哈工大__课件半导体物理(第二章)

1、第第2 2章章 半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级 n理想半导体：理想半导体： 1 1、原子严格地周期性排列，晶体具有完整的晶格、原子严格地周期性排列，晶体具有完整的晶格 结构。结构。 2 2、晶体中无杂质，无缺陷。、晶体中无杂质，无缺陷。 3 3、电子在周期场中作共有化运动，形成允带和禁、电子在周期场中作共有化运动，形成允带和禁 带带电子能量只能处在允带中的能级上，禁带中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）晶格结晶体具有完整的（完美的）晶格结 构，无任何杂质和缺陷。构，无任何杂

2、质和缺陷。 第第2 2章半导体中杂质和缺陷能级章半导体中杂质和缺陷能级 n实际材料中实际材料中 1 1、总是有杂质、缺陷，使周期场破坏，在杂质、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或缺陷周围引起局部性的量子态对应的能对应的能 级常常处在禁带中，对半导体的性质起着决定级常常处在禁带中，对半导体的性质起着决定 性的影响。性的影响。 2 2、杂质电离提供载流子。、杂质电离提供载流子。 2.12.1半导体中的杂质能级半导体中的杂质能级 2.1.1 2.1.1 硅锗晶体中的杂质能级硅锗晶体中的杂质能级 （1 1）晶体中杂质的存在方式）晶体中杂质的存在方式 杂质的来源杂质的

3、来源 n由于纯度有限，半导体原材料所含有的杂质由于纯度有限，半导体原材料所含有的杂质 n半导体单晶制备和器件制作过程中的污染半导体单晶制备和器件制作过程中的污染 n为改变半导体的性质，在器件制作过程中有目为改变半导体的性质，在器件制作过程中有目 的掺入的某些特定的化学元素原子的掺入的某些特定的化学元素原子 杂质原子进入半导体晶体后，杂质原子进入半导体晶体后， 以两种方式存在以两种方式存在 n一种方式是杂质原子位于品一种方式是杂质原子位于品 格原子间的间隙位置，常称格原子间的间隙位置，常称 为间隙式杂质（为间隙式杂质（A A） n另一种方式是杂质原子取代另一种方式是杂质原子取代 晶格原子而位于晶

4、格点处，晶格原子而位于晶格点处， 常称为替位式杂质（常称为替位式杂质（B B） 间隙式杂质和替位式杂质间隙式杂质和替位式杂质 2.12.1半导体中的杂质能级半导体中的杂质能级 2.1.1 2.1.1 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：两种杂质特点： n间隙式杂质原子小于晶体原子，如：锂离子，间隙式杂质原子小于晶体原子，如：锂离子，0.068nm0.068nm n替位式杂质：替位式杂质： 1 1）杂质原子的大小与被取代的晶格原子的大小比较相近）杂质原子的大小与被取代的晶格原子的大小比较相近 2 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、V V

5、族元素在硅、锗中均为替位式杂质族元素在硅、锗中均为替位式杂质 2.12.1半导体中的杂质能级半导体中的杂质能级 2.1.1 2.1.1 硅锗晶体中的杂质能级硅锗晶体中的杂质能级 n（2 2）施主杂质）施主杂质 V V族元素在硅、锗中电离时能够释放电子而产族元素在硅、锗中电离时能够释放电子而产 生导电电子并形成正电中心，称此类杂质为生导电电子并形成正电中心，称此类杂质为 施主杂质或施主杂质或n n型杂质。型杂质。 2.12.1半导体中的杂质能级半导体中的杂质能级 2.1.1 2.1.1 硅锗晶体中的杂质能级硅锗晶体中的杂质能级 以硅中掺磷以硅中掺磷P P为例：为例： n 磷原子占据硅原子的位置。

6、磷原子占据硅原子的位置。 磷原子有五个价电子。其中磷原子有五个价电子。其中 四个价电子与周围的四个硅四个价电子与周围的四个硅 原于形成共价键，还剩余一原于形成共价键，还剩余一 个价电子。个价电子。 n 这个多余的价电子就束缚这个多余的价电子就束缚 在正电中心在正电中心P P的周围。价电的周围。价电 子只要很少能量就可挣脱束子只要很少能量就可挣脱束 缚，成为缚，成为导电电子导电电子在晶格中在晶格中 自由运动自由运动 n 这时磷原子就成为少了一这时磷原子就成为少了一 个价电子的磷离子个价电子的磷离子P P ，它是 ，它是 一个不能移动的一个不能移动的正电中心正电中心。 2.12.1半导体中的杂质能

