半导体物理课件：第二章半导体中杂质和缺陷能级.ppt

2024/9/71第二章第二章 半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级理想半导体：理想半导体：§1、原子严格地周期性排列，晶体具有完整的晶格结构§2、晶体中无杂质，无缺陷§3、电子在周期场中作共有化运动，形成允带和禁带——电子能量只能处在允带中的能级上，禁带中无能级由本征激发提供载流子§本征半导体本征半导体——晶体具有完整的（完美的）晶格结构，无任何杂质和缺陷 2024/9/72第二章第二章 半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级实际材料中实际材料中§1、总是有杂质、缺陷，使周期场破坏，在杂质或缺陷周围引起局部性的量子态——对应的能级常常处在禁带中，对半导体的性质起着决定性的影响§2、杂质电离提供载流子 2024/9/73第二章第二章 半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级2.1 硅、锗晶体中的杂质能级2.2 Ⅲ－Ⅴ族化合物中的杂质能级2.3 缺陷、位错能级2024/9/742.1 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级1. 替位式杂质替位式杂质 间隙式杂质间隙式杂质§一个晶胞中包含有八个硅原子，若近似地把原子看成是半径为r的圆球，则可以计算出这八个原于占据晶胞空间的百分数如下：§说明，在金刚石型晶体中一个晶胞内的8个原子只占有晶胞体积的34%，还有还有66%66%是空隙是空隙2024/9/752.1 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级§金刚石型晶体结构中的两种空隙如图金刚石型晶体结构中的两种空隙如图2-1所示。

所示这些空隙通常称为间隙位置这些空隙通常称为间隙位置2024/9/762.1 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级 杂质原子进入半导体硅后，以两种方式存在§一种方式是杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，常称为间隙式间隙式杂质杂质（A）§另一种方式是杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处，常称为替位式替位式杂质杂质（B）2024/9/772.1 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级 两种杂质特点：§间隙式杂质原子一般比较小，间隙式杂质原子一般比较小，如：如：Li原子，原子，0.068nm§替位式杂质替位式杂质1）杂质原子的大小与被取代的）杂质原子的大小与被取代的晶格原子的大小比较相近晶格原子的大小比较相近2）价电子壳层结构比较相近）价电子壳层结构比较相近如：如：ⅢⅢ、、ⅤⅤ族元素族元素单位体积中的杂质原子数单位体积中的杂质原子数即即杂质浓度杂质浓度来定量描述杂来定量描述杂质含量的多少，杂质浓度质含量的多少，杂质浓度的单位为的单位为1/cm3 2024/9/782.1 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级2. 施主杂质施主杂质 施主能级施主能级 以硅中掺磷P为例：§磷原子占据硅原子的位置。

磷原子有五个价电子其中四个价电子与周围的四个硅原于形成共价键，还剩余一个价电子§这个多余的价电子就束缚在正电中心P＋的周围价电子只要很少能量就可挣脱束缚，成为导电电子导电电子在晶格中自由运动§这时磷原子就成为少了一个价电子的磷离子P＋，它是一个不能移动的正电中心正电中心2024/9/792.1 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级§Ⅴ族杂质在硅、锗中电离时，能够施放电子而产生导电电子并形成正电中心，称它们为施主杂质施主杂质或n型杂质型杂质§上述电子脱离杂质原子的束缚成为导电电子的过程称为杂质电离杂质电离§使个多余的价电子挣脱束缚成为导电电子所需要的能量称为杂质电离能杂质电离能§施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子，同时向导带提供电子，使半导体成为电子电子导电的n型半导体型半导体2024/9/7102.1 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级§施主杂质的电离过程，可以用能施主杂质的电离过程，可以用能带图表示带图表示§如图如图2-4所示所示.当电子得到能量当电子得到能量 后，就从施主的束缚态跃迁到导后，就从施主的束缚态跃迁到导带成为导电电子，所以电子被施带成为导电电子，所以电子被施主杂质束缚时的能量比导带底主杂质束缚时的能量比导带底 低低 。

