半导体物理-第二章-2012.

1、第二章 半导体中的杂质和缺陷n一定温度下，价带顶附近的电子受激跃迁到导带底附近，此时导带底电子和价带中剩余的大量电子都处于半满带当中，在外电场的作用下，它们都要参与导电。n对于价带中电子跃迁出现空态后所剩余的大量电子的导电作用，可以等效为少量空穴的导电作用。n空穴具有以下的特点：(1)带有与电子电荷量相等但符号相反的+q电荷；(2)空穴的浓度就是价带顶附近空态的浓度；(3)空穴的共有化运动速度就是价带顶附近空态中电子的共有化运动速度；(4)空穴的有效质量是一个正常数mp* ，它与价带顶附近空态的电子有效质量mn*大小相等，符号相反，即mp*mn* n本征半导体的导带电子参与导电，同时价带空穴也

2、参与导电，存在着两种荷载电流的粒子，统称为载流子载流子。理想半导体理想半导体：1、原子严格周期性排列，具有完整的晶格、原子严格周期性排列，具有完整的晶格 结构。结构。2、晶体中无杂质，无缺陷。、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、电子在周期场中作共有化运动，形成允带和禁带电电子能量只能处在允带中的能级上，禁带中无能级。子能量只能处在允带中的能级上，禁带中无能级。本征半导体本征半导体晶体具有完整的（完美的）晶格结构，晶体具有完整的（完美的）晶格结构，无任何杂质和缺陷。由本征激发提供载流子。无任何杂质和缺陷。由本征激发提供载流子。实际半导体实际半导体：1、总是有杂

3、质、缺陷，使周期场破坏，在杂质或缺陷周围、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引起局部性的量子态对应的能级常常处在禁带中，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。对半导体的性质起着决定性的影响。2、杂质电离提供载流子。、杂质电离提供载流子。 杂质半导体杂质半导体主要内容主要内容 1. 浅能级杂质能级和杂质电离；浅能级杂质能级和杂质电离； 2. 浅能级杂质电离能的计算；浅能级杂质电离能的计算； 3. 杂质补偿作用杂质补偿作用 4. 深能级杂质的特点和作用深能级杂质的特点和作用 1、等电子杂质；、等电子杂质； 2、族元素起两性杂质作用族元素起两性杂质

4、作用2-1 元素半导体中的杂质能级元素半导体中的杂质能级2-3 缺陷、位错缺陷、位错2-2 化合物半导体中的杂质能级化合物半导体中的杂质能级点缺陷、位错对半导体性能的影响点缺陷、位错对半导体性能的影响 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为r的圆球，则可以计算出这八个原于占据晶胞空间的百分的圆球，则可以计算出这八个原于占据晶胞空间的百分数如下：数如下：n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个原子只占有晶胞体个原子只占有晶胞体积的积的34%，还有，还有66%是空隙是空隙331323 =4838

5、4 0.34rarara2-1 元素半导体中的杂质能级元素半导体中的杂质能级杂质杂质与本体元素不同的其他元素与本体元素不同的其他元素一、杂质存在的方式一、杂质存在的方式n所以杂质进入半导体后可以存在于晶格原子之间的间隙位置上，称为间隙式杂质间隙式杂质，间隙式杂质原子一般较小。n也可以取代晶格原子而位于格点上，称为替位式杂质替位式杂质，替位式杂质通常与被取代的晶格原子大小比较接近而且电子壳层结构也相似。 两种杂质特点：n间隙式杂质原子一般比较小，如：锂离子，0.068nmn替位式杂质时：1）杂质原子的大小与被取代的晶格原子的大小比较相近2）价电子壳层结构比较相近如：族元素(2) 替位式替位式杂质

