半导体物理 第二章+杂质能级

1、School of Microelectronics半导体物理半导体物理 河海大学河海大学计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院第二章 半导体中杂质和缺陷能级l理想半导体：1、原子严格地周期性排列，晶体具有完整的晶格 结构。2、晶体中无杂质，无缺陷。3、电子在周期场中作共有化运动，形成允带和禁带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本征半导体晶体具有完整的（完美的）晶格结构，无任何杂质和缺陷。 第二章 半导体中杂质和缺陷能级l 实际材料中1、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对应的能级常常处在禁带中，对半导体的性质起着决定性的影响。

2、2、杂质电离提供载流子。 3、三种缺陷：点缺陷，如空位，间隙原子；线缺陷，如错位；面缺陷，如层错，晶粒间界2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 2.1.1 替位式杂质 间隙式杂质l 一个晶胞中包含有八个硅原子，若近似地把原子一个晶胞中包含有八个硅原子，若近似地把原子看成是半径为看成是半径为r的圆球，则可以计算出这八个原于的圆球，则可以计算出这八个原于占据晶胞空间的百分数如下：占据晶胞空间的百分数如下：l 说明，在金刚石型晶体中一个晶胞内的说明，在金刚石型晶体中一个晶胞内的8个原子个原子只占有晶胞体积的只占有晶胞体积的34% %，还有，还有66%66%是空隙是空隙331323 =48384 0.34r

3、arara2.1.1 替位式杂质 间隙式杂质l 金刚石型晶体结构中的两种空隙如图金刚石型晶体结构中的两种空隙如图2-1所示。所示。这些空隙通常称为间隙位置这些空隙通常称为间隙位置2.1.1 替位式杂质 间隙式杂质 杂质原子进入半导体硅杂质原子进入半导体硅后，以两种方式存在后，以两种方式存在l 一种方式是杂质原子位一种方式是杂质原子位于品格原子间的间隙位于品格原子间的间隙位置，常称为置，常称为间隙式杂质杂质（A）l 另一种方式是杂质原子另一种方式是杂质原子取代晶格原子而位于晶取代晶格原子而位于晶格点处，常称为格点处，常称为替位式杂质（杂质（B）2.1.1 替位式杂质 间隙式杂质 两种杂质特点：两

4、种杂质特点：l 间隙式杂质原子一般比较小，如：锂离子，间隙式杂质原子一般比较小，如：锂离子，0.068nml 替值式杂质时：替值式杂质时：1）杂质原子的大小与被取代的晶格原子的大小比）杂质原子的大小与被取代的晶格原子的大小比较相近较相近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：族元素族元素2.1.2 施主杂质 施主能级l族杂质在硅、锗中电离时，能够施放电族杂质在硅、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，称它子而产生导电电子并形成正电中心，称它们为们为施主杂质或或n型杂质2.1.2 施主杂质 施主能级 以硅中掺磷以硅中掺磷P为例：为例：l 磷原子占据硅原子的位置。

5、磷原磷原子占据硅原子的位置。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的四个硅原于形成共价子与周围的四个硅原于形成共价键，还剩余一个价电子。键，还剩余一个价电子。l 这个多余的价电子就束缚在正电这个多余的价电子就束缚在正电中心中心P的周围。价电子只要很的周围。价电子只要很少能量就可挣脱束缚，成为少能量就可挣脱束缚，成为导电电子在晶格中自由运动在晶格中自由运动l 这时磷原子就成为少了一个价电这时磷原子就成为少了一个价电子的磷离子子的磷离子P，它是一个不能，它是一个不能移动的移动的正电中心。2.1.2 施主杂质 施主能级l 上述电子脱离杂质原子的束缚成为导电电子的上述电子

6、脱离杂质原子的束缚成为导电电子的过程称为过程称为杂质电离l 使个多余的价电子挣脱束缚成为导电电子所需使个多余的价电子挣脱束缚成为导电电子所需要的能量称为要的能量称为杂质电离能l 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，使半导体成为电子导电的导电的n型半导体。2.1.2 施主杂质 施主能级l 施主杂质的电离过程，可以施主杂质的电离过程，可以用能带图表示用能带图表示l 如图如图2-4所示所示.当电子得到能当电子得到能量后，就从施主的束缚态跃量后，就从施主的束缚态跃迁到导带成为导电电子，所迁到导带

