半导体物理_02半导体中的缺陷和杂质

1、半半 导导 体体 物物 理理 (Semiconductor Physics) 第二章第二章 半导体中的缺陷和杂质半导体中的缺陷和杂质 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级 2.2 -族化合物中特殊的杂质能级族化合物中特殊的杂质能级 2.3 半导体中的缺陷和位错半导体中的缺陷和位错 理想的半导体晶体理想的半导体晶体 十分纯净十分纯净 不含任何杂质不含任何杂质 晶格中的原子严格晶格中的原子严格 按周期排列按周期排列 实际应用中的实际应用中的 半导体材料半导体材料 原子不是静止在具有严格周 期性晶格的格点位置上，而 是在其平衡位置附近振动振动 半导体材料不纯净，而是含 有若干杂质杂质

2、，在半导体晶格 中存在着与组成半导体元素 不同的其他化学元素原子 实际半导体的晶格结构并不 是完整无缺的，而存在着各 种形式的缺陷缺陷 极其极其微量微量的杂质和缺陷，的杂质和缺陷， 能够对半导体材料的物理性质能够对半导体材料的物理性质 和化学性质产生和化学性质产生决定性决定性的影响的影响 在硅晶体中，若以在硅晶体中，若以105个硅原子中掺入一个杂质原个硅原子中掺入一个杂质原 子的比例掺入硼子的比例掺入硼(B)原子，则硅晶体的导电率在室温下将原子，则硅晶体的导电率在室温下将 增加增加103倍。倍。 用于生产一般硅平面器件的硅单晶，位错密度要用于生产一般硅平面器件的硅单晶，位错密度要 求控制在求控

3、制在103cm-2以下，若位错密度过高，则不可能生以下，若位错密度过高，则不可能生 产出性能良好的器件。产出性能良好的器件。 由于杂质和缺陷的存在，会使严格按周期排列的原子所产由于杂质和缺陷的存在，会使严格按周期排列的原子所产 生的生的周期性势场受到破坏周期性势场受到破坏，有可能在，有可能在禁带中引入禁带中引入允许电子允许电子 存在的能量状态（即存在的能量状态（即能级能级），从而对半导体的性质产生决），从而对半导体的性质产生决 定性的影响。定性的影响。 一）制备半导体的原材料一）制备半导体的原材料纯度不够高纯度不够高； 二）半导体单晶制备过程中及器件制造过程中的二）半导体单晶制备过程中及器件制

4、造过程中的沾污沾污； 三）为了半导体的性质而三）为了半导体的性质而人为地掺入人为地掺入某种化学元素的原子。某种化学元素的原子。 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级 2.1.1 替位式杂质替位式杂质 间隙式杂质间隙式杂质1 原子只占晶胞体积的原子只占晶胞体积的34%，还有，还有66%是空隙，这些空隙是空隙，这些空隙 通常称为通常称为间隙位置间隙位置。 一）杂质原子位于晶格一）杂质原子位于晶格 原子间的间隙位置，原子间的间隙位置， 间隙式杂质间隙式杂质/填充填充； 二）杂质原子取代晶格二）杂质原子取代晶格 原子而位于晶格格点处，原子而位于晶格格点处， 替位式杂质替位式杂质/填充填

5、充。 间隙式杂质间隙式杂质 原子半径一般比较小原子半径一般比较小，如锂离子（，如锂离子（Li+）的半径为）的半径为0.68 ， 所以锂离子进入硅、锗、砷化镓后以间隙式杂质形式存在。所以锂离子进入硅、锗、砷化镓后以间隙式杂质形式存在。 替位式杂质替位式杂质 原子的半径与被取代的晶格原子的半径大小比较相近原子的半径与被取代的晶格原子的半径大小比较相近，且它，且它 们的们的价电子壳层结构也比较相近价电子壳层结构也比较相近。如硅、锗是。如硅、锗是族元素，与族元素，与 、族元素的情况比较相近，所以族元素的情况比较相近，所以、族元素在硅、锗族元素在硅、锗 晶体中都是替位式杂质。晶体中都是替位式杂质。 单位

