第二章半导体中的杂质和缺陷

1、施洪龙 电话：68930256 半导体物理 地址：中央民族大学1#东配楼 目录 第一章 半导体中的电子状态 第二章 半导体中的杂质和缺陷 第三章 载流子的统计分布 第四章 半导体的导电性 第五章 非平衡载流子 第六章 pn结 第七章 金属和半导体的接触 第八章 半导体异质节 第九章 半导体中的光电现象 第十章 半导体中的热电形状 第十一章 半导体中的磁-光效应 u 硅锗晶体中的杂质能级 u III-V族化合物的杂质能级 u 氮化镓、氮化铝中的杂质能级 u 缺陷、位错能级 第二章 半导体中的杂质和缺陷 碲化镉 第二章 半导体中的杂质和缺陷 理想晶体：原子在三维空间周期性排布； 实际晶体：原子的热

2、振动(声子)、不规则排列、空位、缺陷 缺陷 点缺陷：空位、间隙原子； 线缺陷：位错； 面缺陷：层错、晶界、界面等。 空位空穴 杂质与缺陷 第二章 半导体中的杂质和缺陷 大量实验表明，极少量的杂质或缺陷对可能会对半导体的物理、化 学性能产生决定性影响。 杂质、缺陷破坏周期性势场在禁带中出现杂质能级 半导体的物理、化学性能 第二章 半导体中的杂质和缺陷 半导体中的杂质取决于原料纯度、制备过程中的污染、人为掺杂。 把原子看成是半径为r的圆球，单晶硅的体积 占有率为： 钢球半径为1/8对角线( )3a 单胞内钢球的总体积为 3 4 8 () 3 r 33 4 8 ()/0.34 3 ra 这表明金刚石

3、结构中存在66%的孔隙！ 第二章 半导体中的杂质和缺陷 间隙空位 第二章 半导体中的杂质和缺陷 替代式杂质原子：个头和价电子与目标原子相近 杂质原子 间隙式杂质原子：原子个头较小 单位体积中的杂质原子数称为杂质浓度，用来表示晶体中的杂质含 量。 第二章 半导体中的杂质和缺陷 硅原子有4个价电子，如果用含有5个价电子的磷原子替代， 磷原子与周围的4个硅原子形成4对共价键，但还剩一个电子； 等效于形成一个正电中心和多余的一个电子，多余的电子弱束缚在 正电中心的周围； 该电子只需很小的能量就能摆脱正电中心的束缚，成为自由运动的 电子，该过程称为杂质电离，对应的能量为杂质电离能 硅锗中的杂质电离能很小

4、，约为0.01-0.05eV，远小于禁带宽度！ 该类替代能提供导电的多余电子，称为施主杂质，对应的电离称为 施主电离，未电离态称为束缚态或中性态，正电中心为离化态。 第二章 半导体中的杂质和缺陷 杂质电离能很小，位于离导带底 处的禁带中，施主能级用ED表示 (donate)。 杂质浓度很低，杂质间相互作用可忽略，施主能级是孤立能级。 当电子吸收 的能量后就能跃迁到导带中形成电子。 在纯净半导体中掺入施主杂质能引入多余电子，所以该半导体又称 为电子型或n型半导体(negative)。 第二章 半导体中的杂质和缺陷 如果用含3个价电子的硼来替代硅 原子，它与周围的4个硅原子形成4 对共价键，但缺1

5、个电子。 需要从附近的硅原子中夺一个电子，形成带负电的硼离子(负电中 心)，硅原子上出现空穴，并受负电中心的束缚。 这种束缚作用也很弱，很容易被电离而形成可移动的空穴。由于空 穴是受主且带正电，常称为受主杂质或p性杂质(positive). 使空穴摆脱受主杂质束缚成为导电空穴所需的能量，称为受主杂质 电离能，用表示 (accept)。也形成孤立能级，位于价带顶附近 的禁带中。 受主电离实际上是电子的迁移过程，即价电子吸收一定能量后跃迁 到受主能级上填充空穴，并在价带顶留下空穴。 第二章 半导体中的杂质和缺陷 不管是施主杂质还是受主杂质，其能级非常接近于导带或底价带顶， 通常又称为浅能级。 在室

6、温下，晶格振动的能量会传给电子，发生跃迁，所以硅锗中的 III和V族杂质几乎全部被电离。 浅能级杂质电离能的估算类氢模型 上述杂质是由电荷中心和电子或空穴组成，类似于氢原子。 氢原子的能量为 基态能量为： 电离态能量为： 基态电离能： 氢原子基态电离能很大，很难被激发！ 第二章 半导体中的杂质和缺陷 晶体内的原子、载流子处于介电常数为 的介质中，则电 子受正电中心的引力减弱 倍，束缚能减弱 倍。 电子在晶格周期势中运动，惯性质量用有效质量来替代。 电离能 施主杂质： 受主杂质： 由于硅锗的相对介电常数分别为16和12，对应的电离能就为： 和 第二章 半导体中的杂质和缺陷 杂质的补偿作用 如果半

