半导体物理学第二章半导体中的杂质和缺陷

1、1.存存在在方方式式 (1)间间隙隙式式杂质位于组成半导体的元素或离子的格点之间的间隙位置。 2.2.缺陷的类型缺陷的类型 ( (1 1) )空空位位和和填填隙隙 = Si = Si = Si = = Si Si = = Si = Si = Si = = Si = Si = Si = = Si = Si = Si = Si = Si = Si = Si = 化合物半导体: A、B 两种原子组成 ( (2 2) )替替位位原原子子 B A二二、元元素素半半导导体体的的杂杂质质和和缺缺陷陷 1 1. .A A 族族的的替替位位杂杂质质 P原子中这个多余的电子的运动半径远远大于原子中这个多余的电子的

2、运动半径远远大于其余四个电子，所受到的束缚最小，极易摆脱其余四个电子，所受到的束缚最小，极易摆脱束缚成为自由电子。束缚成为自由电子。P原子具有提供电子的能力，称其为施主杂质。原子具有提供电子的能力，称其为施主杂质。对于 Ge 中的 P 原子，剩余电子的运动半径： 85r 共价键半径(指典型的共价键或者配位键中由该原子的核中心到其外层价电子的距离) ： Si 0.117nm; Ge 0.122nm (自Kittel 书p55)设施主杂质能级为设施主杂质能级为ED施主杂质的电离能施主杂质的电离能ED=弱束缚的电子摆脱束缚弱束缚的电子摆脱束缚 成为晶格中自由运动的成为晶格中自由运动的 电子（导带中的

3、电子）电子（导带中的电子） 所需要的能量所需要的能量 =ECEDECEDEDEcEvDCDEEE施主能级靠近导带底部施主能级靠近导带底部对于Si、Ge掺PED浅能级杂质电离能的简单计算222200( )( )(1)44nhqrErmr 4440000122222222001013.6(2)888m qm qm qEEEevh nh nh r0（1） 氢原子基态电子的电离能故基态电子的电离能：（2）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：r4q) r (Ur02电势能施主杂质的电离能小，在常温下基本上电离。施主杂质的电离能小，在常温下

4、基本上电离。)3(Emmh8qmE2r00*n22r204*nD施主电离能*12rnSim的 为 ，与杂质原子有关 此简单的氢原子模此简单的氢原子模型虽然无法精确地解释型虽然无法精确地解释电离能尤其对半导体中电离能尤其对半导体中地深层杂质能级地深层杂质能级( (即电离即电离能能kTkT) )。但可用它来粗。但可用它来粗略推算浅层杂质能级的略推算浅层杂质能级的电离能大小。右图是对电离能大小。右图是对含不同杂质的硅及砷化含不同杂质的硅及砷化镓所推算得的电离能大镓所推算得的电离能大小。可见，单一原子中小。可见，单一原子中有可能形成许多能级。有可能形成许多能级。Sb P As Ti C Pt Au O

5、0.0390.0450.0540.210.250.250.160.380.54 0.51AA0.410.29D0.360.3D0.35D0.340.160.0720.0670.0451.12B Al Ga In PdSiS Se Sn Te Si C O0.0060.4D1.12Be Mg Zn Cd Si Cu CrGaAs0.0060.0060.0030.00580.0060.0280.0280.0310.0350.0350.440.63A0.670.140.026（1）在）在Si中掺入中掺入BB具有得到电子的性质，这类杂质称为受主杂质。受主杂质向价带提供空穴。受主杂质向价带提供空穴。2.