6、体积中的杂质原子数，单位单位体积中的杂质原子数，单位cm-3 2.1.1 替位式杂质替位式杂质 间隙式杂质间隙式杂质2 以硅中掺入磷（以硅中掺入磷（P）为例，研究）为例，研究 族元素杂质的作用。当一个磷族元素杂质的作用。当一个磷 原子原子占据占据了硅原子位置，如图所了硅原子位置，如图所 示，磷原子有五个价电子，其中示，磷原子有五个价电子，其中 四个价电子与周围四个硅原子形四个价电子与周围四个硅原子形 成共价键，还剩余一个价电子。成共价键，还剩余一个价电子。 磷原子成为一个带有一个正电荷磷原子成为一个带有一个正电荷 的磷离子（的磷离子（P+），称为），称为正电中心正电中心 磷离子磷离子。其效果相

7、当于形成了。其效果相当于形成了一一 个正电中心和一个多余的电子个正电中心和一个多余的电子。 2.1.2 施主杂质、施主能级施主杂质、施主能级1 多余的电子束缚在正电中心周围，但这种束缚作用比共价键的 束缚作用弱得多，只要很小的能量就可以使多余电子挣脱束缚， 成为自由电子在晶格中运动，起到导电的作用。这时磷原子就 成了一个少了一个价电子的磷离子，它是一个不能移动的正电 中心。 多余电子脱离杂质原子成为导电电子的过程称为杂质电离杂质电离。使 这个多余电子挣脱束缚成为导电电子所需要的能量称为杂质电杂质电 离能离能，用ED表示。 实验测得，族元素原子在硅、锗中的电离能很小(即多余电 子很容易挣脱原子的

8、束缚成为导电电子)，在硅中电离能约为 0.040.05eV，在锗中电离能约为0.01eV，比硅、锗的禁带宽 度小得多。 2.1.2 施主杂质、施主能级施主杂质、施主能级2 族元素杂质在硅、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。称为施主杂质或n型杂质 施放电子的过程称为施主电离。 施主杂质在未电离时是中性的，称为束缚态或中性态， 电离后成为正电中心，称为离化态。 施主杂质施主杂质/N型杂质型杂质 电子型半导体电子型半导体/N型半导体型半导体 纯净半导体中掺入施主杂质后，施主杂质电离，使导带中 的导电电子增多（电子密度大于空穴密度），增强了半导 体的导电能力，成为主要依靠电子导电

9、的半导体材料,称为 电子型或N型半导体。 2.1.2 施主杂质、施主能级施主杂质、施主能级3 施主能级用离导带底Ec为ED处的短 线段表示，施主能级上的小黑点表示 被施主杂质束缚的电子。箭头表示被 束缚的电子得到电离能后从施主能级 跃迁到导带成为导电电子的电离过程。 导带中的小黑点表示进入导带中的电 子， 表示施主杂质电离后带 正电，成为不可移动的正点中心。 电子得到能量ED后， 就从施主的束缚态跃迁 到导带成为导电电子， 被施主杂质束缚时的电 子的能量比导带底Ec低 ED，称为施主能级， 用ED表示。由于ED远 小于禁带宽度Eg，所以 施主能级位于离导带底 很近的禁带中。由于施 主杂质相对较

10、少，杂质 原子间的相互作用可以 忽略，所以施主能级可 以看作是一些具有相同 能量的孤立能级， 2.1.2 施主杂质、施主能级施主杂质、施主能级4 硅中掺入硼（B）为例，研究族元素 杂质的作用。当一个硼原子占据了硅 原子的位置，如图所示，硼原子有三 个价电子，当它和周围的四个硅原子 形成共价键时，还缺少一个电子，必 须从别处的硅原子中夺取一个价电子， 于是在硅晶体的共价键中产生了一个 空穴。硼原子成为一个带有一个负电 荷的硼离子（B-），称为负电中心硼 离子。其效果相当于形成了一个负电 中心和一个多余的空穴。 2.1.3 受主杂质、受主能级受主杂质、受主能级1 多余的空穴束缚在负电中心周围，但这

