半导体固体物理及集成电路物理

1、半导体物理半导体物理光电工程学院微电子教学部冯世娟2022-3-142第二章第二章 半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级理想半导体：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。 2022-3-143第二章第二章 半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级实际材料中实际材料中 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

2、级常常处在禁带中，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。 2022-3-144第二章第二章 半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级2.1 硅、锗晶体中的杂质能级2.2 族化合物中的杂质能级2.3 缺陷、位错能级2022-3-1452.1 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级1. 替位式杂质替位式杂质 间隙式杂质间隙式杂质 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r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： 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积的34%，还有还有66%66%是空隙是空隙331323 =483

3、84 0.34rarara2022-3-1462.1 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级 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2022-3-1472.1 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级 杂质原子进入半导体硅后，以两种方式存在 一种方式是杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，常称为间隙式间隙式杂质杂质（A） 另一种方式是杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处，常称为替位式替位式杂质杂质（B）2022-3-1482.1 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级

4、两种杂质特点： 间隙式杂质原子一般比较小，间隙式杂质原子一般比较小，如：如：Li原子，原子，0.068nm 替位式杂质替位式杂质1）杂质原子的大小与被取代的）杂质原子的大小与被取代的晶格原子的大小比较相近晶格原子的大小比较相近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：、族元素族元素单位体积中的杂质原子单位体积中的杂质原子数即数即杂质浓度杂质浓度来定量描来定量描述杂质含量的多少，杂述杂质含量的多少，杂质浓度的单位为质浓度的单位为1/cm3 。2022-3-1492.1 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级2. 施主杂质施主杂质 施主能级施主能级 以硅中掺磷P为例：

5、 磷原子占据硅原子的位置。磷原子有五个价电子。其中四个价电子与周围的四个硅原于形成共价键，还剩余一个价电子。 这个多余的价电子就束缚在正电中心P的周围。价电子只要很少能量就可挣脱束缚，成为导电电子导电电子在晶格中自由运动。 这时磷原子就成为少了一个价电子的磷离子P，它是一个不能移动的正电中心正电中心。2022-3-14102.1 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级 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，称它们为施主杂质施主杂质或n型杂质型杂质 上述电子脱离杂质原子的束缚成为导电电子的过程称为杂质电离杂质电离 使个多余的价电子挣脱束缚成为导电电子所需

6、要的能量称为杂质电离能杂质电离能 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，使半导体成为电子电子导电的n型半导体型半导体。2022-3-14112.1 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级DCDEEE 施主杂质的电离过程，可以用能施主杂质的电离过程，可以用能带图表示带图表示 如图如图2-4所示所示.当电子得到能量当电子得到能量 后，就从施主的束缚态跃迁到导后，就从施主的束缚态跃迁到导带成为导电电子，所以电子被施带成为导电电子，所以电子被施主杂质束缚时的能量比导带底主杂质束缚时的能量比导带底 低低 。将被施主杂质束缚的电。将被施主杂质束缚的电子的能量状态称

7、为子的能量状态称为施主能级施主能级，记，记为为 ，所以施主能级位于离导带，所以施主能级位于离导带底很近的禁带中底很近的禁带中DEDEDECE施主杂质电离能施主杂质电离能gE分立能级分立能级束缚态束缚态离化态离化态热激发、光照等热激发、光照等2022-3-14122.1 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级 硅、锗晶体中族杂质的电离能2022-3-14132.1 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级3. 受主杂质受主杂质 受主能级受主能级 以硅中掺硼B为例： B原子占据硅原子的位置。磷原子有三个价电子。与周围的四个硅原于形成共价键时还缺一个电子，就从别处夺取价电子

8、，这就在Si形成了一个空穴。 这时B原子就成为多了一个价电子的磷离子B，它是一个不能移动的负电中心负电中心。 空穴束缚在负电中心B的周围。空穴只要很少能量就可挣脱束缚，成为导电空穴导电空穴在晶格中自由运动。2022-3-14142.1 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级 族杂质在硅、锗中能够接受电子而产生导电族杂质在硅、锗中能够接受电子而产生导电空穴，并形成负电中心，所以称它们为空穴，并形成负电中心，所以称它们为受主杂受主杂质质或或p型杂质型杂质。 使空穴挣脱束缚成为导电空穴所需要的能量称为使空穴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受主杂质电离能。 受主杂质电离

