第二章半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)

第二章半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)第一頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期一§2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)學(xué)習(xí)重點(diǎn)：沈陽工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系

淺能級(jí)雜質(zhì)、深能級(jí)雜質(zhì)雜質(zhì)補(bǔ)償?shù)诙摚捕彭?，編輯?023年，星期一1、雜質(zhì)與雜質(zhì)能級(jí)（1）雜質(zhì)

半導(dǎo)體中存在的與本體元素不同的其它元素。（2）雜質(zhì)來源

無意摻入有意摻入（3）雜質(zhì)在半導(dǎo)體中的分布狀況

替位式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì)

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。第三頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期一（4）雜質(zhì)能級(jí)

雜質(zhì)引起的電子能級(jí)稱為雜質(zhì)能級(jí)。通常位于禁帶之中的雜質(zhì)能級(jí)對(duì)半導(dǎo)體性能有顯著影響。EgECEV雜質(zhì)能級(jí)第四頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期一2、施主能級(jí)

雜質(zhì)電離后能夠施放電子而產(chǎn)生自由電子并形成正電中心（正離子）。這種雜質(zhì)稱為施主雜質(zhì)。以硅為例：在硅單晶中摻入磷（P）等V族元素。電離施主導(dǎo)帶電子硅原子（1）施主雜質(zhì)第五頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期一在Si單晶中，V族施主替位雜質(zhì)的兩種荷電狀態(tài)的價(jià)鍵

(a)電離態(tài)(b)中性施主態(tài)第六頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期一

施主能級(jí)（2）施主電離

施主未電離時(shí)，在飽和共價(jià)鍵外還有一個(gè)電子被施主雜質(zhì)所束縛，該束縛態(tài)所對(duì)應(yīng)的能級(jí)稱為施主能級(jí)。

特征：

①施主雜質(zhì)電離，導(dǎo)帶中出現(xiàn)

施主提供的導(dǎo)電電子；

②電子濃度大于空穴濃度，

即n>p。摻入施主的半導(dǎo)體以電子導(dǎo)電為主，被稱為n型半導(dǎo)體ECEV第七頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期一

施主電離能△ED=EC-EDEgECEV施主能級(jí)ED△ED=EC-EDSi、Ge中V族雜質(zhì)的電離能晶體雜質(zhì)磷P砷As銻Sb硅Si鍺Ge0.0440.01260.0490.01270.0390.0096第八頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期一

施主電離過程示意圖施主雜質(zhì)電離的結(jié)果：導(dǎo)帶中的電子數(shù)增加了，這就是摻施主雜質(zhì)的意義所在。第九頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期一3、受主能級(jí)

束縛在雜質(zhì)能級(jí)上的空穴被激發(fā)到價(jià)帶EV，成為價(jià)帶空穴，該雜質(zhì)電離后成為負(fù)電中心（負(fù)離子）。這種雜質(zhì)稱為受主雜質(zhì)。或定義為：能夠向半導(dǎo)體提供空穴并形成負(fù)電中心的雜質(zhì)。以硅為例：在硅單晶中摻入硼（B）等III族元素。電離受主價(jià)帶空穴硅原子（1）受主雜質(zhì)第十頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期一在Si單晶中，III族受主替位雜質(zhì)的兩種荷電狀態(tài)的價(jià)鍵

(a)電離態(tài)(b)中性受主態(tài)第十一頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期一

受主能級(jí)（2）受主電離

受主雜質(zhì)電離后所接受的電子被束縛在原來的空狀態(tài)上，該束縛態(tài)所對(duì)應(yīng)的能級(jí)稱為受主能級(jí)。

特征：

①受主雜質(zhì)電離，價(jià)帶中出現(xiàn)

受主提供的導(dǎo)電空穴；

②空穴濃度大于電子濃度，

即p>n。

摻入受主雜質(zhì)的半導(dǎo)體以空穴導(dǎo)電為主被稱為p型半導(dǎo)體ECEV第十二頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期一

受主電離能△EA=EA-EVEgECEV受主能級(jí)EASi、Ge中Ⅲ族雜質(zhì)的電離能晶體雜質(zhì)硼B(yǎng)鋁Al銦In硅Si鍺Ge△EA=EA-EV鎵Ga0.0450.0570.0650.1600.010.010.0110.011第十三頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期一

受主電離過程示意圖受主雜質(zhì)電離的結(jié)果：價(jià)帶中的空穴數(shù)增加了，這就是摻受主雜質(zhì)的意義所在。第十四頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期一4、淺能級(jí)雜質(zhì)（1）淺能級(jí)雜質(zhì)的特點(diǎn)一般是替位式雜質(zhì)施主電離能△ED遠(yuǎn)小于禁帶寬度△Eg，通常為V族元素。受主電離能△EA遠(yuǎn)小于禁帶寬度△Eg。通常為III族元素。第十五頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期一（2）淺能級(jí)雜質(zhì)的作用