7、级半导体中的杂质能级 2.1.1 2.1.1 硅锗晶体中的杂质能级硅锗晶体中的杂质能级 n施主杂质向导带释放电子的过程为施主杂质向导带释放电子的过程为施主施主电离电离 n施主杂质未电离之前是电中性的称为施主杂质未电离之前是电中性的称为中性态或中性态或 束缚态束缚态 n电离后成为正电中心称为电离后成为正电中心称为离化态或电离态离化态或电离态 n使多余的价电子挣脱束缚成为导电电子所需要使多余的价电子挣脱束缚成为导电电子所需要 的最小能量称为的最小能量称为施主施主电离能，电离能，施主电离能为施主电离能为 E ED D n被施主杂质束缚的电子的能量状态称为被施主杂质束缚的电子的能量状态称为施主能施主能

8、 级级，记为，记为E ED D，。，。 n施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主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，使半导体成为离子，同时向导带提供电子，使半导体成为电电 子子导电的导电的n n型半导体型半导体。 2.12.1半导体中的杂质能级半导体中的杂质能级 2.1.1 2.1.1 硅锗晶体中的杂质能级硅锗晶体中的杂质能级 n（3 3）受主杂质）受主杂质 IIIIII族元素在硅、锗中电离时能够接受电子而族元素在硅、锗中电离时能够接受电子而 产生导电空穴并形成负电中心，称此类杂质产生导电空穴并形成负电中心，称此类杂质 为受主杂质或为受主杂质或p p型杂质。型

9、杂质。 2.12.1半导体中的杂质能级半导体中的杂质能级 2.1.1 2.1.1 硅锗晶体中的杂质能级硅锗晶体中的杂质能级 2.1.3 受主杂质受主杂质 受主能级受主能级 以硅中掺硼以硅中掺硼B B为例：为例： n B B原子占据硅原子的位置。原子占据硅原子的位置。 磷原子有三个价电子。与周磷原子有三个价电子。与周 围的四个硅原于形成共价键围的四个硅原于形成共价键 时还缺一个电子，就从别处时还缺一个电子，就从别处 夺取价电子，这就在夺取价电子，这就在SiSi形成形成 了一个空穴。了一个空穴。 n 这时这时B B原子就成为多了一原子就成为多了一 个价电子的磷离子个价电子的磷离子B B，它，它 是

10、一个不能移动的负是一个不能移动的负电中心电中心。 n 空穴束缚在正电中心空穴束缚在正电中心B B 的周围。空穴只要很少能量的周围。空穴只要很少能量 就可挣脱束缚，成为就可挣脱束缚，成为导电空导电空 穴穴在晶格中自由运动在晶格中自由运动 n受主杂质释放空穴的过程称为受主杂质释放空穴的过程称为受主电离受主电离 n使空穴挣脱束缚成为导电空穴所需要的最小能使空穴挣脱束缚成为导电空穴所需要的最小能 量称为量称为受主电离能，受主电离能，记为记为E EA A n空穴被受主杂质束缚时的能量状态称为空穴被受主杂质束缚时的能量状态称为受主能受主能 级，级，记为记为E EA A n受主杂质电离后成为不可移动的带负电

11、的受主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，使半导体成为离子，同时向价带提供空穴，使半导体成为空空 穴穴导电的导电的p p型半导体型半导体。 2.12.1半导体中的杂质能级半导体中的杂质能级 2.1.1 2.1.1 硅锗晶体中的杂质能级硅锗晶体中的杂质能级 n浅能级杂质浅能级杂质：电离能小的杂质称为浅能级杂质。：电离能小的杂质称为浅能级杂质。 n所谓所谓浅能级浅能级，是指施主能级靠近导带底，受主，是指施主能级靠近导带底，受主 能级靠近价带顶。能级靠近价带顶。 n室温下，掺杂浓度不很高的情况下，浅能级杂室温下，掺杂浓度不很高的情况下，浅能级杂 质几乎可以可以全部电离

12、。五价元素磷（质几乎可以可以全部电离。五价元素磷（P P）、）、 锑（锑（SbSb）在硅、锗中是浅受主杂质，三价元素）在硅、锗中是浅受主杂质，三价元素 硼（硼（B B）、铝（）、铝（AlAl）、镓（）、镓（GaGa）、铟（）、铟（InIn）在）在 硅、锗中为浅受主杂质。硅、锗中为浅受主杂质。 2.12.1半导体中的杂质能级半导体中的杂质能级 2.1.1 2.1.1 硅锗晶体中的杂质能级硅锗晶体中的杂质能级 例例 题题 n施主杂质电离后向半导体提供（施主杂质电离后向半导体提供（ ），受主），受主 杂质电离后向半导体提供（杂质电离后向半导体提供（ ），本征激发），本征激发 向半导体提供（向半导体提