9、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，使半导体成为空穴空穴导导电的电的p型半导体型半导体。2022-3-14152.1 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级 受主杂质的电离过程，可以用能受主杂质的电离过程，可以用能带图表示带图表示 如图如图2-6所示所示.当空穴得到能量后，当空穴得到能量后，就从受主的束缚态跃迁到价带成就从受主的束缚态跃迁到价带成为导电空穴，所以电子被受主杂为导电空穴，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 。将被受主杂质束缚的。将被受主杂质

10、束缚的空穴的能量状态称为空穴的能量状态称为受主能级受主能级，记为记为 ，所以受主能级位于离价，所以受主能级位于离价带顶很近的禁带中带顶很近的禁带中AEAEAEVEAAVEEE受主杂质电离能受主杂质电离能gE2022-3-14162.1 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级 硅、锗晶体中族杂质的电离能2022-3-14172.1 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级按杂质向半导体提供载流子的类型分类n型半导体：以电子导电为主本征半导体p型半导体：以空穴导电为主2022-3-14182.1 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级4. 浅能级杂质电离能的

11、简单计算、族杂质在硅、锗中的EA 、 ED都很小，即施主能级ED距导带底EC很近，受主能级EA距价带顶EV很近，这样的杂质能级称为浅能级浅能级，相应的杂质就称为浅能级杂质浅能级杂质。 如果Si、Ge中的、族杂质浓度不太高，在包括室温的相当宽的温度范围内，晶格原子热振动的能量会传递给电子，使杂质几乎全部电离。2022-3-14192.1 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级 通常情况下半导体中杂质浓度不是特别高，半导体中杂质分布很稀疏，因此不必考虑杂质原子间的相互作用，被杂质原子束缚的电子(空穴)就像单个原子中的电子一样，处在互相分离、能量相等的杂质能级上而不形成杂质能带。 当杂

12、质浓度很高(称为重掺杂重掺杂)时，杂质能级才会交叠，形成杂质能带。2022-3-14202.1 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级 类氢模型类氢模型4022208nm qEh n0113.6eVEEE*0 nrmm *020nDrmEEm*020pArmEEm*11 123nnltmmmm*电导有效质量0.025eV(Si) 0.0064eV(Ge) DDEE 可得同一个数量级*11123ppplphmmmm*电导有效质量2022-3-14212.1 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级20120hrmqo0.53A*0 nrmm 2o*00*2*0.53(A

13、)rBrnnhmrmqm o*24.5A(Si)Br2022-3-14222.1 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级5. 杂质的补偿作用 如果在半导体中既掺入施主杂质，又掺入受主杂质，施主杂质和受主杂质具有相互抵消的作用，称为杂质的补偿作用杂质的补偿作用。 从价键角度理解：施主周围有多余的价电子，受主周围缺少价电子，施主周围有多余的价电子，受主周围缺少价电子，施主多余的价电子正好填充受主周围的空缺，使施主多余的价电子正好填充受主周围的空缺，使价键饱和，这个时候系统的能量降低，处于稳定价键饱和，这个时候系统的能量降低，处于稳定状态。状态。2022-3-14232.1 2.1 硅

14、、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级从能带角度理解：从能带角度理解： 对于杂质补偿的半导体，若NDNA： (a) T=0K电子按顺序填充能量由低到高的各个能级，由于受主能级EA比施主能级ED低，电子将先填满受主能级EA，然后再填充施主能级ED，因此施主能级上的电子浓度为ND-NA。(b) 室温施主能级上的ND-NA个电子就全部被激发到导带，这时导带中的电子浓度n0=ND-NA，为n型半导体型半导体。2022-3-14242.1 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级当NAND时，将呈现p型半导体的特性，价带空穴浓度p0=NA-ND通过补偿以后半导体中的净杂质浓度称为有效杂质

15、浓度有效杂质浓度。 如果NDNA，称ND-NA为有效施主浓度有效施主浓度； 如果NAND，那么NA-ND称为有效受主浓度有效受主浓度 1 DADANNNN 杂质补偿度：如果半导体中：NDNA，则n0ND-NAND； NAND，则p0NA-ND NA。 2022-3-14252.1 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级 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