6、元素半导体中元素半导体中A族替位杂质的能级族替位杂质的能级B(硼)获得一个电子变成负离子，成为负电中心，周围产生带正电的空穴。BBevEevEGeASiA01. 0,04. 0VAAEEEEcEvEA受主能级靠近价带顶部受主能级靠近价带顶部(2)受主电离能和受主能级受主电离能和受主能级以掺B为例：)4(Emmh8qmE2r00*p22r204*pA受主电离能受主能级受主能级EA受主杂质的电离能受主杂质的电离能小，在常温下基本小，在常温下基本上为价带激发的电上为价带激发的电子所占据（空穴由子所占据（空穴由受主能级向价带激受主能级向价带激发）。发）。杂质向导带和价带提供电子和空穴杂质向导带和价带提

7、供电子和空穴的过程（电子从施主能级向导带的的过程（电子从施主能级向导带的跃迁或空穴从受主能级向价带的跃跃迁或空穴从受主能级向价带的跃迁）称为迁）称为杂质电离或杂质激发杂质电离或杂质激发。所。所需要的能量称为杂质的电离能。需要的能量称为杂质的电离能。 电子从价带直接向导带激发，成为导电子从价带直接向导带激发，成为导带的自由电子，这种激发称为带的自由电子，这种激发称为本征激本征激发发，只有本征激发的半导体称为，只有本征激发的半导体称为本征本征半导体半导体。掺受主的半导体的价带空穴数由受主决掺受主的半导体的价带空穴数由受主决定，半导体导电的载流子主要是空穴定，半导体导电的载流子主要是空穴（空穴数（空

8、穴数电子数），对应的半导体称电子数），对应的半导体称为为P型半导体。空穴为多子，电子为少子。型半导体。空穴为多子，电子为少子。 掺施主的半导体的导带电子数主要由施主掺施主的半导体的导带电子数主要由施主决定，半导体导电的载流子主要是电子决定，半导体导电的载流子主要是电子（电子数（电子数空穴数），对应的半导体称为空穴数），对应的半导体称为N型型半导体。称电子为多数载流子，简称半导体。称电子为多数载流子，简称多子，空穴为少数载流子，简称少子。多子，空穴为少数载流子，简称少子。 N型和型和P型半导体都称为极性半导体型半导体都称为极性半导体EcED电离施主电离受主Ev3.杂质的补偿作用杂质的补偿作用(1

9、)NDNA半导体中同时存在施主和受主杂质，施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和受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 n=ND-NAEcEDEAEv电离施主电离受主(2) NDNA此时半导体为此时半导体为p型半导体型半导体 p=NA- ND(3) NDNA杂质的高度补偿4 4. .元元素素半半导导体体中中的的缺缺陷陷 ( (1 1) )空空位位 = Si = Si = Si = = Si Si = = Si = Si = Si = 原子的空位起受主作用。 (2) 填隙填隙SiSiSiSiSiSiSiSiSiSi间隙原子缺陷起施主作用间

10、隙原子缺陷起施主作用 ( (1 1) )杂杂质质 理想的 GaAs 晶格为 = G a- = A s+ = G a- = = A s+ = G a- = A s+ = = G a- = A s+ = G a- = 1.族化合物半导体中的杂质和缺陷族化合物半导体中的杂质和缺陷三、三、 化合物半导体中的杂质和缺陷化合物半导体中的杂质和缺陷 施主杂质施主杂质 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

11、用，中一般起施主作用，为浅施主杂质。为浅施主杂质。受主杂质受主杂质 族元素（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原子的晶原子的晶格位置，由于格位置，由于族原子比族原子比族原子少一个族原子少一个价电子，因此价电子，因此族元素杂质在族元素杂质在GaAs中通中通常起受主作用，均为浅受主。常起受主作用，均为浅受主。 两性杂质两性杂质 族元素杂质（族元素杂质（Si、Ge、Sn、Pb）在）在GaAs中的作用比较复杂，可以取代中的作用比较复杂，可以取代族的族的Ga，也，也可以取代可以取代族的族的As，甚至可以同时取代两者，甚至可以同时取代两者，因此因此

12、族杂质不仅可以起施主作用和受主作用，族杂质不仅可以起施主作用和受主作用，还可以起中性杂质作用。例如，在掺还可以起中性杂质作用。例如，在掺Si浓度小浓度小于于11018cm-3时，时，Si全部取代全部取代Ga位而起施主位而起施主作用，这时掺作用，这时掺Si浓度和电子浓度一致；而在掺浓度和电子浓度一致；而在掺Si浓度大于浓度大于1018cm-3时，部分时，部分Si原子开始取代原子开始取代As 位，出现补偿作用，使电子浓度逐渐偏低。位，出现补偿作用，使电子浓度逐渐偏低。中性杂质中性杂质 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