7、成为导电电子，所以电子被施主杂质束缚时的以电子被施主杂质束缚时的能量比导带底能量比导带底 低低 。将被施主杂质束缚的电子的将被施主杂质束缚的电子的能量状态称为能量状态称为施主能级，记，记为为 ED ，所以施主能级位于，所以施主能级位于离导带底很近的禁带中离导带底很近的禁带中DEDEDECE2.1.3 受主杂质 受主能级l族杂质在硅、锗中能够接受电子而产生族杂质在硅、锗中能够接受电子而产生导电空穴，并形成负电中心，所以称它们导电空穴，并形成负电中心，所以称它们为为受主杂质或或p型杂质。2.1.3 受主杂质 受主能级 以硅中掺磷以硅中掺磷B为例：为例：l B原子占据硅原子的位置。磷原原子占据硅原子

8、的位置。磷原子有三个价电子。与周围的四子有三个价电子。与周围的四个硅原于形成共价键时还缺一个硅原于形成共价键时还缺一个电子，就从别处夺取价电子，个电子，就从别处夺取价电子，这就在这就在Si形成了一个空穴。形成了一个空穴。l 这时这时B原子就成为多了一个价电原子就成为多了一个价电子的磷离子子的磷离子B，它是一个不能，它是一个不能移动的负移动的负电中心。l 空穴束缚在正电中心空穴束缚在正电中心B的周围。的周围。空穴只要很少能量就可挣脱束空穴只要很少能量就可挣脱束缚，成为缚，成为导电空穴在晶格中自在晶格中自由运动由运动2.1.3 受主杂质 受主能级l 使空穴挣脱束缚成为导电空穴所需要的能量称为使空穴

9、挣脱束缚成为导电空穴所需要的能量称为受主杂质电离能l 受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离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，使半导体成为子，同时向价带提供空穴，使半导体成为空穴导导电的电的p型半导体。2.1.3 受主杂质 受主能级l 受主杂质的电离过程，可受主杂质的电离过程，可以用能带图表示以用能带图表示l 如图如图2-6所示所示.当空穴得到当空穴得到 能量能量 后，就从受主的束后，就从受主的束缚态跃迁到价带成为导电缚态跃迁到价带成为导电空穴，所以电子被受主杂空穴，所以电子被受主杂质束缚时的能量比价带顶质束缚时的能量比价带顶 高高 。将被受主杂质。将被受主

10、杂质束缚的空穴的能量状态称束缚的空穴的能量状态称为为受主能级，记为，记为 ，所，所以受主能级位于离价带顶以受主能级位于离价带顶很近的禁带中很近的禁带中AEAEAEVE2.1.4 浅能级杂质电离能的简单计算l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。l所谓所谓浅能级，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。l室温下，掺杂浓度不很高底情况下，浅能级杂室温下，掺杂浓度不很高底情况下，浅能级杂质几乎可以可以全部电离。五价元素磷（质几乎可以可以全部电离。五价元素磷（P）、）、锑（锑（Sb）在硅、锗中是浅受主杂质，三价元）在

11、硅、锗中是浅受主杂质，三价元素硼（素硼（B）、铝（）、铝（Al）、镓（）、镓（Ga）、铟（）、铟（In）在硅、锗中为浅受主杂质。在硅、锗中为浅受主杂质。2.1.4 浅能级杂质电离能的简单计算l类氢模型类氢模型4022208nm qEh n0113.6EEEV0 nrmm *020nDrmEEm*020pArmEEm11 123nnltmmmm电导有效质量0.025()DEeV Si 可得同一个数量级2.1.5 杂质的补偿作用l 杂质补偿：半导体中存在施主杂质和受主杂质时，半导体中存在施主杂质和受主杂质时，它们底共同作用会使载流子减少，这种作用称为它们底共同作用会使载流子减少，这种作用称为杂质补

12、偿。在制造半导体器件底过程中，通过采杂质补偿。在制造半导体器件底过程中，通过采用杂质补偿底方法来改变半导体某个区域底导电用杂质补偿底方法来改变半导体某个区域底导电类型或电阻率。类型或电阻率。 l 高度补偿：若施主杂质浓度与受主杂质浓度相差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，这种不大或二者相等，则不能提供电子或空穴，这种情况称为杂质的高等补偿。这种材料容易被误认情况称为杂质的高等补偿。这种材料容易被误认为高纯度半导体，实际上含杂质很多，性能很差，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。一般不能用来制造半导体器件。 2.1.4 杂质