16、化为n型，从而形成双极型晶体管的n-p-n结构。 2022-3-14262.1 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级p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。 2022-3-14272.1 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级6. 深能级杂质 非、族杂质在Si、Ge禁带中也产生能级 产生的施主能级ED距导带底EC较远，产生的受主能级EA距价带顶EV较远，这种杂质能级称为深能深能级级，对应的杂质称为深

17、能级杂质深能级杂质。 深能级杂质可以多次电离，每一次电离相应有一个能级，有的杂质既引入施主能级又引入受主能级。2022-3-14282.1 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级以Ge中掺Au为例：五种带电状态：Au+ Au0 Au- Au2- Au3-ED EA1 EA2 EA3Au0Au+，释放电子到导带，释放电子到导带，ED略小于略小于Eg（共价键束缚，电离能很大）（共价键束缚，电离能很大）EA3EA2EA1（电子间存在库仑排斥）（电子间存在库仑排斥）2022-3-14292.1 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级 Si、Ge中其它一些深能级杂质引入的深能

18、级也可以类似地做出解释。 深能级杂质对半导体中载流子浓度和导电类型的影响不像浅能级杂质那样显著，其浓度通常也较低，主要起复合中心的作用。 采用掺金工艺能够提高高速半导体器件的工作速度。2022-3-14302.1 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级 四个基本特点：四个基本特点：1) 不容易电离，对载流子浓度影响不大；2) 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。3) 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）。4) 深能级杂质电离后为带电中心，对载流子起散射作用，使载流子迁移率减少，导电性能下降。2022-3-14312.2 2.2 族化合物中

19、的杂质能级族化合物中的杂质能级杂质在GaAs中的存在形式 三种情况： 1）取代砷）取代砷 2）取代镓）取代镓 3）填隙）填隙2022-3-14322.2 2.2 族化合物中的杂质能级族化合物中的杂质能级 施主杂质周期表中的周期表中的族元素族元素(Se、S、Te)在在GaAs中通常都替代中通常都替代族元素族元素As原子的晶格位置，原子的晶格位置，由于由于族原子比族原子比族原子多一个价电子，族原子多一个价电子，因此因此族杂质在族杂质在GaAs中一般起施主作用，中一般起施主作用，为浅施主杂质。为浅施主杂质。2022-3-14332.2 2.2 族化合物中的杂质能级族化合物中的杂质能级 受主杂质族元素

20、（族元素（Zn、Be、Mg、Cd、Hg）在）在GaAs中通常都取代中通常都取代族元素族元素Ga原子的晶格位置，原子的晶格位置，由于由于族原子比族原子比族原子少一个价电子，因此族原子少一个价电子，因此族元素杂质在族元素杂质在GaAs中通常起受主作用，均中通常起受主作用，均为浅受主。为浅受主。2022-3-14342.2 2.2 族化合物中的杂质能级族化合物中的杂质能级 两性杂质族元素杂质（族元素杂质（Si、Ge、Sn、Pb）在）在GaAs中中的作用比较复杂，可以取代的作用比较复杂，可以取代族的族的Ga，也可以，也可以取代取代族的族的As，甚至可以同时取代两者，因此，甚至可以同时取代两者，因此族杂

21、质不仅可以起施主作用还可以起受主作族杂质不仅可以起施主作用还可以起受主作用。如用。如Si在在GaAs中引入的施主能级和受主能级中引入的施主能级和受主能级分别在导带以下分别在导带以下0.006eV和价带以上和价带以上0.03eV处。处。2022-3-14352.2 2.2 族化合物中的杂质能级族化合物中的杂质能级 掺掺Si的的GaAs一般表现为一般表现为n型。这型。这是因为掺入的是因为掺入的Si大部分占据大部分占据Ga的位置。的位置。 在在Si的浓度小于的浓度小于1018cm3,电电子浓度大致与子浓度大致与Si的浓度相等。的浓度相等。但当但当Si的浓度更高时，电子浓的浓度更高时，电子浓度低于度低

