半导体中的杂质和缺陷

1、第二章半导体中杂质和缺陷能级第二章半导体中杂质和缺陷能级杂质：半导体中存在的与本体元素不同的其它元素杂质：半导体中存在的与本体元素不同的其它元素 缺陷缺陷: 晶格中的原子周期性排列被破坏晶格中的原子周期性排列被破坏 a. 点缺陷：空位、间隙原子点缺陷：空位、间隙原子 b. 线缺陷：位错线缺陷：位错 c. 面缺陷：层错面缺陷：层错 杂质和缺陷对半导体的物理性能和化学性能会杂质和缺陷对半导体的物理性能和化学性能会产生决定性的影响。产生决定性的影响。杂质和缺陷出现在半导体中时，杂质和缺陷出现在半导体中时，产生的附加势场使严格的周期产生的附加势场使严格的周期性势场遭到破坏。性势场遭到破坏。杂质能级位于

2、禁带之中杂质能级位于禁带之中 Ec Ev杂质能级杂质能级n间隙式杂质：杂质原子间隙式杂质：杂质原子位于晶格原子的间隙位位于晶格原子的间隙位置置 间隙式杂质原子一般比间隙式杂质原子一般比较小较小n替位式杂质：杂质原子替位式杂质：杂质原子取代晶格原子位于晶格取代晶格原子位于晶格点处点处 替位式杂质替位式杂质 原子的大原子的大小与被取代的晶格原子小与被取代的晶格原子的大小比较相近的大小比较相近, ,价电价电子壳层结构相近。子壳层结构相近。2.1 Si、Ge晶体中的杂质能级晶体中的杂质能级杂质浓度：单位体积中的杂质浓度：单位体积中的杂质原子数杂质原子数施主杂质：能够施放电子而产生导电电子并形成施主杂质

3、：能够施放电子而产生导电电子并形成 正电中心正电中心施主杂质和施主能级：施主杂质和施主能级：受主杂质和受主能级：受主杂质和受主能级：Si中掺硼中掺硼B 受主杂质：能够接受电子而产生导电空穴并形成受主杂质：能够接受电子而产生导电空穴并形成 负电中心负电中心5、杂质的补偿作用、杂质的补偿作用n杂质的补偿杂质的补偿:既掺有施主又掺既掺有施主又掺有受主有受主 补偿半导体补偿半导体（A） ND NA 时时 n型半导体型半导体因因 EA 在在 ED 之下，之下， ED上的束缚上的束缚电子首先填充电子首先填充EA上的空位，即上的空位，即施主与受主先相互施主与受主先相互“抵消抵消”，剩余的束缚电子再电离到导带

4、剩余的束缚电子再电离到导带上。上。 半导体是半导体是 n 型的型的有效的施主浓度有效的施主浓度 ND*= ND - NAED EADADnNNN（B）NAND时时 p型半导体型半导体 因因 EA 在在 ED 之下，之下， ED上的束缚电子首上的束缚电子首先填充先填充EA上的空位，上的空位，即施主与受主先相互即施主与受主先相互“抵消抵消”，剩余的束缚，剩余的束缚空穴再电离到价带上。空穴再电离到价带上。 半导体是半导体是 p 型的型的有效的受主浓度有效的受主浓度 NA*= NA ND EAEDADApNNNn（C） NA ND时时 杂质的高度补偿杂质的高度补偿本征激发的导带电子本征激发的导带电子E

5、cEDEAEv本征激发的价带空穴本征激发的价带空穴n6、深能级杂质、深能级杂质（1）浅能级杂质）浅能级杂质EDEgEAEg（2）深能级杂质）深能级杂质E D EgEA EgEcEcEvEvEDEDEDEAEAEA深能级的特点：深能级的特点：施主能级离导带较远，受主能级离价带较远。施主能级离导带较远，受主能级离价带较远。一种杂质可以引入若干能级，因为会产生多次电离，一种杂质可以引入若干能级，因为会产生多次电离，有的杂质既能引入施主能级，又能引入受主能级。有的杂质既能引入施主能级，又能引入受主能级。杂质能级是与杂质原子的壳层结构、杂质原子的大杂质能级是与杂质原子的壳层结构、杂质原子的大小、杂质在晶

6、格中的位置等等因素有关，目前没有小、杂质在晶格中的位置等等因素有关，目前没有完善的理论加以说明。完善的理论加以说明。n例例1：Au（族）在族）在Ge中中Au在在Ge中共有五种可能的状态：中共有五种可能的状态：（1）Au+； （2） Au0 ； （3） Au一一 ； （4） Au二二 ； （5） Au三。三。n（1）Au+： Au0 e Au+ECEgEDEVE D(2) Au0电中性态电中性态n（3） Au一一： Au0 + e Au一一ECEVEAEA1n（4） Au二二：Au一 + e Au二EA2=EA1EA2ECEVEA2n（5） Au三三： Au二 + e Au三EA3=EA3EA2

7、EA1EVEC7、等电子陷阱、等电子陷阱（1）等电子杂质）等电子杂质特征：特征：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 b、以替位形式存在于晶体中，基本、以替位形式存在于晶体中，基本 上是电中性的。上是电中性的。条件：电负性、共价半径相差较大条件：电负性、共价半径相差较大 同族元素原子序数越小，电负性越大，共价半同族元素原子序数越小，电负性越大，共价半径越小。径越小。 等电子杂质电负性大于基质晶体原子的电负时，等电子杂质电负性大于基质晶体原子的电负时，取代后将成为负电中心；反之，将成为正电中心。取代后将成为负电中心；反之，将成为正电中心。原子的电负性是描述化合物分子中组

