又因丟帶電驚中心順的庫(kù)趨侖作約用又肺俘獲唱另一慕種帶趟電符琴號(hào)的麥載流猾子，漆這就左是束縛亡激子。舉例擺：Ga滴As中摻Si（Ⅳ族）Ga：Ⅲ族As：Ⅴ族SiGa受主SiAs施主兩性肝雜質(zhì)高：在化盟合物勺半導(dǎo)合體中鈔，某估種雜粱質(zhì)在王其中筒既可藥以作歸施主劣又可就以作草受，嫁這種務(wù)雜質(zhì)鹿稱為兩性某雜質(zhì)。兩性壇雜質(zhì)IV族元筋素取代II庫(kù)I族起保施主槽雜質(zhì)毯作用隱，取芒代V族則螞起受買主作朵用。蒸雜質(zhì)漆總效梳果與匙摻雜滴濃度茶及摻炕雜時(shí)例的外號(hào)界條四件有垮關(guān)。VI族元養(yǎng)素取代V族原底子，腸表現(xiàn)犬為施礦主雜久質(zhì)，恢引入隆施主修能級(jí)陡。過渡絕族元翠素2.橫4缺陷滑、位畢錯(cuò)能賀級(jí)(d柔ef歷ec止t收l(shuí)e姥ve匆ls高)2.諒4.刷1點(diǎn)缺潮陷po熊in戒t姐de象fe自ct炕s熱缺刪陷th易er匆ma胡l宇de洲fe但ct雖s（由培溫度地決定惹）弗倉(cāng)翠克爾渣缺陷成對(duì)旦出現(xiàn)彼的間悅隙原艇子和獨(dú)空位肖特立基缺塵陷只形勸成空蟻位而聯(lián)沒有良間隙扎原子II證I-渡V族化枯合物醬，成日分偏賣離正閱常化立學(xué)比替位庭原子空位惹易于急間隙衡原子您出現(xiàn)因?yàn)楹瘴恍葜車}有四叼個(gè)不本成對(duì)斃電子精，所柿以空活位表中現(xiàn)出指受主智作用粱；每個(gè)推間隙刃原子齒有四躍個(gè)可榴以失仆去的住電子課，所辮以表鉗現(xiàn)出浴施主序作用仔。Ga養(yǎng)As中的塔鎵空懸位和腫砷空灣位均吼表現(xiàn)耳為受泰主作糊用；離子暑性強(qiáng)雀的化資合物瞞半導(dǎo)喝體（M,后X），集正離嶼子空椒位是塊受主撿，負(fù)聯(lián)離子薄空位微是施額主，摩金屬何原子濱為間柄隙原屆子時(shí)蜻為施亡主，傭非金蛾屬原散子為都間隙約原子煩時(shí)為項(xiàng)受主烤。離子死性弱核的二摔元化愛合物AB，替乳位原鞠子AB是