13、的补偿作用l 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 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l 3） 高度补偿：有效施主浓度高度补偿：有效施主浓度 有效受主浓度有效受主浓度DANNDANNDANNDANNDANNADNNADNN2.1.6 深能级杂质l 深能级杂质：非：非族杂质在族杂质在SiSi、GeGe的禁带中的禁带中产生的产生的施主能级远离导带底，受主能级远离价施主能级远离导带底，受主能级远离价带顶。杂质电离能大，能够产生多次电离带顶。杂质电离能大，能够产生多次电离金在硅中的能级金在硅中的能级2.1.6 深能级杂质l三个基本特

14、点：三个基本特点：一、是不容易电离，对载流子浓度影响不大；一、是不容易电离，对载流子浓度影响不大；二、是一般会产生多重能级，甚至既产生施主能二、是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。级也产生受主能级。三、是能起到复合中心作用，使少数载流子寿命三、是能起到复合中心作用，使少数载流子寿命降低（在第五章详细讨论）。降低（在第五章详细讨论）。四、是深能级杂质电离后以为带电中心，对载流四、是深能级杂质电离后以为带电中心，对载流子起散射作用，使载流子迁移率减少，导电性子起散射作用，使载流子迁移率减少，导电性能下降。能下降。2.2 化合物半导体中的杂质能级2.2.1 杂质在砷化镓中的存在形

15、式 l 主要有有下述种情况：1）取代砷）取代砷2）取代镓）取代镓3）填隙）填隙 l性质l （1）1族元素，一般在砷化镓中起受主作用l （2）2族元素，能获得电子表现为受主l （3）3族元素惨入一般不影响，但有可能形成等电子陷阱l （4）4族元素加入，取代3族起施主作用；取代5族起受主作用l （5）6族元素，必5族多一个电子，容易形成施主，引入施主能级l （6）过渡元素，情况比较复杂2.2.1 杂质在砷化镓中的存在形式l 四族元素硅在砷化镓中会产生双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性行为，即硅的浓度较低时主要起施主杂质作用，当硅的浓度较起施主杂质作用，当硅的浓度较高时，一

16、部分硅原子将起到受主高时，一部分硅原子将起到受主杂质作用。杂质作用。l 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，硅原子不仅取代镓原子起着施主杂质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的作用，而且硅也取代了一部分V族砷原子而起着受主杂质的作族砷原子而起着受主杂质的作用，因而对于取代用，因而对于取代族原子镓的族原子镓的硅施主杂质起到补偿作用，从而硅施主杂质起到补偿作用，从而降低了有效施主杂质的浓度，电降低了有效施主杂质的浓度，电子浓度趋于饱和。子浓度趋于饱和。 2.3 半导体中的缺陷能级 (defect level

17、s)2.3.1点缺陷（热缺陷）point defects/thermaldefects l点缺陷的种类：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：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：只有间隙原子而无原子空位只有间隙原子而无原子空位2.3.1点缺陷l 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）。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原因：三种点缺陷中形成肖特基缺陷需要的能量最小。（可参阅刘文明最小。（可参阅刘文明

18、半导体物理学半导体物理学p70p73，或叶良修，或叶良修半导体物理学半导体物理学p24和和p94）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）后的晶片一般都需艺中，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要进行退火处理。离子注入形成的缺陷也用退火来消除。来消除。 2.3.1点缺陷l 点缺陷对半导体性质的影响： 1）缺陷处晶格畸变，周期性势场被破坏，致使在）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。禁带中产生能级。2）热缺陷能级大多为深能级，在半导体中起复合）热缺陷能级大多为深能级，在半导体中起复合中心作用，使非平衡载流子浓度和寿命降低。中心作用，使非平衡载流子浓度和寿命降低。3）空位缺陷有利于杂质扩散）空位缺陷有利于杂质扩散4）对载流子有散射作用，使载流子迁移率和寿命）对载流子有散射作用，使载流子迁移率和寿命降低。降低。2.3.1点缺陷2.3.1点缺陷