第二章 半導體中的雜質(zhì)和缺陷.ppt

1、第二章半導體中的雜質(zhì)和缺陷能級為理想的半導體： 1，原子嚴格周期性排列，晶體具有完整的晶格結構。 2 .晶體中沒有雜質(zhì)，沒有缺陷。 3 .電子在周期場進行共有化運動，與云帶形成禁帶的電子能量只在云帶中的能級，在禁帶中無力。 本征激勵提供的載流子本征半導體晶體具有完整的(完整的)晶格結構，沒有雜質(zhì)或缺陷。 第二章半導體中的雜質(zhì)和缺陷能級，在實際材料中總是有雜質(zhì)、缺陷，破壞周期場，在雜質(zhì)或缺陷周圍引起局部量子態(tài)對應的能級在禁帶，對半導體的性質(zhì)有決定性的影響。 雜質(zhì)能級在禁帶中，Ec Ev、雜質(zhì)能級、雜質(zhì)和缺陷、原子的周期性電位場被破壞，在禁帶中導入能級，決定半導體的物理和化學性質(zhì)，決定2.1硅、鍺

2、結晶中的雜質(zhì)能級， 2.1.1取代型雜質(zhì)間隙式雜質(zhì)之一關于這8個原子在單位單元空間中所占的比例，在金剛石型結晶中，單位單元內(nèi)的8個原子僅占單位單元體積的34%，66%為空隙，為2.1.1取代型雜質(zhì)間隙雜質(zhì)這些空隙一般稱為間隙位置，2.1.1取代型雜質(zhì)間隙雜質(zhì)、雜質(zhì)原子進入半導體硅后，以兩種方式存在，一種在晶格原子之間的間隙位置有雜質(zhì)原子，另一種在晶格點而不是晶格原子，常稱為取代型雜質(zhì)(b ) 所謂的間隙型雜質(zhì)原子通常比較小，例如鋰離子、0.068nm取代型雜質(zhì)：1)雜質(zhì)原子的大小與取代晶格原子的大小比較接近2 )價電子殼層結構比較接近，例如族元素、2.1.2施主雜質(zhì)能級、族雜質(zhì)其中4個價電子與

3、周圍的4個硅形成共價鍵，還剩下1個價電子。 這個雄辯的價電子被限制在正電中心p的周圍。 價電子只要有很少的能量就可以擺脫束縛，當導電性電子在晶格中自由運動時，磷原子成為少了一個價電子的磷離子p，是不能移動的正電中心。 在Si單晶中，v族施主取代雜質(zhì)兩個帶電狀態(tài)的價鍵圖、2.1.2施主雜質(zhì)施主能級， 上述電子從雜質(zhì)原子的束縛變成導電電子的過程稱為雜質(zhì)電離，將多馀的價電子變成導電電子所需要的能量稱為雜質(zhì)電離能施主雜質(zhì)電離后不能移動的帶正電的施主離子，稱為施主電離能： ED=EC-ED、ED=EC-ED、Eg 2.1.2施主雜質(zhì)能級、2.1.2施主雜質(zhì)能級、受施主雜質(zhì)約束的電子能級稱為施主能級，因此

4、施主能級位于接近傳導帶底的禁帶中，Si、Ge中族雜質(zhì)的電離能ED(eV ) 晶體雜質(zhì)pass BSI0. 0440.0490.039 ge0. 01260.01270.00962.1. 2施主雜質(zhì)施主能級、2.1.3受主雜質(zhì)受主能級、族雜質(zhì)在硅、鍺中接受電子而形成導電空穴2.1.3受主雜質(zhì)的受主能級，以在硅中摻雜硼的b為例，b原子占硅原子的位置。 硼原子有三價電子。與周圍的4個硅原子形成共價鍵時，1個電子不足，從其他地方奪取價電子，這在Si上形成空穴。 此時，b原子成為1價電子變多的硼離子b，成為不能移動的負中心。 空穴被限制在正電中心b的周圍。 空穴只要有微小的能量就可以擺脫束縛，導電空穴在

5、晶格中自由運動，在Si單晶中，族受主位雜質(zhì)的兩個帶電狀態(tài)的價鍵，2.1.3受主能級， 從束縛中脫離空穴所需要的能量被稱為受主雜質(zhì)電離而不能移動的負的受主離子，受主電離能： EA=EA-EV、Eg、EA、EA、EV、EC、2.1.3受主雜質(zhì)受主準受主雜質(zhì)的電離過程受主雜質(zhì)約束的空穴能級稱為受主能級，受主能級位于接近價帶頂?shù)慕麕В琒i、Ge中族雜質(zhì)的電離能EA(eV ) 晶體雜質(zhì)balgainsi0. 0450.0570.16ge0. 010.01102.1. 3受主雜質(zhì)受主能級、2.1.4淺能級雜質(zhì)電離能的簡單修正算法、淺能級雜質(zhì)：將電離能小的雜質(zhì)與淺能級雜質(zhì)淺能級是指施主能級接近傳導帶的底部，

