半导体中的杂质和缺陷ppt课件

1、半半 导导 体体 物物 理理(Semiconductor (Semiconductor Physics)Physics)主主 讲讲 ： 彭彭 新新 村村信工楼519室，87940615 : xcpengecit东华理工机电学院 电子科学与技术第二章第二章 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 非常纯真非常纯真不含任何杂质不含任何杂质晶格中的原子严厉晶格中的原子严厉按周期陈列按周期陈列实践运用中的实践

2、运用中的半导体资料半导体资料 原子不是静止在具有严厉周期性晶格的格点位置上，而是在其平衡位置附近振动半导体资料不纯真，而是含有假设干杂质，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践半导体的晶格构造并不是完好无缺的，而存在着各种方式的缺陷极其微量的杂质和缺陷，极其微量的杂质和缺陷，可以对半导体资料的物理性质可以对半导体资料的物理性质和化学性质产生决议性的影响和化学性质产生决议性的影响 在硅晶体中，假设以在硅晶体中，假设以105个硅原子中掺入一个杂质个硅原子中掺入一个杂质原子的比例掺入硼原子的比例掺入硼(B)原子，那么硅晶体的导电率在室温原子，那么硅晶体的导电率在室温下将添加下

3、将添加103倍。倍。 用于消费普通硅平面器件的硅单晶，位错密度要用于消费普通硅平面器件的硅单晶，位错密度要求控制在求控制在103cm-2以下，假设位错密度过高，那么不能以下，假设位错密度过高，那么不能够消费出性能良好的器件。够消费出性能良好的器件。(缺陷的一种缺陷的一种)由于杂质和缺陷的存在，会使严厉按周期陈列的原子所产由于杂质和缺陷的存在，会使严厉按周期陈列的原子所产生的周期性势场遭到破坏，有能够在禁带中引入允许电子生的周期性势场遭到破坏，有能够在禁带中引入允许电子存在的能量形状即能级，从而对半导体的性质产生决存在的能量形状即能级，从而对半导体的性质产生决议性的影响。议性的影响。 一制备半导

4、体的原资料纯度不够高；一制备半导体的原资料纯度不够高；二半导体单晶制备过程中及器件制造过程中的沾污；二半导体单晶制备过程中及器件制造过程中的沾污；三为了半导体的性质而人为地掺入某种化学元素的原子。三为了半导体的性质而人为地掺入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，这些空隙通常称为间隙位置。通常称为间隙位置。 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

5、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。填充。 间隙式杂质间隙式杂质原子半径普通比较小，如锂离子原子半径普通比较小，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方式存在。所以锂离子进入硅、锗、砷化镓后以间隙式杂质方式存在。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，且它原子的半径与被取代的晶格原子的半径大小比较相近，且它们的价电子壳层构造也比较相近。如硅、锗是们的价电子壳层构造也比较相近。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

6、、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，研讨为例，研讨族元素杂质的作用。当一个磷族元素杂质的作用。当一个磷原子占据了硅原子位置，磷原子原子占据了硅原子位置，磷原子有五个价电子，其中四个价电子有五个价电子，其中四个价电子与周围四个硅原子构成共价键，与周围四个硅原子构成共价键，还剩余一个价电子。磷原子成为还剩余一个价电子。磷原子成为一个带有一个正电荷的磷离子一个带有一个正电荷的磷离子P+，称为正电中心磷离子。，

7、称为正电中心磷离子。其效果相当于构成了一个正电中其效果相当于构成了一个正电中心和一个多余的电子。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，只需很小的能量就可以使多余电子挣脱束缚，成为自在电子在晶格中运动，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，它是一个不能挪动的正电中心。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。使这个多余电子挣脱束缚成为导电电子所需求的能量称为杂质电离能，用ED表示。实验测得，族元素原子在硅、锗中的电离能很小，在硅中电离能约为0.040.05eV，

8、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，可以施放电子而产生导电电子并构成正电中心。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真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，加强了半导体的导电才干，成为主要依托电子导电的半导体资料,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

9、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，成为不可挪动的正点中心。 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一样能量的孤立能级， 2.1.2 施主杂质、施主能级施主杂质

10、、施主能级4硅中掺入硼B为例，研讨族元素杂质的作用。当一个硼原子占据了硅原子的位置，如下图，硼原子有三个价电子，当它和周围的四个硅原子构成共价键时，还短少一个电子，必需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。其效果相当于构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，但这种束缚作用比共价键的束缚作用弱得多，只需很小的能量就可以使多余空穴挣脱束缚，成为自在空穴在晶格中运动，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

11、一个不能挪动的负电中心。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求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，在硅中约为0.0450.065eV，在锗中约为0.01 eV。 2.1.3 受主杂质、受主能级受主杂质、受主能级22.1.3 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导电空穴，族元素杂质在硅、锗中能接受电子而产生导电空穴，并构成负电中心。称为受主杂质或并构成负电中心。称为受主杂质或p型杂质。型杂质。受主杂质受主杂质/P型杂质型杂

12、质空穴挣脱受主杂质束缚的过程称为受主电离。空穴挣脱受主杂质束缚的过程称为受主电离。受主杂质未电离时是中性的，称为束缚态或中性态。受主杂质未电离时是中性的，称为束缚态或中性态。 空穴型半导体空穴型半导体/P型半导体型半导体纯真半导体中掺入受主杂质后，受主杂质电离，使价带中的纯真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，加强了半导体的导电空穴增多空穴密度大于电子密度，加强了半导体的导电才干，成为主要依托空穴导电的半导体资料。导电才干，成为主要依托空穴导电的半导体资料。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

13、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，成为不可挪动的负点中心。 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EV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，杂质原子间相互作用可忽略，所以受主能级可看作是一些具有一样能量的孤立能级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

14、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 分别分别构成构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，电荷数量一样，质量相当的粒子；电荷数量一样，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。浅能级浅能级很接近导带底的施主能级、很接

15、近价带顶的受主能级很接近导带底的施主能级、很接近价带顶的受主能级*42220( )2 4nrm qU rn 电势能402220(1)2 4nm qEn 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阐明，氢原子电子的能量满足：4001220(2)8mqEEEh 故基态电子的电离能：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估算结果与实践丈量值有一样数量级估算结果与实践丈量值有一样数量级 Ge： ED 0.