将被施主杂质束缚的电将被施主杂质束缚的电子的能量状态称为子的能量状态称为施主能级施主能级，记，记为为 ，所以施主能级位于离导带，所以施主能级位于离导带底很近的禁带中底很近的禁带中施主杂质电离能施主杂质电离能分立能级分立能级束缚态束缚态离化态离化态热激发、光照等热激发、光照等2024/9/7112.1 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级§硅、锗晶体中Ⅴ族杂质的电离能2024/9/7122.1 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级3. 受主杂质受主杂质 受主能级受主能级 以硅中掺硼B为例：§B原子占据硅原子的位置磷原子有三个价电子与周围的四个硅原于形成共价键时还缺一个电子，就从别处夺取价电子，这就在Si形成了一个空穴§这时B原子就成为多了一个价电子的磷离子B－，它是一个不能移动的负电中心负电中心§空穴束缚在负电中心B－的周围空穴只要很少能量就可挣脱束缚，成为导电空穴导电空穴在晶格中自由运动2024/9/7132.1 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级§ⅢⅢ族杂质在硅、锗中能够接受电子而产生导电空族杂质在硅、锗中能够接受电子而产生导电空穴，并形成负电中心，所以称它们为穴，并形成负电中心，所以称它们为受主杂质受主杂质或或p型杂质型杂质。

§使空穴挣脱束缚成为导电空穴所需要的能量称为使空穴挣脱束缚成为导电空穴所需要的能量称为受主杂质电离能受主杂质电离能§受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子，同时向价带提供空穴，使半导体成为子，同时向价带提供空穴，使半导体成为空穴空穴导导电的电的p型半导体型半导体2024/9/7142.1 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级§受主杂质的电离过程，可以用能受主杂质的电离过程，可以用能带图表示带图表示§如图如图2-6所示所示.当空穴得到能量后，当空穴得到能量后，就从受主的束缚态跃迁到价带成就从受主的束缚态跃迁到价带成为导电空穴，所以电子被受主杂为导电空穴，所以电子被受主杂质束缚时的能量比价带顶质束缚时的能量比价带顶 高高 将被受主杂质束缚的将被受主杂质束缚的空穴的能量状态称为空穴的能量状态称为受主能级受主能级，，记为记为 ，所以受主能级位于离价，所以受主能级位于离价带顶很近的禁带中带顶很近的禁带中受主杂质电离能受主杂质电离能2024/9/7152.1 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级§硅、锗晶体中Ⅲ族杂质的电离能2024/9/7162.1 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级按杂质向半导体提供载流子的类型分类n型半导体：以电子导电为主本征半导体p型半导体：以空穴导电为主2024/9/7172.1 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级4. 浅能级杂质电离能的简单计算Ⅲ、Ⅴ族杂质在硅、锗中的ΔEA 、 ΔED都很小，即施主能级ED距导带底EC很近，受主能级EA距价带顶EV很近，这样的杂质能级称为浅能级浅能级，相应的杂质就称为浅能级杂质浅能级杂质。

如果Si、Ge中的Ⅲ、Ⅴ族杂质浓度不太高，在包括室温的相当宽的温度范围内，晶格原子热振动的能量会传递给电子，使杂质几乎全部电离2024/9/7182.1 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级§通常情况下半导体中杂质浓度不是特别高，半导体中杂质分布很稀疏，因此不必考虑杂质原子间的相互作用，被杂质原子束缚的电子(空穴)就像单个原子中的电子一样，处在互相分离、能量相等的杂质能级上而不形成杂质能带§当杂质浓度很高(称为重掺杂重掺杂)时，杂质能级才会交叠，形成杂质能带2024/9/7192.1 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级§类氢模型类氢模型2024/9/7202.1 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级2024/9/7212.1 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级5. 杂质的补偿作用§如果在半导体中既掺入施主杂质，又掺入受主杂质，施主杂质和受主杂质具有相互抵消的作用，称为杂质的补偿作用杂质的补偿作用§从价键角度理解：施主周围有多余的价电子，受主周围缺少价电子，施主周围有多余的价电子，受主周围缺少价电子，施主多余的价电子正好填充受主周围的空缺，使施主多余的价电子正好填充受主周围的空缺，使价键饱和，这个时候系统的能量降低，处于稳定价键饱和，这个时候系统的能量降低，处于稳定状态。