11、种束缚作用比共价键的 束缚作用弱得多，只要很小的能量就可以使多余空穴挣脱束缚， 成为自由空穴在晶格中运动，起到导电的作用。这时硼原子就 成了一个多了一个价电子的硼离子，它是一个不能移动的负电 中心。 多余空穴脱离杂质原子成为导电空穴的过程称为杂质电离。使 这个多余空穴挣脱束缚成为导电空穴所需要的能量称为杂质电 离能，用EA表示。 实验测得，族元素原子在硅、锗中的电离能很小（即多余空 穴很容易挣脱原子的束缚成为导电空穴）， 2.1.3 受主杂质、受主能级受主杂质、受主能级2 2.1.3 受主杂质、受主能级受主杂质、受主能级3 族元素杂质在硅、锗中能接受电子而产生族元素杂质在硅、锗中能接受电子而产

12、生导电空穴导电空穴， 并形成并形成负电中心负电中心。称为。称为受主杂质或受主杂质或p型杂质型杂质。 受主杂质受主杂质/P型杂质型杂质 空穴挣脱受主杂质束缚的过程称为空穴挣脱受主杂质束缚的过程称为受主电离受主电离。 受主杂质未电离时是中性的，称为受主杂质未电离时是中性的，称为束缚态束缚态或或中性态中性态。 空穴型半导体空穴型半导体/P型半导体型半导体 纯净半导体中掺入受主杂质后，受主杂质电离，使价带中的纯净半导体中掺入受主杂质后，受主杂质电离，使价带中的 导电空穴增多（空穴密度大于电子密度），增强了半导体的导电空穴增多（空穴密度大于电子密度），增强了半导体的 导电能力，成为主要依靠空穴导电的半导

13、体材料。导电能力，成为主要依靠空穴导电的半导体材料。 受主能级用离价带顶EV为EA处的短 线段表示，受主能级上的小圆圈表示 被受主杂质束缚的空穴。箭头表示被 束缚空穴得到电离能后从受主能级跃 迁到价带成为导电空穴（即价带顶电 子跃迁到受主能级上填充空位）的电 离过程。价带中的小圆圈表示进入价 带中的空穴，表示受主杂质电离后 带负电，成为不可移动的负点中心。 空穴得到能量EA后， 就从受主束缚态跃迁到 价带成为导电空穴，被 受主杂质束缚时的空穴 的能量比价带顶E V低 EA，称受主能级，用 EA表示。由于EA远小 于禁带宽度Eg，所以受 主能级位于价带顶很近 的禁带中。受主杂质相 对较少，杂质原

14、子间相 互作用可忽略，所以受 主能级可看作是一些具 有相同能量的孤立能级 2.1.3 受主杂质、受主能级受主杂质、受主能级4 综上所述综上所述 掺入半导体，掺入半导体， 分别成为分别成为 在禁带中引入了在禁带中引入了 新的能级，分别为新的能级，分别为 常温下，杂质都常温下，杂质都 处于离化态处于离化态 分别分别 形成形成 关于能带图关于能带图 电子能量，从下往上为升高的方向；电子能量，从下往上为升高的方向； 空穴能量，从上往下为升高的方向；空穴能量，从上往下为升高的方向； 电子和空穴可以看作是两种所带电荷性质相反，电子和空穴可以看作是两种所带电荷性质相反， 电荷数量相同，质量相当的粒子；电荷数

15、量相同，质量相当的粒子； 施放电子的过程可以看作俘获空穴的过程；施放电子的过程可以看作俘获空穴的过程； 施放空穴的过程也可以看作俘获电子的过程。施放空穴的过程也可以看作俘获电子的过程。 浅能级浅能级很靠近导带底的施主能级、很靠近价带顶的受主能级很靠近导带底的施主能级、很靠近价带顶的受主能级 *4 2 22 0 ( ) 2 4 n r m q U r n 电势能 4 0 2 22 0 (1) 2 4 n m q E n （1 1） 氢原子基态电子的电离能氢原子基态电子的电离能 量子力学的数学推导表明，氢原子电子的能量满足： 4 0 01 22 0 (2) 8 mq EEE h 故基态电子的电离能

16、： （2 2） 用类氢原子模型估算浅能级杂质的电离能用类氢原子模型估算浅能级杂质的电离能 浅能级杂质 = 杂质离子 + 束缚电子（空穴） 正、负电荷所处介质： 0r 2.1.4 浅能级杂质电离的简单计算浅能级杂质电离的简单计算1 估算结果与实际测量值有相同数量级估算结果与实际测量值有相同数量级 Ge： ED 0.0064 eV Si: ED 0.025 eV *4* 0 2222 00 (3) 8 nn D rr m qmE E hm 施主电离能 *4* 0 2222 00 (4) 8 pp A rr m qm E E hm 受主电离能 杂质的补偿作用杂质的补偿作用 问题问题 假如在半导体材料

