半导体物理第二章.pdf

11第二章 半导体中的杂质和缺陷能级第二章 半导体中的杂质和缺陷能级要求：要求：●●掌握半导体中杂质的作用与杂质能级；掌握半导体中杂质的作用与杂质能级；●●掌握半导体中的缺陷及其影响掌握半导体中的缺陷及其影响重点：重点：浅能级和深能级杂质及其作用，杂质的补偿作用浅能级和深能级杂质及其作用，杂质的补偿作用2原子并非固定不动，格点原子在平衡位置附近振动； 半导体并非纯净，含有若干杂质（基质以外的任何元素）；半导体晶格并非完美（完整），存在各种缺陷：点缺陷 线缺陷面缺陷原子并非固定不动，格点原子在平衡位置附近振动； 半导体并非纯净，含有若干杂质（基质以外的任何元素）；半导体晶格并非完美（完整），存在各种缺陷：点缺陷 线缺陷面缺陷⎩⎨⎧实际半导 体材料：实际半导 体材料：⎪⎩⎪⎨⎧杂质来源：杂质来源：⎪⎩⎪⎨⎧§§§§2.1 2.1 SiSi、、、、GeGe晶体中的杂质能级晶体中的杂质能级晶体中的杂质能级晶体中的杂质能级1、替（代）位式杂质间隙式杂质1、替（代）位式杂质间隙式杂质①①原材料纯度不够；原材料纯度不够；②②工艺过程中引入玷污；工艺过程中引入玷污；③③人为掺入杂质人为掺入杂质—为改善半导体材料性能；为改善半导体材料性能；（（1））Si、、Ge都具有金刚石结构，一个晶胞内含有都具有金刚石结构，一个晶胞内含有8个原子。

个原子3（（2）若视晶体中的原子为球体，且最近原子相切：）若视晶体中的原子为球体，且最近原子相切：ar⋅=⋅3412%34)381(34834883333=× =× =aaarππ晶胞体积个原子体积则则66％是空的％是空的相邻两球的半径之和（直 径）为立方体体对角线的相邻两球的半径之和（直 径）为立方体体对角线的 1/44（（3）杂质原子进入半导体中的存在方式：）杂质原子进入半导体中的存在方式：①①位于格点原子间的间隙位置位于格点原子间的间隙位置——间隙式杂质（一般杂质原子较小）间隙式杂质（一般杂质原子较小）②②取代格点原子而位于格点上取代格点原子而位于格点上——替代式杂质（一般杂质原子大小与被取代的晶格原子大小近似，且价电子壳层结构也较相似）替代式杂质（一般杂质原子大小与被取代的晶格原子大小近似，且价电子壳层结构也较相似）{Si、、Ge是是Ⅳ族元素，Ⅲ、Ⅴ族元素在Ⅳ族元素，Ⅲ、Ⅴ族元素在Si、、Ge中是替位式杂质中是替位式杂质杂质浓度：杂质浓度：单位体积中的杂质原子数，表示半导体晶体中杂质含量的多少，杂质浓度的 单位为单位体积中的杂质原子数，表示半导体晶体中杂质含量的多少，杂质浓度的 单位为cm-3或或/cm3。

替位式杂质和间隙式杂质52、施主杂质施主能级2、施主杂质施主能级Si中掺 PSi中掺 P效果上形成效果上形成正电中心 P正电中心 P+ + + +一个价电子一个价电子被正电中心被正电中心P+束缚，位于束缚，位于P+周围，此 束缚远小于共价键束缚，很小的能量 △周围，此 束缚远小于共价键束缚，很小的能量 △E 就可以使其挣脱束缚，形成就可以使其挣脱束缚，形成“自 由自 由”电子，在晶格中运动（在导带）电子，在晶格中运动（在导带）杂质电离：杂质电离：电子脱离杂质原子的束缚成为导电电子的过程电子脱离杂质原子的束缚成为导电电子的过程杂质电离能：杂质电离能：电子脱离杂质原子的束缚，成为导电电子所需的能量记作电子脱离杂质原子的束缚，成为导电电子所需的能量记作△△ED △△ED的值的值Si 中约中约 0.04～～0.05eVGe中约中约 0.01eV{}NA1）对于杂质补偿的半导体，若）对于杂质补偿的半导体，若ND>NA：：?在在T=0K时，时，电子按顺序填充能量由低到高的各个能级电子按顺序填充能量由低到高的各个能级， 由于受主能级， 由于受主能级EA比施主能级比施主能级ED低，电子将先填满受主能级低，电子将先填满受主能级EA， 然后再填充施主能级， 然后再填充施主能级ED，因此施主能级上的电子浓度为，因此施主能级上的电子浓度为n0=ND- NA。