22、于Si的浓度，且电子浓度的浓度，且电子浓度有饱和的倾向。这说明有相当有饱和的倾向。这说明有相当一部分硅占据了一部分硅占据了As的位置而起的位置而起受主作用。而出现了杂质的补受主作用。而出现了杂质的补偿作用。偿作用。Ge和和Sn在在GaAs中也主要起中也主要起施主作用，常用作施主作用，常用作n型材料型材料的掺杂剂的掺杂剂杂质的双性行为杂质的双性行为2022-3-14362.2 2.2 族化合物中的杂质能级族化合物中的杂质能级 中性杂质族元素（族元素（B、Al、In）和）和族元素（族元素（P、Sb）在在GaAs中通常分别替代中通常分别替代Ga和和As，由于杂质在，由于杂质在晶格位置上并不改变原有的

23、价电子数，因此既晶格位置上并不改变原有的价电子数，因此既不给出电子也不俘获电子而呈电中性，对不给出电子也不俘获电子而呈电中性，对GaAs的电学性质没有明显影响。的电学性质没有明显影响。2022-3-14372.2 2.2 族化合物中的杂质能级族化合物中的杂质能级 等电子陷阱在某些化合物半导体中，例如GaP中掺入V族元素N或Bi，N或Bi将取代P并在禁带中产生能级。这个能级称为等电子陷阱等电子陷阱。这种效应称为等电子等电子杂质效应杂质效应。等电子杂质的特征 与本征元素同族但不同原子序数 以替位形式存在于晶体中，基本上是电中性的。2022-3-14382.2 2.2 族化合物中的杂质能级族化合物中

24、的杂质能级这类杂质一般不能提供电子或空穴，但在一定条件下，可以收容一个电子或一个空穴，作为电子陷阱或空穴陷阱起作用，通常称之为等电子陷阱等电子陷阱。n GaP中的中的NN在占据P的位置后，不会产生长程作用的库仑势，但N和P的负电性有明显的差异(分别为3.0和2.1)，因此N有较强的获得电子的倾向有较强的获得电子的倾向。或者从另一角度说，由于N和P电子结构的差异，在N中心处存在对电子的短程作用势。结果可以形成电子的束缚态(电子陷阱电子陷阱)。在GaP中，N能级在导带以下约10meV。显然这种杂质不是施主，也不是典型的受主，但它能收容一个电子(起受主作用起受主作用）。2022-3-14392.2

25、2.2 族化合物中的杂质能级族化合物中的杂质能级是否周期表中同族元素均能形成等电子陷阱呢？ 只有当掺入原子与基质晶体原子在电负性、共价半径方只有当掺入原子与基质晶体原子在电负性、共价半径方面有较大差别时，才能形成等电子陷阱。一般说，同族面有较大差别时，才能形成等电子陷阱。一般说，同族元素原子序数越小，电负性越大，共价半径越小。等电元素原子序数越小，电负性越大，共价半径越小。等电子杂质电负性子杂质电负性(即小原子序数即小原子序数)大于基质晶体原子的电负大于基质晶体原子的电负性时，取代后，它便能俘获电子成为负电中心（性时，取代后，它便能俘获电子成为负电中心（电子陷电子陷阱阱）。）。 反之，俘获空穴

26、成为正电中心（反之，俘获空穴成为正电中心（空穴陷阱空穴陷阱）。）。 存在形式 替位式（等电子杂质） 复合体，如 Zn-O（等电子络合物）2022-3-14402.2 2.2 族化合物中的杂质能级族化合物中的杂质能级 束缚激子等电子陷阱俘获一种符号的载流子后，又因带电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流子，中心的库仑作用又俘获另一种带电符号的载流子，这就是这就是束缚激子束缚激子。束缚激子在由间接禁带半导体材料制造的发光束缚激子在由间接禁带半导体材料制造的发光器件中起主要作用。器件中起主要作用。2022-3-14412.2 2.2 族化合物中的杂质能级

27、族化合物中的杂质能级2022-3-14422.2 2.2 族化合物中的杂质能级族化合物中的杂质能级2022-3-14432.3 缺陷、位错能级1. 点缺陷 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反肖特基缺陷：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）。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。退火后可以消除大部分缺陷。2022-3-14442.3 缺陷、位错能级点缺陷对半导体性质的影响： 1 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 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 3）空位缺陷有利于杂质扩散）空位缺陷有利于杂质扩散4 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