13、供（ ） A. A. 空穴空穴 B. B. 电子电子 B A A、B n利用类氢原子模型，以锗、硅为例，计算施主杂质电离能利用类氢原子模型，以锗、硅为例，计算施主杂质电离能 解：氢原子基态电离能解：氢原子基态电离能 施主杂质电离能表示为施主杂质电离能表示为 电子有效质量电子有效质量 * 000 * 0 22 0 1.64,0.08190.12 0.12 13.6 0.00637 16 ltrn n D r Gemmmmmm mE EeV m 对于， =,=16 代入可得 故 4 0 222 0 8 n m q E h n 01 13.6EEEV *4* 0 2222 00 8 nn D rr

14、m qmE E hm * 11 12 3 nlt mmm , lt m m分别表示纵向和横向有效质量 * 000 * 0 22 0 0.98,0.190.26 0.26 13.6 0.025 12 ltn n D r Simmmmmm mE EeV m r 对于 ， =, =12代入可得 故 2.12.1半导体中的杂质能级半导体中的杂质能级 2.1.22.1.2浅能级杂质电离能的简单计算浅能级杂质电离能的简单计算 n杂质补偿杂质补偿：半导体中存在施主杂质和受半导体中存在施主杂质和受 主杂质时，它们的共同作用会使载流子主杂质时，它们的共同作用会使载流子 减少，这种作用称为杂质补偿。在制造减少，这

15、种作用称为杂质补偿。在制造 半导体器件的过程中，通过采用杂质补半导体器件的过程中，通过采用杂质补 偿的方法来改变半导体某个区域的导电偿的方法来改变半导体某个区域的导电 类型或电阻率。类型或电阻率。 2.12.1半导体中的杂质能级半导体中的杂质能级 2.1.3 2.1.3 杂质的补偿作用杂质的补偿作用 1） ： 受主能级低于施主能级，剩余杂质受主能级低于施主能级，剩余杂质 DA NN DA NN 2.12.1半导体中的杂质能级半导体中的杂质能级 2.1.3 2.1.3 杂质的补偿作用杂质的补偿作用 2） ：施主能级低于受主能级，剩余杂质：施主能级低于受主能级，剩余杂质 DA NN AD NN 2

16、.12.1半导体中的杂质能级半导体中的杂质能级 2.1.3 2.1.3 杂质的补偿作用杂质的补偿作用 n有效杂质浓度有效杂质浓度 n补偿后半导体中的净杂质浓度。补偿后半导体中的净杂质浓度。 n当当N ND DNNA A 高度补偿高度补偿：若施主杂质浓度与受主杂质浓度相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，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度补偿。这种材料容易这种情况称为杂质的高度补偿。这种材料容易 被误认为高纯度半导体，实际上含杂质很多，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。性能很差，一般不

17、能用来制造半导体器件。 2.12.1半导体中的杂质能级半导体中的杂质能级 2.1.3 2.1.3 杂质的补偿作用杂质的补偿作用 深能级杂质深能级杂质：非：非、族杂质在族杂质在SiSi、GeGe的禁带的禁带 中产生的施主能级远离导带底，受主能级远离中产生的施主能级远离导带底，受主能级远离 价带顶。价带顶。 n杂质电离能大杂质电离能大 n能够产生多次电离，能够产生多次电离，每次电离都对应着一个特定每次电离都对应着一个特定 的能级。在禁带中引入多个能级。的能级。在禁带中引入多个能级。 n具有两重性，既能电离提供电子又能电离提供空具有两重性，既能电离提供电子又能电离提供空 穴，所以既能引入施主能级又能

18、引入受主能级。穴，所以既能引入施主能级又能引入受主能级。 2.12.1半导体中的杂质能级半导体中的杂质能级 2.1.4 2.1.4 深能级杂质深能级杂质 深能级的形成深能级的形成 n族杂质族杂质. .多于两个价电子被两个正电荷的杂质中心束缚，多于两个价电子被两个正电荷的杂质中心束缚， 类似于一个氦原子，其每个电子平均受到大于一电子电荷类似于一个氦原子，其每个电子平均受到大于一电子电荷 的正电中心的作用，从而深能级杂质的电离能比浅能级杂的正电中心的作用，从而深能级杂质的电离能比浅能级杂 质要大。在电离出一个电子后，带有两个正电荷的杂质中质要大。在电离出一个电子后，带有两个正电荷的杂质中 心使第二