7、导体中同时存在施主杂质和受主杂质，半导体的类型取决于 各杂质的浓度。施主杂质和受主杂质间的相互抵消作用称为杂质的 补偿作用。 杂质浓度 施主： 受主： 导带中电子浓度：n 价带中电子浓度：p 第二章 半导体中的杂质和缺陷 杂质的补偿作用 NDNA: 由于受主能级低于施主能级，施主能级上的电子首先回复到受主能 级。 还剩ND-NA个电子位于施主能级上，并进一步跃迁到导带中形成导 电电子。 电子浓度n=ND-NAND，半导体是n型。 第二章 半导体中的杂质和缺陷 杂质的补偿作用 NDNA: 由于受主能级低于施主能级，施主能级上的电子全部跃迁到受主能 级上。 受主能级上还存在NA-ND个空穴，所以空

8、穴浓度为p=NA-NDNA 属于p性半导体。 利用杂质补偿作用，就能根据需要用 扩散或离子注入来改变半导体中某一 区域的导电类型。 如果补偿不当，出现NAND，虽然杂 质很多，也不能提供电子或空穴。 第二章 半导体中的杂质和缺陷 深能级杂质 非III、V族杂质在硅锗的禁带中产生的施主能级离导带底较远，受 主能级离价带顶也较远，该能级称为深能级，对应的杂质为深能级 杂质。 这些深能级杂质能够产生多次电离，每次电离都产生一个能级。这 些杂质在硅锗禁带中往往引入若干能级。 第二章 半导体中的杂质和缺陷 深能级杂质 I族Cu、Au、Ag均产生三个受主能级，Au还产生一个施主能级； II族Be、Zn、H

9、g各产生两个受主能级； III族B、Al、Ga、In各产生一个受主能级； IV族C产生一个受主能级,Ti产生一个受主两个施主能级； V族P、As、Sb各产生一个浅施主能级； VI族O产生两个施主和三个受主能级，S产生两个施主一个受主； 深能级杂质含量极少，能级较深，对半导体中导电电子或空穴的浓 度影响较小，但对载流子的复合作用比浅能级杂质强，常称为复合 中心。 第二章 半导体中的杂质和缺陷 III-V族化合物中的杂质能级 光敏半导体：硫化物、硒化物、碲化物等 热敏半导体：氧化物、硫化物等 III-V族化合物 第二章 半导体中的杂质和缺陷 III-V族化合物中的杂质能级 III-V族杂质掺入到I

10、II-V族化合物中，实验中检测不到杂质的影响， 因为它们既不是施主也不是受主杂质，呈电中性，在禁带中不引入 杂质能级。 如果用与母体具有相同价电子的杂质原子替代母体原子，整块晶体 仍呈电中性。但由于原子序数的不同，其电负性存在较大差异，仍 能俘获载流子而形成电荷中心。该俘获中心又称等电子势阱 等电子势阱俘获载流子后成为带电中心，由于库伦作用又能俘获异 性载流子而形成束缚激子。这种束缚激子在间接带隙半导体的发光 特性中起着非常关键的作用。 第二章 半导体中的杂质和缺陷 T0 K，原子不停的平衡位置附近振动，有些原子可能从外界吸收 足够的能量克服晶格势的束缚，挤入间隙中形成间隙原子，并留下 一个空

11、位。 间隙原子和空位是成对出现的，常称为弗兰克尔缺陷。如果原子溢 出晶体表面，在晶体内形成空位，则称为肖特基缺陷。 间隙原子和空穴不断地出现，又不断地复合，最终达到动态平衡。 以上由温度激发的缺陷称为热缺陷。 实验中我们可以通过化学偏析来控制材料的导电类型：在较大的硫 分压中退火硫化铅，会出现铅空位而形成p型硫化铅；如果在铅分 压中退火，则得到n型硫化铅。 点缺陷 第二章 半导体中的杂质和缺陷 位错是种线缺陷，会对半导体的性能产生严重影响。 硅锗中的位错为60棱位错，位于(111)晶面的101方向沿110 方向滑移。位错线和滑移方向成60角。 位错芯与周围三原子形成共价键，还有一个不成对的电子形成不饱 和的共价键，此时呈电中性。当未饱和键吸收一个电子后就成了负 电中心，起受主的作用；如果未