6、占据格点杂质占据格点位置。大小接近、电子位置。大小接近、电子壳层结构相近壳层结构相近Si：r=0.117nmB：r=0.089nmP：r=0.11nmSiSiSiSiSiSiSiPSiLi1. VA族的替位杂质族的替位杂质在硅在硅Si中掺入中掺入PSiSiSiSiSiSiSiP+Si磷原子替代硅原子后，形成一个正电中心P和一个多余的价电子未电离未电离电离后电离后二、元素半导体的杂质二、元素半导体的杂质电离时，电离时，P原子能够提供导电电子并形成正电原子能够提供导电电子并形成正电中心，中心，。施主杂质施主杂质 施主能级施主能级被施主杂质束缚的电子被施主杂质束缚的电子的能量比导带底的能量比导带底E

7、c低，低，称为称为，ED。施主杂质少，原子间相施主杂质少，原子间相互作用可以忽略，施主互作用可以忽略，施主能级是具有相同能量的能级是具有相同能量的孤立能级孤立能级ED施主浓度：施主浓度：ND （单位为（单位为1/cm3 ）施主电离能施主电离能ED = 弱束缚的电子摆脱杂质原子束缚成为晶格中弱束缚的电子摆脱杂质原子束缚成为晶格中 自由运动的电子（导带中的电子）所需要的自由运动的电子（导带中的电子）所需要的 能量能量nED的大小与半导体材料和杂质种类有关，但远小于的大小与半导体材料和杂质种类有关，但远小于Si和和Ge的的禁带宽度。禁带宽度。ECED ED =ECED施主电离能施主电离能EV-束缚态

8、束缚态离化态离化态+施主杂质的电离能小，施主杂质的电离能小，在常温下基本上电离。在常温下基本上电离。含有施主杂质的半导体，其导电的载流子主要是电子含有施主杂质的半导体，其导电的载流子主要是电子N型型半导体，或电子型半导体半导体，或电子型半导体晶晶体体杂质杂质PAsSbSi0.0440.0490.039Ge0.0126 0.0127 0.0096Si中掺入施主杂质后，通过杂质电离增加了导电电子数量从而中掺入施主杂质后，通过杂质电离增加了导电电子数量从而增强了半导体的导电能力。增强了半导体的导电能力。在在Si中掺入中掺入BB具有得到电子的性质，这类杂质称为具有得到电子的性质，这类杂质称为受主杂质受

9、主杂质。受主杂质向价带提供空穴。受主杂质向价带提供空穴。2. A族替位杂质族替位杂质受主杂质受主杂质B获得一个电子变成获得一个电子变成负离子，成为负电中负离子，成为负电中心，周围产生带正电心，周围产生带正电的空穴。的空穴。BBEA受主浓度：受主浓度：NAVAAEEEEcEvEA(2)受主电离能和受主能级受主电离能和受主能级受主电离能受主电离能EA=空穴摆脱受主杂质束缚成为导电空穴摆脱受主杂质束缚成为导电 空穴所需要的能量空穴所需要的能量-束缚态束缚态离化态离化态+n不同半导体和不同受主杂质其不同半导体和不同受主杂质其EA也不相同，但也不相同，但EA通常通常远小于远小于Si和和Ge禁带宽度。禁带

10、宽度。受主杂质的电离能小，在受主杂质的电离能小，在常温下基本上为价带电离常温下基本上为价带电离的电子所占据的电子所占据空穴由空穴由受主能级向价带激发。受主能级向价带激发。含有受主杂质的半导体，其导电的载流子主要含有受主杂质的半导体，其导电的载流子主要是空穴是空穴P型半导体，或空穴型半导体型半导体，或空穴型半导体。晶晶体体杂质杂质BAlGaSi0.0450.0570.065Ge0.010.010.011施主和受主浓度：施主和受主浓度：ND、NA施主：施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的电子，并成为带正电的离导体中提供导电的电子，并成为带正电的离子。

11、如子。如Si中掺的中掺的P 和和As 受主：受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向，掺入半导体的杂质原子向半导体提供导电的空穴，并成为带负电的离半导体提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如子。如Si中掺的中掺的B小结！小结！等电子杂质等电子杂质N型半导体型半导体特征：特征：a 施主杂质电离，导带中施主杂质电离，导带中出现施主提供的导电电子出现施主提供的导电电子b 电子浓度电子浓度n 空穴浓度空穴浓度pP 型半导体型半导体特征：特征：a 受主杂质电离，价带中受主杂质电离，价带中出现受主提供的导电空穴出现受主提供的导电空穴b空穴浓度空穴浓度p 电子浓度电子浓度n ECEDEVEA-+-+E