改變半導(dǎo)體的電阻率；決定半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型。（3）控制雜質(zhì)濃度的方法

在單晶生長(zhǎng)過程中摻入雜質(zhì)在高溫下通過雜質(zhì)擴(kuò)散的工藝摻入雜質(zhì)離子注入雜質(zhì)在薄膜外延工藝過程中摻入雜質(zhì)用合金工藝將雜質(zhì)摻入半導(dǎo)體中第十六頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期一5、淺能級(jí)雜質(zhì)電離能的簡(jiǎn)單計(jì)算氫原子滿足：解得電子能量：氫原子基態(tài)能量：氫原子自由態(tài)能量：故基態(tài)電子的電離能：（1）氫原子基態(tài)電子的電離能n=1,2,3,……第十七頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期一（2）用類氫原子模型估算淺能級(jí)雜質(zhì)的電離能淺能級(jí)雜質(zhì)=雜質(zhì)離子+束縛電子（或空穴）第十八頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期一正、負(fù)電荷所處介質(zhì)的介電常數(shù)為：電勢(shì)能：施主電離能：受主電離能：（mn*和mp*分別為電導(dǎo)有效質(zhì)量）(3)(4)估算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量值有誤差，但數(shù)量級(jí)相同。這種估算有優(yōu)點(diǎn)，也有缺點(diǎn)。Ge：△ED~0.0064eVSi：△ED~0.025eV第十九頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期一6、雜質(zhì)補(bǔ)償

半導(dǎo)體中同時(shí)存在施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)時(shí)，受主雜質(zhì)會(huì)接受施主雜質(zhì)的電子，導(dǎo)致兩者提供載流子的能力相互抵消，這種作用稱為雜質(zhì)補(bǔ)償。在制造半導(dǎo)體器件的過程中，通過采用雜質(zhì)補(bǔ)償?shù)姆椒▉砀淖儼雽?dǎo)體某個(gè)區(qū)域的導(dǎo)電類型或電阻率。高度補(bǔ)償：若施主雜質(zhì)濃度與受主雜質(zhì)濃度相差很小或二者相等，則不能提供電子或空穴，此時(shí)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力與本征半導(dǎo)體相當(dāng)，這種情況稱為雜質(zhì)的高度補(bǔ)償。第二十頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期一ND>NA時(shí)：n型半導(dǎo)體

因EA在ED之下，ED上的束縛電子首先填充EA上的空位，即施主與受主先相互“抵消”，剩余的束縛電子再電離到導(dǎo)帶上。有效施主濃度：ND*=ND-NA第二十一頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期一NA>ND時(shí)：p型半導(dǎo)體

因EA在ED之下，ED上的束縛電子首先填充EA上的空位，即施主與受主先相互“抵消”，剩余的束縛空穴再電離到價(jià)帶上。有效受主濃度：NA*=NA-ND第二十二頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期一NA≌ND時(shí)：雜質(zhì)高度補(bǔ)償ECEDEAEVEg本征激發(fā)的價(jià)帶空穴本征激發(fā)的導(dǎo)帶電子高度補(bǔ)償：若施主雜質(zhì)濃度與受主雜質(zhì)嘗試相差不大或二

者相等，則不能提供電子或空穴，這種情況稱

為雜質(zhì)的高度補(bǔ)償。第二十三頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期一7、深能級(jí)雜質(zhì)EgECEVED△ED

EA△EAEgECEVED△ED

EA△EA

淺能級(jí)雜質(zhì)

深能級(jí)雜質(zhì)△ED<<Eg△EA<<Eg△ED≤Eg△EA≤Eg第二十四頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期一

例1：Au（I族）在Ge中Au在Ge中共有五種可能的狀態(tài)：①Au0②Au+③Au一④Au二;⑤Au三②Au+：Au

0–e→Au+①Au

0：電中性態(tài)③Au一：Au0+e→Au一④Au二：Au一

+e→Au二⑤Au三：Au二

+e→Au三EgECEVED0.04eVEgECEVED0.04eV0.15eVEAEgED0.04eV0.15eVEA10.20eVEA2ECEVEgED0.04eV0.15eVEA1EA2EA3ECEV第二十五頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期一

例2：Au（I族）在Si中ECEVED0.35eVEA0.54eV第二十六頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期一

在化合物半導(dǎo)體中，某種雜質(zhì)在其中既可以作施主又可以作受主，這種雜質(zhì)稱為兩性雜質(zhì)。例如：GaAs中摻Si（IV族）

SiGa

施主

SiAs

受主與元素半導(dǎo)體情況相類似。但I(xiàn)V族元素具有雙性行為，而III-V族雜質(zhì)一般表現(xiàn)為中性。兩性雜質(zhì)§2.2III-V族化合物中的雜質(zhì)能級(jí)第二十七頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期一§2.3缺陷能級(jí)ImperfectionLevel哈