设：设：ND：施主杂质浓度：施主杂质浓度NA：受主杂质浓度：受主杂质浓度 n0：导带中的电子浓度：导带中的电子浓度p0：价带中的空穴浓度：价带中的空穴浓度11? 通常当温度达到大约通常当温度达到大约100K以上时，施主能级上的以上时，施主能级上的ND-NA个电子 就全部被激发到导带，这时导带中的电子浓度个电子 就全部被激发到导带，这时导带中的电子浓度n0=ND-NA，，为为n 型半导体型半导体, 杂质补偿 室温杂质补偿 室温 ND>NA如果半导体中：如果半导体中：ND>>NA，则，则n0=ND-NA≈≈ND；称；称n0为有 效施主浓度为有 效施主浓度12EcED电离施主电离施主电离受主电离受主EvEANA>>ND，则，则p0＝＝NA-ND≈≈ NA，称，称p0为有效受主浓度为有效受主浓度2) 对于杂质补偿的半导体，若对于杂质补偿的半导体，若NA>ND：：将呈现将呈现p型半导体的特性，价带空穴浓度型半导体的特性，价带空穴浓度p0=NA-ND313半导体器件和集成电路生产中就是利用杂质补偿作用，在n型Si外延层上的特定区域掺入比原先n型外延层浓度更高的受主杂质，通过杂质补偿作用就形成了p型区，而在n型区与p型区的交界处就形成了pn结。

如果再次掺入比p型区浓度更高的施主杂质，在二次补偿区域内p型半导体就再次转化为n型，从而形成双极型晶体管的n-p-n结构应用：晶体管制造过程中的杂质补偿应用：晶体管制造过程中的杂质补偿14153））：：DANN ≈高度补偿，杂质很多，性能很差此时电阻率与本征半导体相同高度补偿，杂质很多，性能很差此时电阻率与本征半导体相同6、深能级杂质6、深能级杂质（（1）杂质能级深）杂质能级深非Ⅲ、Ⅴ族元素在Si、Ge禁带中产生的施主能级ED距导带底Ec较远，产生的受主能级EA距价带顶Ev较远，这种杂质能级称为深能级，对应的杂质称为深能级杂质实验表明：非实验表明：非ⅢⅢⅢⅢ、、、、ⅤⅤⅤⅤ族元素掺入半导体，在族元素掺入半导体，在族元素掺入半导体，在族元素掺入半导体，在SiSi、、、、GeGe中的禁带中的禁带中的禁带中的禁带 也产生能级，其特点：也产生能级，其特点：也产生能级，其特点：也产生能级，其特点：动画：动画：杂质补偿作用杂质补偿作用16（（2）深能级杂质主要以替位式存在（）深能级杂质主要以替位式存在（3）深能级杂质产生多次电离，每次电离对应一个能级，有 的杂质既引入施主能级又引入受主能级深能级杂质产生多次电离，每次电离对应一个能级，有 的杂质既引入施主能级又引入受主能级。

以以Ge中掺中掺Au为例：为例：Au在在Ge中的能级中的能级图中图中Ei表示禁带中线位置，表示禁带中线位置， Ei以上注明的是杂质能级距导带底以上注明的是杂质能级距导带底Ec的距离，的距离， Ei以下标出的是杂质能级距价带顶以下标出的是杂质能级距价带顶Ev的距离17 School of Microelectronics解释：解释：?中性Au0的一个价电子可以电离释放到导带，形成施主能级ED,其电离能为(Ec-ED)，从而成为带一个正电荷的单重电离施主离化态Au+这个价电子因受共价键束缚，它的电离能仅略小于禁带宽度Eg，所以施主能级ED很接近Ev中性Au0为与周围四个Ge原子形成共价键，还可以依次由价带再接受三个电子，分别形成EA1，EA2，EA3三个受主能级价带激发一个电子给Au0，使之成为单重电离受主离化态Au-，电离能为EA1-Ev ；从价带再激发一个电子给Au-使之成为二重电离受主离化态，所需能量为EA2-Ev；从价带激发第三个电子给使之成为三重电离受主离化态，所需能量为 EA3-Ev由于电子间存在库仑斥力，EA3>EA2>EA1＝Au≡Au18（（4） 复合作用强） 复合作用强深能级杂质对半导体中载流子浓度和导电类型的影响不 像浅能级杂质那样显著，其浓度通常也较低，主要起复合 中心的作用。