17、中，同时存在着施主和受主杂质，假如在半导体材料中，同时存在着施主和受主杂质， 该如何判断半导体究竟是该如何判断半导体究竟是N型还是型还是P型型 ？ 答答 应该比较两者浓度的大小，应该比较两者浓度的大小， 由浓度大的杂质来决定半导体的导电类型由浓度大的杂质来决定半导体的导电类型 施主和受主杂质之间有相互抵消的作用施主和受主杂质之间有相互抵消的作用 2.1.5 杂质的补偿作用杂质的补偿作用 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 n 导带中的电子浓度导带中的电子浓度 p 价带中的空穴浓度价带中的空穴浓度 假设施主和受主杂质全部电离，分情况讨论杂质的补偿作用。假设施主和受主杂

18、质全部电离，分情况讨论杂质的补偿作用。 考虑只有一种施主杂质和一种受主杂质的情况：考虑只有一种施主杂质和一种受主杂质的情况： NDNA时，受主能级低于施时，受主能级低于施 主能级，所以施主杂质的电主能级，所以施主杂质的电 子首先跃迁到受主能级上，子首先跃迁到受主能级上， 填满填满N A个受主能级，还剩 个受主能级，还剩 (ND-NA)个电子在施主能级上，个电子在施主能级上， 杂质全部电离时，它们跃迁杂质全部电离时，它们跃迁 到导带中成为导电电子，这到导带中成为导电电子，这 时，时，n=ND-NAND，半导体是，半导体是 N型的型的 NAND时，施主能级上时，施主能级上 的全部电子跃迁到受主能的

19、全部电子跃迁到受主能 级上后，受主能级还有级上后，受主能级还有 (NA-ND)个空穴，它们可个空穴，它们可 以跃迁到价带成为导电空以跃迁到价带成为导电空 穴，穴，p=NA-NDNA，半导，半导 体是体是P型的型的 经过补偿之后，半导体中的净杂质浓度经过补偿之后，半导体中的净杂质浓度 当当ND NA时，则（时，则（ND-NA）为有效施主浓度）为有效施主浓度 当当NA ND时，则（时，则（NA-ND）为有效受主浓度）为有效受主浓度 利用杂质补偿的作用，就可利用杂质补偿的作用，就可 以根据需要用扩散或离子注以根据需要用扩散或离子注 入等方法来改变半导体中某入等方法来改变半导体中某 一区域的导电类型，

20、以制备一区域的导电类型，以制备 各种器件。各种器件。 若控制不当，会出现若控制不当，会出现NDNA的现象，的现象， 这时，施主电子刚好填充受主能级，这时，施主电子刚好填充受主能级， 虽然晶体中杂质可以很多，但不能虽然晶体中杂质可以很多，但不能 向导带和价带提供电子和空穴，向导带和价带提供电子和空穴， （杂质的高度补偿）。这种材料容（杂质的高度补偿）。这种材料容 易被误认为是高纯度的半导体，实易被误认为是高纯度的半导体，实 际上却含有很多杂质，性能很差。际上却含有很多杂质，性能很差。 非非、族元素掺入硅、锗中也会在禁带中引入能族元素掺入硅、锗中也会在禁带中引入能 级，这些能级一般有以下两个特点：

21、级，这些能级一般有以下两个特点： （1）施主能级距离导带底较远，产生的受主能级）施主能级距离导带底较远，产生的受主能级 距离价带顶也较远。称为深能级，相应的杂质称为深距离价带顶也较远。称为深能级，相应的杂质称为深 能级杂质；能级杂质； （2）这些深能级杂质能产生多次电离，每一次电）这些深能级杂质能产生多次电离，每一次电 离相应有一个能级。因此，杂质在硅、锗的禁带中往离相应有一个能级。因此，杂质在硅、锗的禁带中往 往引入若干个能级。而且，有的杂质既能引入施主能往引入若干个能级。而且，有的杂质既能引入施主能 级，又能引入受主能级。级，又能引入受主能级。 2.1.6 深能级杂质深能级杂质 深能级杂质