状态2024/9/7222.1 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级从能带角度理解：从能带角度理解：§对于杂质补偿的半导体，若ND>NA： (a) T=0K电子按顺序填充能量由低到高的各个能级，由于受主能级EA比施主能级ED低，电子将先填满受主能级EA，然后再填充施主能级ED，因此施主能级上的电子浓度为ND-NAb) 室温施主能级上的ND-NA个电子就全部被激发到导带，这时导带中的电子浓度n0=ND-NA，为n型半导体型半导体2024/9/7232.1 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级当NA>ND时，将呈现p型半导体的特性，价带空穴浓度p0=NA-ND通过补偿以后半导体中的净杂质浓度称为有效杂质浓度有效杂质浓度 如果ND>NA，称ND-NA为有效施主浓度有效施主浓度； 如果NA>ND，那么NA-ND称为有效受主浓度有效受主浓度如果半导体中：ND>>NA，则n0＝ND-NA≈ND； NA>>ND，则p0＝NA-ND≈ NA 2024/9/7242.1 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级 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 2024/9/7252.1 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级p高度补偿高度补偿：：若施主杂质浓度与受主杂质浓度相差不大或二者相等，则不能提供电子或空穴，这种情况称为杂质的高等补偿这种材料容易被误认为高纯度半导体，实际上含杂质很多，性能很差，一般不能用来制造半导体器件 2024/9/7262.1 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级6. 深能级杂质 非Ⅲ、Ⅴ族杂质在Si、Ge禁带中也产生能级§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深能级级，对应的杂质称为深能级杂质深能级杂质§深能级杂质可以多次电离，每一次电离相应有一个能级，有的杂质既引入施主能级又引入受主能级2024/9/7272.1 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级以Ge中掺Au为例：五种带电状态：Au+ Au0 Au- Au2- Au3-ED EA1 EA2 EA3§Au0→Au+，释放电子到导带，，释放电子到导带，△△ED略小于略小于Eg（共价键束缚，电离能很大）（共价键束缚，电离能很大）§EA3>EA2>EA1（电子间存在库仑排斥）（电子间存在库仑排斥）2024/9/7282.1 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级§Si、Ge中其它一些深能级杂质引入的深能级也可以类似地做出解释。

§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§采用掺金工艺能够提高高速半导体器件的工作速度2024/9/7292.1 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级§四个基本特点：四个基本特点：1) 不容易电离，对载流子浓度影响不大；2) 一般会产生多重能级，甚至既产生施主能级也产生受主能级3) 能起到复合中心作用，使少数载流子寿命降低（在第五章详细讨论）4) 深能级杂质电离后为带电中心，对载流子起散射作用，使载流子迁移率减少，导电性能下降2024/9/7302.2 Ⅲ2.2 Ⅲ－－ⅤⅤ族化合物中的杂质能级族化合物中的杂质能级§杂质在GaAs中的存在形式§三种情况： 1）取代砷）取代砷 2）取代镓）取代镓 3）填隙）填隙2024/9/7312.2 Ⅲ2.2 Ⅲ－－ⅤⅤ族化合物中的杂质能级族化合物中的杂质能级§施主杂质周周期期表表中中的的ⅥⅥ族族元元素素(Se、、S、、Te)在在GaAs中中通通常常都都替替代代ⅤⅤ族族元元素素As原原子子的的晶晶格格位位置置，，由由于于ⅥⅥ族族原原子子比比ⅤⅤ族族原原子子多多一一个个价价电电子子，，因因此此ⅥⅥ族族杂杂质质在在GaAs中中一一般般起起施施主主作作用用，，为浅施主杂质。

为浅施主杂质2024/9/7322.2 Ⅲ2.2 Ⅲ－－ⅤⅤ族化合物中的杂质能级族化合物中的杂质能级§受主杂质ⅡⅡ族族元元素素（（Zn、、Be、、Mg、、Cd、、Hg））在在GaAs中中通通常常都都取取代代ⅢⅢ族族元元素素Ga原原子子的的晶晶格格位位置置，，由由于于ⅡⅡ族族原原子子比比ⅢⅢ族族原原子子少少一一个个价价电电子子，，因因此此ⅡⅡ族族元元素素杂杂质质在在GaAs中中通通常常起起受受主主作作用用，，均均为为浅受主2024/9/7332.2 Ⅲ2.2 Ⅲ－－ⅤⅤ族化合物中的杂质能级族化合物中的杂质能级§两性杂质ⅣⅣ族族元元素素杂杂质质（（Si、、Ge、、Sn、、Pb））在在GaAs中中的的作作用用比比较较复复杂杂，，可可以以取取代代ⅢⅢ族族的的Ga，，也也可可以以取取代代ⅤⅤ族族的的As，，甚甚至至可可以以同同时时取取代代两两者者，，因因此此ⅣⅣ族族杂杂质质不不仅仅可可以以起起施施主主作作用用还还可可以以起起受受主主作作用用如如Si在在GaAs中中引引入入的的施施主主能能级级和和受受主主能能级级分别在导带以下分别在导带以下0.006eV和价带以上和价带以上0.03eV处。