19、个电子电离需要更大能量，对应更深的能级，所心使第二个电子电离需要更大能量，对应更深的能级，所 以以族杂质在硅锗中一般产生两重施主能级，如锗中的硒、族杂质在硅锗中一般产生两重施主能级，如锗中的硒、 碲。碲。 n族杂质族杂质. . 一方面可以失去唯一价电子产生一个施主能级，一方面可以失去唯一价电子产生一个施主能级， 另一方面也能依次接受三个电子与周围四个近邻原子形成另一方面也能依次接受三个电子与周围四个近邻原子形成 共价键，相应产生三个由浅到深的受主深能级。原则上共价键，相应产生三个由浅到深的受主深能级。原则上 族杂质能产生三重受主能级，但是较深的受主能级有可能族杂质能产生三重受主能级，但是较深的

20、受主能级有可能 处于允带之中，某些处于允带之中，某些族杂质受主能级少于三个。族杂质受主能级少于三个。 n族杂质。与族杂质。与族杂质情况类似，可以产生两重受主能级。族杂质情况类似，可以产生两重受主能级。 2.12.1半导体中的杂质能级半导体中的杂质能级 2.1.4 2.1.4 深能级杂质深能级杂质 n深能级杂质对半导体的影响深能级杂质对半导体的影响 1、含量极少，而且能级较深，不易在室温下电离，对载、含量极少，而且能级较深，不易在室温下电离，对载 流子浓度影响不大；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、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。主能

21、级。 3、能级位置利于促进载流子的复合，其复合作用比浅能、能级位置利于促进载流子的复合，其复合作用比浅能 级杂质强，使少数载流子寿命降低，称这些杂质为级杂质强，使少数载流子寿命降低，称这些杂质为 复合中心杂质。（在第五章详细讨论）。复合中心杂质。（在第五章详细讨论）。 4、深能级杂质电离后对载流子起散射作用，使载流子迁、深能级杂质电离后对载流子起散射作用，使载流子迁 移率减少，导电性能下降。移率减少，导电性能下降。 2.12.1半导体中的杂质能级半导体中的杂质能级 2.1.4 2.1.4 深能级杂质深能级杂质 杂质在砷化镓中的存在形式杂质在砷化镓中的存在形式 三种情况：三种情况： 1 1）取代

22、砷）取代砷 2 2）取代镓）取代镓 3 3）填隙）填隙 2.12.1半导体中的杂质能级半导体中的杂质能级 2.1.5 2.1.5 化合物半导体中的杂质能级化合物半导体中的杂质能级 n族杂质族杂质. .与与族原子价电子数相近，通常取代晶格中族原子价电子数相近，通常取代晶格中 族原子，因为少一个价电子，取代晶格原子后，具族原子，因为少一个价电子，取代晶格原子后，具 有获得一个电子完成共价键的趋势，是受主杂质，而有获得一个电子完成共价键的趋势，是受主杂质，而 且电离能较小，在且电离能较小，在-族化合物中引入浅受主能级，族化合物中引入浅受主能级， 所以所以族杂质是族杂质是-族化合物半导体的族化合物半导

23、体的p p型掺杂剂，型掺杂剂， 如如GaAsGaAs中的中的MgMg、ZnZn。 n族杂质族杂质. . 与与族晶格原子的价电子数相近，在族晶格原子的价电子数相近，在- 族化合物中取代族化合物中取代族晶格原子，与周围晶格原子形成族晶格原子，与周围晶格原子形成 共价键后多余一个价电子，易失去这个价电子成为施共价键后多余一个价电子，易失去这个价电子成为施 主杂质，一般引入浅能级，如主杂质，一般引入浅能级，如GaAsGaAs中的中的S S、SeSe。可作为。可作为 n n型掺杂剂。型掺杂剂。 n族杂质族杂质. . 既可以取代既可以取代族晶格原子起施主作用，又族晶格原子起施主作用，又 可以取代可以取代族