419§§§§2.2 2.2 ⅢⅢⅢⅢ- -ⅤⅤⅤⅤ族化合物族化合物族化合物族化合物中的杂质能级中的杂质能级中的杂质能级中的杂质能级化合物半导体中目前研究比较多的是GaAsGaAs具有闪锌矿结构：化合物半导体中目前研究比较多的是GaAsGaAs具有闪锌矿结构：Ga原子周围原子周围——四个四个As原子包围原子包围As 原子周围原子周围——四个四个Ga原子包围原子包围aⅢ族元素Ⅴ族元素Ⅲ族元素Ⅴ族元素aⅢ族元素Ⅴ族元素Ⅲ族元素Ⅴ族元素20杂质原子进入化合物半导体，其存在方式：间隙式杂质替位式杂质周围可以是四个杂质原子进入化合物半导体，其存在方式：间隙式杂质替位式杂质周围可以是四个Ga原子周围可以是四个原子周围可以是四个As原子可以取代Ⅲ族元素位于Ⅲ族元素格点上可以取代Ⅴ族元素位于Ⅴ族元素格点上原子可以取代Ⅲ族元素位于Ⅲ族元素格点上可以取代Ⅴ族元素位于Ⅴ族元素格点上⎩⎨⎧{{一些实验结果：一些实验结果：（（1）Ⅱ族元素通常是替位式杂质（替代Ⅲ族原子）Ⅱ族元素通常是替位式杂质（替代Ⅲ族原子——位于Ⅲ族原子格点上）由于位于Ⅲ族原子格点上）由于II族元素比族元素比III族元素少一个价电子，有获取一个电子完成共价键的倾向，表现为受主杂质，引入族元素少一个价电子，有获取一个电子完成共价键的倾向，表现为受主杂质，引入浅受主能级浅受主能级（（2））ⅥⅥ族元素通常取代族元素通常取代ⅤⅤ族原子族原子——位于位于ⅤⅤ族原子格点上，也是替位式杂质。

因为族原子格点上，也是替位式杂质因为VI族元素比族元素比V族元素多一个价电子，表现为施主杂质，引入族元素多一个价电子，表现为施主杂质，引入施主能级施主能级21（（3））ⅣⅣ族元素掺入族元素掺入ⅢⅢ-ⅤⅤ族化合物，出现两种情况：取代族化合物，出现两种情况：取代Ⅲ族原子Ⅲ族原子——施主作用当施主作用当Si浓度较低时，取代Ⅲ 族元素（施主）浓度较低时，取代Ⅲ 族元素（施主）{{取代Ⅴ族原子取代Ⅴ族原子——受主作用受主作用掺入掺入Si 当当Si浓度较高时，取代Ⅴ 族元素（受主）浓度较高时，取代Ⅴ 族元素（受主）}杂质补偿有效杂质浓度下降，其结果为电子浓度饱和杂质补偿有效杂质浓度下降，其结果为电子浓度饱和杂质的双性行为杂质的双性行为101710181019102010181019nSi（（4））ⅢⅢ族元素和族元素和Ⅴ族元素Ⅴ族元素掺入不是由其自身形成的掺入不是由其自身形成的ⅢⅢ-ⅤⅤ族化合物半导体时，实验测不到这些杂质的影响，在禁带中不引入能级族化合物半导体时，实验测不到这些杂质的影响，在禁带中不引入能级等电子杂质等电子杂质: 某些某些III-V族化合物中掺入族化合物中掺入III、、V族元素杂质时，杂质取 代基质中的同族原子后，基本上仍呈电中性，由于它与被 取代的原子共价半径和电负性有差别，能俘获某种载流子 而成为带电中心，这个带电中心称为等电子陷阱。

族元素杂质时，杂质取 代基质中的同族原子后，基本上仍呈电中性，由于它与被 取代的原子共价半径和电负性有差别，能俘获某种载流子 而成为带电中心，这个带电中心称为等电子陷阱22（（5））ⅠⅠ族元素在族元素在GaAs中引入受主能级中引入受主能级6））过渡过渡元素在元素在GaAs中引入深受主能级中引入深受主能级束缚激子：束缚激子： 等电子陷阱俘获载流子后成为带电中心，这一中心 由于库仑作用又能俘获另一种带电符号相反的载流子等电子陷阱俘获载流子后成为带电中心，这一中心 由于库仑作用又能俘获另一种带电符号相反的载流子?等电子陷阱等电子陷阱: 被等电子杂质取代的原子共价半径和电负性与化合物半 导体中的被等电子杂质取代的原子共价半径和电负性与化合物半 导体中的III、、V族元素有差别，能俘获某种载流子而成为带 电中心，这个带电中心称为族元素有差别，能俘获某种载流子而成为带 电中心，这个带电中心称为等电子陷阱等电子陷阱23241、点缺陷、点缺陷•弗仑克尔缺陷：弗仑克尔缺陷：一定温度下，格点原子在平衡位置附近振动，其中某些。