16、0064 eV Si: ED 0.025 eV *4*0222200(3)8nnDrrm qmEEhm 施主电离能*4*0222200(4)8ppArrm qmEEhm 受主电离能杂质的补偿作用杂质的补偿作用 问题问题假设在半导体资料中，同时存在着施主和受主杂质，假设在半导体资料中，同时存在着施主和受主杂质，该如何判别半导体终究是该如何判别半导体终究是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议半导体的导电类型由浓度大的杂质来决议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

17、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备主和受主杂质全部电离，分情况讨论杂质的补偿作用。假设备主和受主杂质全部电离，分情况讨论杂质的补偿作用。 思索只需一种施主杂质和一种受主杂质的情况：思索只需一种施主杂质和一种受主杂质的情况： NDNA时，受主能级低于时，受主能级低于施主能级，所以施主杂质的施主能级，所以施主杂质的电子首先跃迁到受主能级上，电子首先跃迁到受主能级上，填满填满NA个受主能级，还剩个受主能级，还剩(ND-NA)个电子在施主能级个电子在施主能级上，杂质全部电离时，它们上

18、，杂质全部电离时，它们跃迁到导带中成为导电电子，跃迁到导带中成为导电电子，这时，这时，n=ND-NAND，半导，半导体是体是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，半导体是导体是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，那么时，那么ND-NA为有效施主为有效施主浓度浓度当当NA ND时，那么时，那么NA-ND为有效受主浓为有效受主

19、浓度度利用杂质补偿的作用，就可利用杂质补偿的作用，就可以根据需求用分散或离子注以根据需求用分散或离子注入等方法来改动半导体中某入等方法来改动半导体中某一区域的导电类型，以制备一区域的导电类型，以制备各种器件。各种器件。 假设控制不当，会出现假设控制不当，会出现NDNA的景的景象，这时，施主电子刚好填充受主象，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，能级，虽然晶体中杂质可以很多，但不能导游带和价带提供电子和空但不能导游带和价带提供电子和空穴，杂质的高度补偿。这种资穴，杂质的高度补偿。这种资料容易被误以为是高纯度的半导体，料容易被误以为是高纯度的半导体，实践上却含有很多杂质，性能很

20、差。实践上却含有很多杂质，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，这些能级普通有以下两个特点：级，这些能级普通有以下两个特点：1施主能级间隔导带底较远，产生的受主能级施主能级间隔导带底较远，产生的受主能级间隔价带顶也较远。称为深能级，相应的杂质称为深间隔价带顶也较远。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假设干个能级。而且，有的杂质既能引入施主往引入假设干个

21、能级。而且，有的杂质既能引入施主能级，又能引入受主能级。能级，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，普通情况下在半导体中的含量极少，深能级杂质，普通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，但对于载流子的复协作用比浅能级杂质强，明显，但对于载流子的复协作用比浅能级杂质强，故这些杂质也称为复合中心，它们引入的能级就故这些杂质也称为复合中心，它们引入的能级就称为复合中心能级。金是一种很典型的复合中心，称为复合中心

22、能级。金是一种很典型的复合中心，在制造高速开关器件时，常有意地掺入金以提高在制造高速开关器件时，常有意地掺入金以提高器件的速度。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、等电子圈套、等电子圈套等电子杂质：等电子杂质：特征：特征：a a、与本征元素同族但不同原子序数、与本征元素同族但不同原子序数 例：例：GaPGaP中掺入中掺入族的族的N N或或AsAs b b、以替位方式存在于晶体中，根本上是电中性的。、以替位方式存在于晶体中，根本上是电中性的。存在着由中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，前者就是电子圈套，后者就

23、是空穴圈套。 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SiAs受主两性杂质：在化合物半导体中，某些杂在其两性杂质：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。两性杂质 当半导体中的某些区域，晶格中的原子周期性陈列被破坏时就构成了各种缺陷。 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

24、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，抑制周围原子对它的束缚，挤入晶格原子间够的能量，抑制周围原子对它的束缚，挤入晶格原子间的间隙，构成间隙原子，原来的位置就成为空位。的间隙，构成间隙原子，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 只在晶格内构成空位而无间隙原子只在晶格内构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

25、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，到达一个平衡浓度值。者又不断地复合，到达一个平衡浓度值。 由于原子须具有较大的能量才干挤入间隙位置，而且迁移由于原子须具有较大的能量才干挤入间隙位置，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。 在元素半导体硅、锗中存在的空位最临近有四个原子，每个在元素半导体硅、锗中存在的空位最临近有四个原子，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构成共价键的价电子，而每一个间隙原子有四个可以失去的未构成共价键的价电子，表现出施主作用。表现出施主作用。 在在-族化合物中，除了热振动要素构成空位和间隙