理想半导体材料原子静止在具有严格周期性晶格的格点位置

1、v 理想半导体材料理想半导体材料 原子静止在具有严格周期性晶格的格点位置上原子静止在具有严格周期性晶格的格点位置上 晶体是纯净的，即不含杂质晶体是纯净的，即不含杂质 (与组成晶体材料的元素不同的其它化学元素与组成晶体材料的元素不同的其它化学元素) 晶格结构是完整的，即具有严格的周期性晶格结构是完整的，即具有严格的周期性v 实际半导体材料实际半导体材料 原子在平衡位置附近振动原子在平衡位置附近振动 含有杂质；含有杂质； 晶格结构不完整，存在缺陷晶格结构不完整，存在缺陷v杂质和缺陷的影响杂质和缺陷的影响 使周期性势场受到破坏，有可能在禁带中引使周期性势场受到破坏，有可能在禁带中引入能级，从而对半导

2、体的性质产生影响入能级，从而对半导体的性质产生影响 影响半导体器件的质量（如性能等）影响半导体器件的质量（如性能等） 对半导体材料的物理性质和化学性质起决定性的对半导体材料的物理性质和化学性质起决定性的影响（如提高导电率）影响（如提高导电率）本章目的：介绍杂质和缺陷的基本概念本章目的：介绍杂质和缺陷的基本概念105硅原子中掺硅原子中掺1个硼原子，则比单纯硅晶的电导率增加了个硼原子，则比单纯硅晶的电导率增加了103倍倍v杂质杂质 与组成晶体材料的元素不同的其他与组成晶体材料的元素不同的其他化学元素化学元素v形成原因形成原因 原材料纯度不够原材料纯度不够 制作过程中有玷污制作过程中有玷污 人为的掺

3、入人为的掺入v 分类分类(1)：按杂质原子在晶格中所处位置分按杂质原子在晶格中所处位置分 间隙式杂质间隙式杂质 替位式杂质替位式杂质 杂质原子位于晶格原子的间隙位置杂质原子位于晶格原子的间隙位置 要求杂质原子比较小要求杂质原子比较小 杂质原子取代晶格原子而位于格点处杂质原子取代晶格原子而位于格点处 要求杂质原子的大小、价电子壳层结构等均与晶格原子相近要求杂质原子的大小、价电子壳层结构等均与晶格原子相近两种类型的两种类型的杂质可以同杂质可以同时存在时存在杂质在半导杂质在半导体中的主要体中的主要存在方式是存在方式是替位式替位式v 分类分类(2)：按杂质所提供载流子的类型分按杂质所提供载流子的类型分

4、 施主杂质施主杂质 受主杂质受主杂质 第第V族杂质原子替代第族杂质原子替代第IV族晶体材料原子族晶体材料原子 能够施放能够施放(Discharge)电子而产生导电电子，并形成正电电子而产生导电电子，并形成正电中心的杂质（中心的杂质（n型杂质）型杂质） 第第III族杂质原子替代第族杂质原子替代第IV族晶体材料原子族晶体材料原子 能够接受能够接受(Accept)电子而产生导电空穴，并形成负电中心电子而产生导电空穴，并形成负电中心的杂质（的杂质（p型杂质）型杂质）施施主主杂杂质质受受主主杂杂质质v 施主杂质施主杂质(IV-V)杂质电离杂质电离杂质电离能杂质电离能离化态离化态中性态中性态浅能级浅能级提

5、供载流子：导带电子提供载流子：导带电子v 杂质电离杂质电离 在一定能量下，杂质中电子脱离原子束缚而成为导电在一定能量下，杂质中电子脱离原子束缚而成为导电电子的过程电子的过程v 杂质电离能杂质电离能 杂质电离时所需要的最少能量杂质电离时所需要的最少能量 E ED D=E=Ec c-E-ED D，一般来说一般来说E ED D EIII)杂质电离杂质电离杂质电离能杂质电离能离化态离化态中性态中性态浅能级浅能级提供载流子：价带空穴提供载流子：价带空穴小结：小结：v 施主杂质和受主杂质都是施主杂质和受主杂质都是浅能级杂质浅能级杂质 施主杂质能级靠近导带底，受主杂质能级靠近价带顶施主杂质能级靠近导带底，受