6、受主能級接近價格帶的頂部。 室溫下?lián)诫s濃度不太高時，淺能級雜質(zhì)幾乎可以電離。 5價元素磷(p )、銻(Sb )在硅、鍺中是淺的施主雜質(zhì)，3價元素的硼(b )、鋁(Al )、鎵(Ga )、銦(In )在硅、鍺中是淺的受主雜質(zhì)，水2.1.4淺能級雜質(zhì)電離能的簡單修正、2.1.4淺能級雜質(zhì)電離能的簡單修正、類氫模型、2.1.5雜質(zhì)的補償作用、雜質(zhì)補償：當半導體中存在施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)時，在這些半導體器件的制造過程中高度補償：當施主雜質(zhì)濃度與受主雜質(zhì)濃度之差不大，或者兩者相等時，無法供給電子或空位稱為雜質(zhì)的高度補償。 這種材料容易被誤解為高純度半導體，但實際上雜質(zhì)多，性能差，一般不能用于半導體器件的制

7、造。 1、NDNA時： n型半導體由于EA在ED之下，所以ED上的束縛電子首先在EA上的空穴，即施主和受主先相互“抵消”，剩馀的束縛電子電離為導帶。 有效的施主濃度ND*=ND-NA、2.1.5雜質(zhì)的補償作用、Ec、ED有效的受主濃度NA*=NA-ND、2.1.5雜質(zhì)的補償作用、Ec、ED、ED雜質(zhì)電離能大，能夠引起多次電離，(1)淺能級雜質(zhì)、EDEg、EAEg、(2)深能級雜質(zhì)、EDEg EAEg、2.1.6深能級雜質(zhì)，例如在Ge中摻雜了Au Au的電子結構2.1.6深能級雜質(zhì)、EEG Au是電子受體Au0 e Au-，EA1=EV 0.15eV，2.1.6深能級雜質(zhì)ED，EA1，ea 2，

8、4，Au得到第三個電子Au- e Au-，Ec，Ev，ED，EA3=EC0.04eV，2 .二，一般產(chǎn)生多能級三、起到復合中心的作用，可以降低少數(shù)載體的壽命(第5章詳細研究)。 四、深能級雜質(zhì)電離后成為帶電中心，對載氣發(fā)揮散射作用，減少載氣遷移率，降低導電性能。2.2化合物半導體中的雜質(zhì)能級、2.2.1雜質(zhì)在砷化鎵中的存在形態(tài)為4種的情況：1)砷的取代2 )鎵的取代3 )埋入4 )反轉、2.2.1雜質(zhì)在砷化鎵中的存在形態(tài)、等電子雜質(zhì)效應1 )等電子雜質(zhì)的特征：2.2.1加等電子雜質(zhì)效應2 )等電子陷阱等電子雜質(zhì)(例如n )占據(jù)本征原子位置(例如GaP中的p位置)，即，存在核心力產(chǎn)生的短距離作用

9、力，它們將一個傳導帶電子(空穴)吸引為負(。n、NP、2.2.1砷化鎵中雜質(zhì)的存在形態(tài)，激子例：在約束GaP:N NP e NP-(等電子陷阱)后，NPHNPH在等電子陷阱捕獲一個符號的載流子后，又通過帶電中心的庫侖作用捕獲另一個，約束激子， 2.2.1雜質(zhì)在砷化鎵中的存在形態(tài)，兩性雜質(zhì)的例子：在GaAs中摻雜Si (族)、SiGa、受主、SiAs、施主，在化合物半導體中，有的雜質(zhì)在其中能夠制作施主和受主兩者的兩性雜質(zhì)，2.2 四族元素硅在砷化鎵中產(chǎn)生雙重性行為，即硅濃度低時主要發(fā)揮施主雜質(zhì)的作用，硅濃度高時部分硅原子發(fā)揮受主雜質(zhì)的作用。 關于該二重性的行為，在硅雜質(zhì)濃度高的情況下，硅原子不僅

10、代替鎵原子而發(fā)揮施主雜質(zhì)的作用，硅也代替v族砷原子的一部分而發(fā)揮受主雜質(zhì)的作用，因此代替族原子鎵而發(fā)揮硅施主雜質(zhì)的作用2.3半導體中的缺陷位錯能級、2.3.1點缺陷(熱缺陷) point defects/thermaldefects點缺陷的種類： flenk缺陷：原子空穴和間隙原子同時存在的肖特基缺陷：晶體中僅晶格原子空隙原子缺陷：原因： 3種點缺陷中肖特基缺陷退火后可以消除大部分缺陷。 在半導體器件的制造工藝中，高溫加工(例如擴散)的晶片一般需要退火處理。 離子注入引起的缺陷也通過退火消除。 2.3.1點缺陷、點缺陷對半導體性質(zhì)的影響：1)缺陷導致晶格應變、周期電勢場破壞，在禁帶產(chǎn)生能級。 2 )熱缺陷能級多為深能級，在半導體中起復合中心的作用，使非平衡載流子濃度和壽命降低。3 )空穴缺陷有利于雜質(zhì)擴散4 )載氣具有散射作用，降低載氣的遷移率和壽命。 2.3.1點缺陷、2.3.1點缺陷、2.3.2位錯、位錯形成原因：晶格應變位錯的種類：刃位錯(棱位錯)和螺