8、成原子吸引电原子的电负性是描述化合物分子中组成原子吸引电子倾向强弱的物理量，显然与原子的电离能、亲合子倾向强弱的物理量，显然与原子的电离能、亲合能及价态有关能及价态有关n（2）等电子陷阱）等电子陷阱等电子杂质（如等电子杂质（如N）占据本征原子位置）占据本征原子位置（如（如GaP中的中的P位置）后，即位置）后，即 N NPN 的共价半径为的共价半径为 0.07nm，电负性为，电负性为3.0;P 的共价半径为的共价半径为 0.11nm，电负性为，电负性为2.1所以氮取代磷后能俘获电子成为负电中心，它们可以所以氮取代磷后能俘获电子成为负电中心，它们可以吸引一个导带电子而变成负离子，这就是电子陷阱，吸

9、引一个导带电子而变成负离子，这就是电子陷阱，相反如果成为正电中心即可吸引一个价带空穴而变成相反如果成为正电中心即可吸引一个价带空穴而变成正离子这就是空穴陷阱。正离子这就是空穴陷阱。1、N在在GaP中：中：NP 2、C在在Si中：中：CSi 3、O在在ZnTe中：中：n其存在形式可以是其存在形式可以是 （1）替位式）替位式 （2）复合体，如）复合体，如 Zn-On8、束缚激子、束缚激子 即等电子陷阱俘获一种符号的载流子后，又即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因带电中心的库仑作用又俘获另一种带电符号的载流子，这就是流子，这就是束缚激子束缚激子。n9、

10、两性杂质、两性杂质举例：举例：GaAs 中中 掺掺 Si（族）族）Ga：族族 As：族族Si Ga受主受主SiAs施主施主两性杂质两性杂质：在化合物半导体中，某种杂质在两性杂质：在化合物半导体中，某种杂质在 其中既可以作施主又可以作受其中既可以作施主又可以作受 主，这主，这 种杂质称为种杂质称为两性杂质两性杂质。2.2 -族化合物中的杂质能级族化合物中的杂质能级铝、镓、铟和磷、砷、锑组成的九种化合物铝、镓、铟和磷、砷、锑组成的九种化合物化学计量比：化学计量比：1:1晶体结构：闪锌矿结构晶体结构：闪锌矿结构替位式杂质替位式杂质间隙式杂质间隙式杂质 一族元素，引入受主能级一族元素，引入受主能级 二

11、族元素，受主能级二族元素，受主能级 三、五族元素，一般是电中性杂质，另一种等电子三、五族元素，一般是电中性杂质，另一种等电子杂质效应杂质效应等电子杂质：等电子杂质：特征：特征：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 b、以替位形式存在于晶体中，基本、以替位形式存在于晶体中，基本 上是电中性的。上是电中性的。条件：电负性、共价半径相差较大条件：电负性、共价半径相差较大 同族元素原子序数越小，电负性越大，共价半同族元素原子序数越小，电负性越大，共价半径越小。径越小。 等电子杂质电负性大于基质晶体原子的电负时，等电子杂质电负性大于基质晶体原子的电负时，取代后将成为负电中心；反

12、之，将成为正电中心。取代后将成为负电中心；反之，将成为正电中心。等电子杂质（如等电子杂质（如N）占据本征原子位置）占据本征原子位置（如（如GaP中的中的P位置）后，即位置）后，即 N NPN 的共价半径为的共价半径为 0.07nm，电负性为，电负性为3.0;P 的共价半径为的共价半径为 0.11nm，电负性为，电负性为2.1所以氮取代磷后能俘获电子成为负电中心，它们可以所以氮取代磷后能俘获电子成为负电中心，它们可以吸引一个导带电子而变成负离子，这就是电子陷阱，吸引一个导带电子而变成负离子，这就是电子陷阱，相反如果成为正电中心即可吸引一个价带空穴而变成相反如果成为正电中心即可吸引一个价带空穴而变

13、成正离子这就是空穴陷阱。正离子这就是空穴陷阱。（4）四族元素，两性杂质）四族元素，两性杂质举例：举例：GaAs 中中 掺掺 Si（族）族）Ga：族族 As：族族Si Ga受主受主SiAs施主施主两性杂质两性杂质：在化合物半导体中，某种杂质在两性杂质：在化合物半导体中，某种杂质在 其中既可以作施主又可以作受其中既可以作施主又可以作受 主，这主，这 种杂质称为种杂质称为两性杂质两性杂质。（5）六族元素，常取代五族元素，施主杂质）六族元素，常取代五族元素，施主杂质（6）过渡族元素除钒产生施主能级，其余均产生）过渡族元素除钒产生施主能级，其余均产生受主能级受主能级2.2 缺 陷 能 级n1、 点点 缺缺 陷陷：空位空位 间隙原子间隙原子弗伦克尔缺陷和肖特基缺陷弗伦克尔缺陷和肖特基缺陷（1）Si中的点缺陷：中的点缺陷：空位空位受主作用受主作用间隙原子间隙原子 施主作用施主作用（2）化合物）化合物砷化镓中的砷空位和镓空位均表现出受主作用砷化镓中的砷空位和镓空位均表现出受主作用二六族化合物，离子型较强，正离子空位是受二六族化合物，离子型较强，正离子空位是受主，负离子空位是施主