24、晶格原子起受主作用，从而在族晶格原子起受主作用，从而在-族化族化 合物中引入双重能级。合物中引入双重能级。 2.12.1半导体中的杂质能级半导体中的杂质能级 2.1.5 2.1.5 化合物半导体中的杂质能级化合物半导体中的杂质能级 n 四族元素硅在砷化镓中会产生双性四族元素硅在砷化镓中会产生双性 行为，即硅的浓度较低时主要起施主行为，即硅的浓度较低时主要起施主 杂质作用，当硅的浓度较高时，一部杂质作用，当硅的浓度较高时，一部 分硅原子将起到受主杂质作用。分硅原子将起到受主杂质作用。 n 这种双性行为可作如下解释：这种双性行为可作如下解释： 因为在硅杂质浓度较高时，硅原因为在硅杂质浓度较高时，硅

25、原 子不仅取代镓原子起着施主杂质的作子不仅取代镓原子起着施主杂质的作 用，而且硅也取代了一部分用，而且硅也取代了一部分V V族砷原族砷原 子而起着受主杂质的作用，因而对于子而起着受主杂质的作用，因而对于 取代取代族原子镓的硅施主杂质起到补族原子镓的硅施主杂质起到补 偿作用，从而降低了有效施主杂质的偿作用，从而降低了有效施主杂质的 浓度，电子浓度趋于饱和。浓度，电子浓度趋于饱和。 2.12.1半导体中的杂质能级半导体中的杂质能级 2.1.5 2.1.5 化合物半导体中的杂质能级化合物半导体中的杂质能级 n等电子杂质等电子杂质 当当族或族或族杂质掺入不是由它们本身构成的族杂质掺入不是由它们本身构成

26、的-族化族化 合物中，取代同族晶格原子时，既可以引入杂质能级，也可合物中，取代同族晶格原子时，既可以引入杂质能级，也可 能不引入能级，这取决于杂质种类和能不引入能级，这取决于杂质种类和-族化合物的种类。族化合物的种类。 与晶格基质原子具有相同价电子的杂质称为等电子杂质。与晶格基质原子具有相同价电子的杂质称为等电子杂质。 等电子杂质取代晶格上的同族原子后，因为与晶格原子的共等电子杂质取代晶格上的同族原子后，因为与晶格原子的共 价半径与负电性的显著差别，能够在晶体中俘获某种载流子价半径与负电性的显著差别，能够在晶体中俘获某种载流子 成为带电中心，这种带电中心叫等电子陷阱。成为带电中心，这种带电中心

27、叫等电子陷阱。 例例如，如，GaAsGaAs中，中，（或（或）族杂质取代）族杂质取代Ga(Ga(或或As)As)时，不引时，不引 入禁带能级。在入禁带能级。在GaPGaP中中族杂质族杂质N N、BiBi取代取代P P就能在禁带中引入就能在禁带中引入 能级，能级，N N和和BiBi就是等电子陷阱，等电子陷阱俘获的载流子的能就是等电子陷阱，等电子陷阱俘获的载流子的能 量状态就是在禁带中引入的相应能级。量状态就是在禁带中引入的相应能级。 2.12.1半导体中的杂质能级半导体中的杂质能级 2.1.5 2.1.5 化合物半导体中的杂质能级化合物半导体中的杂质能级 2.2 2.2 半导体中的缺陷能级半导体

28、中的缺陷能级 2.2.1 2.2.1 点缺陷（热缺陷）点缺陷（热缺陷） 点缺陷的种类：点缺陷的种类： 弗仑克耳缺陷：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：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 间隙原子缺陷：间隙原子缺陷：只有间隙原子而无原子空位只有间隙原子而无原子空位 n点缺陷（热缺陷）特点点缺陷（热缺陷）特点 ： 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 热缺陷中以肖特基缺陷为主（即原子空位为主）。原热缺陷中以肖特基缺陷为主（即原子空位为主）。原 因：三种点缺陷中形成肖特基缺陷需要的能量最小因：三种点缺陷中形成肖特

29、基缺陷需要的能量最小 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。 退火后可以消除大部分缺陷。半导体器件生产工艺中，退火后可以消除大部分缺陷。半导体器件生产工艺中， 经高温加工（如扩散）后的晶片一般都需要进行退火经高温加工（如扩散）后的晶片一般都需要进行退火 处理。离子注入形成的缺陷也用退火来消除。处理。离子注入形成的缺陷也用退火来消除。 2.2 2.2 半导体中的缺陷能级半导体中的缺陷能级 2.2.1 2.2.1 点缺陷（热缺陷）点缺陷（热缺陷） n点缺陷对半导体性质的影响：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）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。在禁带中产生能级。 2 2）热缺陷能级大多为深能级，在半导