12、gN型和型和P型半导体都称为型半导体都称为极性半导体极性半导体P型半导体型半导体价带空穴数由受主决定，半导体价带空穴数由受主决定，半导体导电的载流子主要是空穴。空穴为多子，电导电的载流子主要是空穴。空穴为多子，电子为少子。子为少子。N型半导体型半导体导带电子数由施主决定，半导体导带电子数由施主决定，半导体导电的载流子主要是电子。电子为导电的载流子主要是电子。电子为多子多子，空，空穴为穴为少子少子。多子多子多数载流子多数载流子少子少子少数载流子少数载流子杂质向导带和价带提供电子和空穴的过程（电杂质向导带和价带提供电子和空穴的过程（电子从施主能级向导带的跃迁或空穴从受主能级子从施主能级向导带的跃迁

13、或空穴从受主能级向价带的跃迁）称为向价带的跃迁）称为杂质电离或杂质激发杂质电离或杂质激发。具。具有杂质激发的半导体称为有杂质激发的半导体称为杂质半导体杂质半导体 杂质激发杂质激发3. 杂质半导体杂质半导体电子从价带直接向导带激发，成为导带的自由电子从价带直接向导带激发，成为导带的自由电子，这种激发称为电子，这种激发称为本征激发本征激发。只有本征激发。只有本征激发的半导体称为的半导体称为本征半导体本征半导体。本征激发本征激发N型和型和P型半导体都是型半导体都是杂质半导体杂质半导体 施主向导带提供的载流子施主向导带提供的载流子=10161017/cm3 本征载流子浓度本征载流子浓度杂质半导体中杂质

14、载流子浓度远高于杂质半导体中杂质载流子浓度远高于本征载流子浓度本征载流子浓度Si的原子浓度为的原子浓度为10221023/cm3掺入掺入P的浓度的浓度/Si原子的浓度原子的浓度=10-6例如：例如：Si 在室温下，本征载流子浓度为在室温下，本征载流子浓度为1010/cm3，上述杂质的特点：上述杂质的特点：施主杂质：施主杂质：受主杂质：受主杂质：浅能级杂质浅能级杂质杂质的双重作用：杂质的双重作用：u 改变半导体的导电性改变半导体的导电性u 决定半导体的导电类型决定半导体的导电类型杂质能级在禁带中的位置杂质能级在禁带中的位置gDEEgAEE 4. 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

15、算+-施主施主-+受主受主浅能级杂质浅能级杂质=杂质离子杂质离子+束缚电子（空穴）束缚电子（空穴）类氢模型类氢模型222oHohrnmq玻尔原子电子的运动玻尔原子电子的运动轨道半径轨道半径为：为：n=1为基态电子的运动轨迹为基态电子的运动轨迹42228onom qEh ne= -氢原子中的电子的电离能为氢原子中的电子的电离能为E0=13.6eV玻尔能级：玻尔能级：玻尔原子模型玻尔原子模型类氢模型：类氢模型：计算束缚电子或空穴运动轨道计算束缚电子或空穴运动轨道半径及电离能半径及电离能22*2rohrnmq 运动轨道半径：运动轨道半径：4*4*022222221188orooroorm qm qm

16、mEEhmhm 电离能：电离能：对于对于Si中的中的P原子，剩余电子的运动半径原子，剩余电子的运动半径约为约为24.4 ：Si: a=5.4剩余电子本质上是剩余电子本质上是在晶体中运动在晶体中运动SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiPSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi4 .24126. 01222qmhroo12)(Sir*0.26eommSi：r=1.17施主能级靠近导带底部施主能级靠近导带底部100,16,122rrGerSi*000.26,0.12eSieGemmmm=对于对于Si、Ge掺掺PEcEvED*021eDo