22、，一般情况下在半导体中的含量极少，深能级杂质，一般情况下在半导体中的含量极少， 而且能级较深，它们对半导体中的导电电子浓度、而且能级较深，它们对半导体中的导电电子浓度、 导电空穴浓度和导电类型的影响没有浅能级杂质导电空穴浓度和导电类型的影响没有浅能级杂质 明显，但对于载流子的复合作用比浅能级杂质强，明显，但对于载流子的复合作用比浅能级杂质强， 故这些杂质也称为故这些杂质也称为复合中心，复合中心，它们引入的能级就它们引入的能级就 称为称为复合中心能级复合中心能级。金是一种很典型的复合中心，。金是一种很典型的复合中心， 在制造高速开关器件时，常有意地掺入金以在制造高速开关器件时，常有意地掺入金以提

23、高提高 器件的速度器件的速度。 2.2 -族化合物半导体中的特殊杂质族化合物半导体中的特殊杂质 1 1、等电子陷阱、等电子陷阱 等电子杂质：等电子杂质： 特征：a、与本征元素同族但不同原子序数 例：例：GaP中掺入族的N或As b、以替位形式存在于晶体中，基本上是电中性的。 存在着由核心力引起的短程作用力，它们可以吸引一个导带 电子(空穴)而变成负(正)离子，前者就是电子陷阱电子陷阱，后者就是 空穴陷阱空穴陷阱。 N NP 等电子杂质占据本征原子位置(如N占据GaAs中的As位)后，即 2、两性杂质、两性杂质 举例：举例：GaAs中掺中掺Si（族）族） Ga：族族 As：族族 SiGa施主 S

24、iAs受主 两性杂质：两性杂质：在化合物半导体中，某些杂在其 中既可以作施主又可以作受，这种杂质称为 两性杂质。 两性杂质 当半导体中的某些区域，晶格中的原子周期性 排列被破坏时就形成了各种缺陷。 缺陷分为三类： 点缺陷：如空位，间隙原子，替位原子； 线缺陷：如位错； 面缺陷：如层错等。 2.3 半导体中的缺陷和位错半导体中的缺陷和位错 在一定温度下，晶格原子不仅在平衡位置附近作振动运在一定温度下，晶格原子不仅在平衡位置附近作振动运 动（通常称之为热振动），而且有一部分原子会获得足动（通常称之为热振动），而且有一部分原子会获得足 够的能量，克服周围原子对它的束缚，挤入晶格原子间够的能量，克服周

25、围原子对它的束缚，挤入晶格原子间 的间隙，形成间隙原子，原来的位置就成为空位。的间隙，形成间隙原子，原来的位置就成为空位。 间隙原子和空位成对出现的缺陷间隙原子和空位成对出现的缺陷 只在晶格内形成空位而无间隙原子只在晶格内形成空位而无间隙原子 的缺陷的缺陷 均由温度引起，又称之为热缺陷，它们总是同时存在的。均由温度引起，又称之为热缺陷，它们总是同时存在的。 间隙原子和空位一方面不断地产生，另一方面两间隙原子和空位一方面不断地产生，另一方面两 者又不断地复合，达到一个平衡浓度值。者又不断地复合，达到一个平衡浓度值。 由于原子须具有较大的能量才能挤入间隙位置，而且迁移由于原子须具有较大的能量才能挤

26、入间隙位置，而且迁移 时激活能很小，所以晶体中空位比间隙原子多得多，空位时激活能很小，所以晶体中空位比间隙原子多得多，空位 成了常见的点缺陷。成了常见的点缺陷。 在在元素半导体硅、锗元素半导体硅、锗中存在的空位最邻近有四个原子，每个中存在的空位最邻近有四个原子，每个 原子各有一个不成对的价电子，成为不饱和的共价键，这些原子各有一个不成对的价电子，成为不饱和的共价键，这些 键倾向于接受电子，因此空位表现出受主作用。键倾向于接受电子，因此空位表现出受主作用。 而每一个间隙原子有四个可以失去的未形成共价键的价电子，而每一个间隙原子有四个可以失去的未形成共价键的价电子， 表现出施主作用。表现出施主作用。 在在-族化合物族化合物中，除了热振动