13、As，由于杂质在晶格位置上并不改变原有的价由于杂质在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电子数，因此既不给出电子也不俘获电子而呈电中性，对而呈电中性，对GaAs的电学性质没有明的电学性质没有明显影响。显影响。等电子陷阱等电子陷阱特征：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 例：例：GaP中掺入中掺入族的族的N或或Bib、以替位形式存在于晶体中，基本上是电中性的。、以替位形式存在于晶体中，基本上是电中性的。 如如GaAsP中的中的P位置由位置由N占据占据，存在着由核心力引起的短存在着由核心力引起的短程作用力，它们可以吸引一个导带电子（空穴）

14、而变成程作用力，它们可以吸引一个导带电子（空穴）而变成负（正）离子，前者就是电子陷阱，后者就是空穴陷阱。负（正）离子，前者就是电子陷阱，后者就是空穴陷阱。束缚激子束缚激子 等电子陷阱通过短程势俘获电子等电子陷阱通过短程势俘获电子(或空穴或空穴)之后，成为负之后，成为负电（或正电）中心，可以借助长程库仑作用吸引一个空电（或正电）中心，可以借助长程库仑作用吸引一个空穴（或电子），于是形成了等电子陷阱上的束缚激子穴（或电子），于是形成了等电子陷阱上的束缚激子.以短程作用束缚电子，构成等电子陷阱以短程作用束缚电子，构成等电子陷阱.（2）GaAs晶体中的点缺陷晶体中的点缺陷当当T0K时：时： 空位空位V

15、Ga、VAs 间隙原子间隙原子GaI、AsI 反结构缺陷反结构缺陷 Ga原子占据原子占据As空空位，或位，或As原子占据原子占据Ga空位，记为空位，记为GaAs和和AsGa。 -族化合物半导体中的缺陷族化合物半导体中的缺陷 由于由于-族化合物半导体是负电性差族化合物半导体是负电性差别较大的元素结合成的晶体，主要是离子键别较大的元素结合成的晶体，主要是离子键起作用，正负离子相间排列组成了非常稳定起作用，正负离子相间排列组成了非常稳定的结构，所以外界杂质对它们性能的影响不的结构，所以外界杂质对它们性能的影响不显著，半导体的导电类型更主要的是由它们显著，半导体的导电类型更主要的是由它们自身结构的缺陷

16、（间隙离子或空格点）所决自身结构的缺陷（间隙离子或空格点）所决定，这类缺陷在半导体中常起施主或受主作定，这类缺陷在半导体中常起施主或受主作用。用。 a.负离负离子空位子空位产产生生正正电电中中心，心，起起施施主主作作用用+电负性电负性小小b.正离正离子填隙子填隙产产生生正正电电中中心，心，起起施施主主作作用用c.正离正离子空位子空位产产生生负负电电中中心，心，起起受受主主作作用用电负性大d.负离负离子填隙子填隙产产生生负负电电中中心，心，起起受受主主作作用用根据杂质能级在禁带中的位置，将杂质分为： 浅能级杂质能级接近导带底 Ec 或价带顶 Ev； 深能级杂质能级远离导带底 Ec 或价带顶 Ev。 2.2半导体中的深能级杂质半导体中的深能级杂质（1）浅能级杂质）浅能级杂质（2）深能级杂质）深能级杂质E D EgEA EgE DEAEAE DE DEAEcEcEvEvEDEgEAEgAu的电子组态是：的电子组态是：5s25p65d106s11.Au失去一个电子失去一个电子施主施主AuEcEvEDED=Ev+0.04 eV在在Ge中掺中掺Au:EcEvEDEA1Au2. Au获得一个电子获得一个电子受主受主EA1= Ev + 0.15eV3.Au获得第二个