17、rmEEmeVESiD025. 0,eVEGeD064. 0,估算结果与实测值估算结果与实测值有相同的数量级有相同的数量级*021PAormEEm0.04 ASiEeV对于对于Si、Ge掺掺B0.01 AGeEeVEcEvEAEcED电离施主电离施主电离受主电离受主Ev5. 杂质的补偿作用杂质的补偿作用(1) NDNA半导体中同时存在施主和受主杂质，施主和受半导体中同时存在施主和受主杂质，施主和受主之间有互相抵消的作用主之间有互相抵消的作用此时半导体为此时半导体为n型半导体型半导体 有效施主浓度有效施主浓度n=ND-NAEAEcEDEAEv电离施主电离施主电离受主电离受主(2) NDNA此时半

18、导体为此时半导体为p型半导体型半导体 有效受主浓度有效受主浓度p=NA- ND(3) NDNA杂质的杂质的高度补偿高度补偿：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，一般不能用来制造半导体器件。 EcEDEAEv本征激发产生的导本征激发产生的导带电子带电子本征激发产生的价本征激发产生的价带空穴带空穴 半导体器件和集成电路生产中就是利用杂质补偿作用，在n型Si外延层上的特定区域掺入比原先n型外延层浓度更高的受主杂质，通过杂质补偿作用就形成了p型区，而在n型区与p型区的交界处就形成

19、了pn结。如果再次掺入比p型区浓度更高的施主杂质，在二次补偿区域内p型半导体就再次转化为n型，从而形成双极型晶体管的n-p-n结构。 图2.16 晶体管制造过程中的杂质补偿6. 深杂质能级深杂质能级根据杂质能级在禁带中的位置，杂质分为：根据杂质能级在禁带中的位置，杂质分为：浅能级杂质浅能级杂质能级接近导带底能级接近导带底Ec或价带顶或价带顶Ev，电离能很小电离能很小ECEDEVEAEggDEE gAEE p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（P）、锑（Sb）在硅、锗中是浅受主杂质，三价元素硼（B）、铝（Al）、镓（Ga）、铟（In）在硅、锗中为浅受主杂质

20、。深能级杂质深能级杂质能级远离导带能级远离导带底底Ec或价带顶或价带顶Ev，电离能较，电离能较大大ECEAEVEDEg例：例：在在Ge中掺中掺Au 可产生可产生3个受主能级，个受主能级，1个施主能个施主能级级Au的电子组态是：的电子组态是：5s25p65d106s1AuGeGeGeGeAu+Au0Au-Au2-Au3-多次电离，每一次电离相应地有一个能级既多次电离，每一次电离相应地有一个能级既能引入施主能级又能引入受主能级能引入施主能级又能引入受主能级1. Au失去一个电子失去一个电子施主施主AuEcEvEDED=Ev+0.04 eVEcEvEDEA1Au2. Au获得一个电子获得一个电子受主

21、受主EA1= Ev + 0.15eV3.Au获得第二个电子获得第二个电子EcEvEDEA1Au2EA2= Ec - 0.2eVEA24.Au获得第三个电子获得第三个电子EcEvEDEA1EA3= Ec - 0.04eVEA2EA3Au3深能级杂质特点深能级杂质特点：n不容易电离，对载流不容易电离，对载流子浓度影响不大；子浓度影响不大；n一般会产生多重能级，一般会产生多重能级，甚至既产生施主能级甚至既产生施主能级也产生受主能级。也产生受主能级。n能起到复合中心作用，能起到复合中心作用，使少数载流子寿命降使少数载流子寿命降低。低。EcEvEDEAAu doped Silicon0.35eV0. 5

22、4eV1.12eV2-2 化合物半导体中的杂质能级化合物半导体中的杂质能级 族化合物半导体中的杂质族化合物半导体中的杂质理想的理想的GaAs晶格晶格价键结构：价键结构：含有离子键成分的含有离子键成分的共价键结构共价键结构Ga-AsGaGaAsGaAs+GaAs杂质在砷化镓中的存在杂质在砷化镓中的存在形式形式 n1）取代砷）取代砷2）取代镓）取代镓3）填隙）填隙施主杂质施主杂质替代替代族元素族元素受主杂质受主杂质替代替代III族元素族元素两性杂质两性杂质III、族元素族元素等电子杂质等电子杂质同族原子取代同族原子取代等电子杂质等电子杂质 等电子杂质等电子杂质是与基质晶体原子具有同数量是与基质晶体