处2024/9/7342.2 Ⅲ2.2 Ⅲ－－ⅤⅤ族化合物中的杂质能级族化合物中的杂质能级 掺掺Si的的GaAs一一般般表表现现为为n型型这这是是因因为为掺掺入入的的Si大大部部分分占占据据Ga的位置 在在Si的的浓浓度度小小于于1018／／cm3,电电子子浓浓度度大大致致与与Si的的浓浓度度相相等等但但当当Si的的浓浓度度更更高高时时，，电电子子浓浓度度低低于于Si的的浓浓度度，，且且电电子子浓浓度度有有饱饱和和的的倾倾向向这这说说明明有有相相当当一一部部分分硅硅占占据据了了As的的位位置置而而起起受受主主作作用用而而出出现现了了杂杂质质的的补补偿作用Ge和和Sn在在GaAs中也主要起中也主要起施主作用，常用作施主作用，常用作n型材料型材料的掺杂剂．的掺杂剂．杂质的双性行为杂质的双性行为2024/9/7352.2 Ⅲ2.2 Ⅲ－－ⅤⅤ族化合物中的杂质能级族化合物中的杂质能级§中性杂质ⅢⅢ族族元元素素（（B、、Al、、In））和和ⅤⅤ族族元元素素（（P、、Sb））在在GaAs中中通通常常分分别别替替代代Ga和和As，，由由于于杂杂质质在在晶晶格格位位置置上上并并不不改改变变原原有有的的价价电电子子数数，，因因此此既既不不给给出出电电子子也也不不俘俘获获电电子子而而呈呈电电中中性性，，对对GaAs的电学性质没有明显影响。

的电学性质没有明显影响2024/9/7362.2 Ⅲ2.2 Ⅲ－－ⅤⅤ族化合物中的杂质能级族化合物中的杂质能级§等电子陷阱在某些化合物半导体中，例如GaP中掺入V族元素N或Bi，N或Bi将取代P并在禁带中产生能级这个能级称为等电子陷阱等电子陷阱这种效应称为等电子等电子杂质效应杂质效应等电子杂质的特征§与本征元素同族但不同原子序数§以替位形式存在于晶体中，基本上是电中性的2024/9/7372.2 Ⅲ2.2 Ⅲ－－ⅤⅤ族化合物中的杂质能级族化合物中的杂质能级这类杂质一般不能提供电子或空穴，但在一定条件下，可以收容一个电子或一个空穴，作为电子陷阱或空穴陷阱起作用，通常称之为等电子陷阱等电子陷阱n GaP中的中的NN在占据P的位置后，不会产生长程作用的库仑势，但N和P的负电性有明显的差异(分别为3.0和2.1)，因此N有较强的获得电子的倾向有较强的获得电子的倾向或者从另一角度说，由于N和P电子结构的差异，在N中心处存在对电子的短程作用势结果可以形成电子的束缚态(电子陷阱电子陷阱)在GaP中，N能级在导带以下约10meV显然这种杂质不是施主，也不是典型的受主，但它能收容一个电子(起受主作用起受主作用）。

2024/9/7382.2 Ⅲ2.2 Ⅲ－－ⅤⅤ族化合物中的杂质能级族化合物中的杂质能级是否周期表中同族元素均能形成等电子陷阱呢？§只有当掺入原子与基质晶体原子在电负性、共价半径方只有当掺入原子与基质晶体原子在电负性、共价半径方面有较大差别时，才能形成等电子陷阱一般说，同族面有较大差别时，才能形成等电子陷阱一般说，同族元素原子序数越小，电负性越大，共价半径越小等电元素原子序数越小，电负性越大，共价半径越小等电子杂质电负性子杂质电负性(即小原子序数即小原子序数)大于基质晶体原子的电负大于基质晶体原子的电负性时，取代后，它便能俘获电子成为负电中心（性时，取代后，它便能俘获电子成为负电中心（电子陷电子陷阱阱）§反之，俘获空穴成为正电中心（反之，俘获空穴成为正电中心（空穴陷阱空穴陷阱） 存在形式• 替位式（等电子杂质）• 复合体，如 Zn-O（等电子络合物）2024/9/7392.2 Ⅲ2.2 Ⅲ－－ⅤⅤ族化合物中的杂质能级族化合物中的杂质能级§束缚激子等电子陷阱俘获一种符号的载流子后，又因带电等电子陷阱俘获一种符号的载流子后，又因带电中心的库仑作用又俘获另一种带电符号的载流子，中心的库仑作用又俘获另一种带电符号的载流子，这就是这就是束缚激子束缚激子。

束缚激子在由间接禁带半导体材料制造的发光束缚激子在由间接禁带半导体材料制造的发光器件中起主要作用器件中起主要作用2024/9/7402.2 Ⅲ2.2 Ⅲ－－ⅤⅤ族化合物中的杂质能级族化合物中的杂质能级2024/9/7412.2 Ⅲ2.2 Ⅲ－－ⅤⅤ族化合物中的杂质能级族化合物中的杂质能级2024/9/7422.3 缺陷、位错能级1. 点缺陷§点缺陷的种类：弗仑克耳缺陷：原子空位和间隙原子同时存在原子空位和间隙原子同时存在肖特基缺陷：晶体中只有晶格原子空位晶体中只有晶格原子空位反肖特基缺陷：只有间隙原子而无原子空位只有间隙原子而无原子空位§点缺陷（热缺陷）特点 ：①①热缺陷的数目随温度升高而增加热缺陷的数目随温度升高而增加②②热缺陷中以肖特基缺陷为主（即原子空位为主）热缺陷中以肖特基缺陷为主（即原子空位为主）③③淬火后可以淬火后可以“冻结冻结”高温下形成的缺陷高温下形成的缺陷④④退火后可以消除大部分缺陷退火后可以消除大部分缺陷2024/9/7432.3 缺陷、位错能级§点缺陷对半导体性质的影响： 1 1）缺陷处晶格畸变，周期性势场被破坏，致使在）缺陷处晶格畸变，周期性势场被破坏，致使在禁带中产生能级。

禁带中产生能级2 2）热缺陷能级大多为深能级，在半导体中起复合）热缺陷能级大多为深能级，在半导体中起复合中心作用，使非平衡载流子浓度和寿命降低中心作用，使非平衡载流子浓度和寿命降低3 3）空位缺陷有利于杂质扩散）空位缺陷有利于杂质扩散4 4）对载流子有散射作用，使载流子迁移率和寿命）对载流子有散射作用，使载流子迁移率和寿命降低2024/9/7442.3 缺陷、位错能级§半导体中主要的点缺陷倾向于接受电子倾向于接受电子表现为受主表现为受主正离子空位正离子空位带负电带负电受主受主负离子空位负离子空位带正电带正电施主施主正离子填隙：施主正离子填隙：施主负离子填隙：受主负离子填隙：受主2024/9/7452.3 缺陷、位错能级§GaAs的点缺陷•As空位•As填隙•Ga空位•Ga填隙•反结构缺陷目前了解得较少．曾有报导目前了解得较少．曾有报导As空位在价带以上空位在价带以上0.12eV产生一受主能级，产生一受主能级，Ga空位产生两个受主空位产生两个受主能级，分别位于价带以上能级，分别位于价带以上0.0leV和和0.18eV2024/9/7462.3 缺陷、位错能级2. 位错§位错形成原因：晶格畸变§位错种类：刃位错和螺位错 §导带底价带顶改变分别为：导带底价带顶改变分别为：§禁带宽度变化为：禁带宽度变化为：2024/9/7472.3 缺陷、位错能级§60°棱位错俘获电子受主作用失去电子施主作用2024/9/7482.3 缺陷、位错能级§棱位错对半导体性能的影响： 1 1）位错线上的悬挂键可以接受电子变为负电中心，表）位错线上的悬挂键可以接受电子变为负电中心，表现为受主；悬挂键上的一个电子也可以被释放出来现为受主；悬挂键上的一个电子也可以被释放出来而变为正电中心，此时表现为施主，即不饱和的悬而变为正电中心，此时表现为施主，即不饱和的悬挂键具有双性行为，可以起受主作用，也可以起施挂键具有双性行为，可以起受主作用，也可以起施主作用。

主作用2 2）位错线处晶格变形，导致能带变形）位错线处晶格变形，导致能带变形3 3）位错线影响杂质分布均匀性）位错线影响杂质分布均匀性4 4）位错线若接受电子变成负电中心，对载流子有散射）位错线若接受电子变成负电中心，对载流子有散射作用5 5）影响少子寿命，原因：一是能带变形，禁带宽度减）影响少子寿命，原因：一是能带变形，禁带宽度减小，有利于非平衡载流子复合；二是在禁带中产生小，有利于非平衡载流子复合；二是在禁带中产生深能级，促进载流子复合深能级，促进载流子复合。