23、原子具有同数量价电子的杂质原子替代了同族原子后，价电子的杂质原子替代了同族原子后，基本仍是电中性的。但是由于基本仍是电中性的。但是由于共价半径共价半径和和电负性电负性不同，它们能俘获某种载流子而成不同，它们能俘获某种载流子而成为带电中心。带电中心称为为带电中心。带电中心称为等电子陷阱等电子陷阱。例如，例如，N取代取代GaP中的中的P而成为负电中心而成为负电中心电子陷阱电子陷阱空穴陷阱空穴陷阱n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。n这种双性行为可作如下解释： 因为在硅杂质浓度较高时，硅原子不仅取代镓原子起着受主

24、杂质的作用，而且硅也取代了一部分V族砷原子而起着受主杂质的作用，因而对于取代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浓度，电子浓度趋于饱和。 点缺陷：空位、间隙原子点缺陷：空位、间隙原子线缺陷：位错线缺陷：位错面缺陷：层错、晶界面缺陷：层错、晶界SiSiSiSiSiSiSiSiSi1、缺陷的类型、缺陷的类型2-3 缺陷、位错缺陷、位错2.元素半导体中的缺陷元素半导体中的缺陷(1) 空位空位SiSiSiSiSiSiSiSi原子的空位起原子的空位起受主受主作用。作用。(2) 填隙填隙SiSiSiSiSiSiSiSiSiSi间隙原子缺陷起间隙原子缺陷起施主施主作用作用 AsGaAs

25、AsAsAsGaAsGaGaGaAsGaAsGaAs反结构缺陷反结构缺陷GaAs受主受主 AsGa施主施主3. GaAs晶体中的点缺陷晶体中的点缺陷空位空位VGa、VAs VGa受主受主 VAs 施主施主间隙原子间隙原子GaI、AsI GaI施主施主 AsI受主受主e4.族化合物半导体的缺陷族化合物半导体的缺陷族化合物半导体族化合物半导体离子键结构离子键结构负离子负离子正离子正离子+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-a.负离子空位负离子空位产生正电中心，起施主作用产生正电中心，起施主作用+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-

26、电负性小电负性小b.正离子填隙正离子填隙产生正电中心，起施主作用产生正电中心，起施主作用+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+产生负电中心，起受主作用产生负电中心，起受主作用c.正离子空位正离子空位+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-电负性大产生负电中心，起受主作用产生负电中心，起受主作用d.负离子填隙负离子填隙+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-负离子空位负离子空位产生正电中心，起施主作用产生正电中心，起施主作用正离子填隙正离子填

27、隙正离子空位正离子空位负离子填隙负离子填隙产生负电中心，起受主作用产生负电中心，起受主作用点缺陷（热缺陷）point defects/thermaldefects n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）。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

28、：三种点缺陷中形成肖特基缺陷需要的能量最小。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来进行退火处理。离子注入形成的缺陷也用退火来消除。消除。 n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，致使在禁）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。带中产生能级。2）热缺陷能级大多为深能级，在半导体中起复合中）热缺陷能级大多为

29、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。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降）对载流子有散射作用，使载流子迁移率和寿命降低。低。4、 位错位错n位错形成原因：晶格畸变n位错种类：刃位错（横位错）和螺位错 n导带底价带顶改变分别为：导带底价带顶改变分别为：n禁带宽度变化为：禁带宽度变化为：00000()CCCCvvvvgCvVEEEVVEEEVVEV位错n棱位错对半导体性能的影响： 1）位错线上的悬挂键可以接受电子变为负电中心，表现为受）位错线上的悬挂键可以接受电子变为负电中心，表现为受主；悬挂键上的一个电子也可以被释放出来而变为正电主；悬挂键上的一个电子也可以被释放出来而变为正电中心，此时表现为施主