6、主杂质能级靠近价带顶 杂质电离能非常小杂质电离能非常小 （E Eg g通常为通常为1ev1ev左右，而左右，而E ED D只有零点几个只有零点几个evev左右左右）v 施主杂质和受主杂质为半导体材料施主杂质和受主杂质为半导体材料提供载流子提供载流子 施主杂质为导带提供电子施主杂质为导带提供电子 （掺施主杂质的半导体为（掺施主杂质的半导体为n型半导体型半导体） 受主杂质为价带提供空穴受主杂质为价带提供空穴 （掺受主杂质的半导体为（掺受主杂质的半导体为p型半导体型半导体） n型半导体型半导体：电子的数目远大于空穴的数目（或者说以电子导电为主）：电子的数目远大于空穴的数目（或者说以电子导电为主）p型

7、半导体型半导体：空穴的数目远大于电子的数目（或者说以空穴导电为主）：空穴的数目远大于电子的数目（或者说以空穴导电为主）本征半导体本征半导体：没有掺杂的半导体：没有掺杂的半导体n=v 杂质的补偿作用杂质的补偿作用 假设在半导体晶体中同时存在施主杂质和受主杂质，假设在半导体晶体中同时存在施主杂质和受主杂质，则两种杂质之间有则两种杂质之间有相互抵消作用相互抵消作用NDNA经补偿后，导带中经补偿后，导带中电子浓度为电子浓度为ND-NAND半导体为半导体为n型半导体型半导体NAND经补偿后，导带中经补偿后，导带中空穴浓度为空穴浓度为NA-NDNA半导体为半导体为p型半导体型半导体ND NA虽然杂质很多，

8、但虽然杂质很多，但不能给半导体材料不能给半导体材料提供更多的电子和提供更多的电子和空穴空穴v杂质的杂质的高度补偿高度补偿 控制不当，使得控制不当，使得ND NA 施主电子刚好够填满受主能级施主电子刚好够填满受主能级 虽然杂质很多，但不能给半导体材料提供更多的电子虽然杂质很多，但不能给半导体材料提供更多的电子和空穴和空穴 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 （易被误认为纯度很高，实质上含杂质很多，性能很差）（易被误认为纯度很高，实质上含杂质很多，性能很差）v 本征半导体本征半导体 电子和空穴的浓度相等，即电子和空穴的浓度相等，即 ；v n n型半导体型半导体( (掺施主杂质掺施

9、主杂质) ) 主要依靠导带中电子导电的半导体；主要依靠导带中电子导电的半导体； 电子浓度远大于空穴浓度，即电子浓度远大于空穴浓度，即v p p型半导体型半导体( (掺受主杂质掺受主杂质) ) 主要依靠价带中空穴导电的半导体；主要依靠价带中空穴导电的半导体； 空穴浓度远大于电子浓度，即空穴浓度远大于电子浓度，即00np000,;(,)DDnnNppNn np000,;(,)AAnnppNNppn小结：小结：v 分类分类(3)：按按杂质原子所提供的能级杂质原子所提供的能级分分 浅能级杂质浅能级杂质 深能级杂质深能级杂质 如第如第IV族材料中加入第族材料中加入第III或或V族杂质族杂质 杂质能级离导

10、带或者价带很近杂质能级离导带或者价带很近 晶格中原子热振动的能量就足以将浅能级杂质电离晶格中原子热振动的能量就足以将浅能级杂质电离 影响半导体载流子浓度，从而改变半导体的导电类型影响半导体载流子浓度，从而改变半导体的导电类型 如第如第IV族材料中加入非族材料中加入非III、V族杂质族杂质 杂质能级离导带或者价带很远杂质能级离导带或者价带很远 常规条件下不易电离常规条件下不易电离 起一定的杂质补偿作用；起一定的杂质补偿作用； 对载流子的复合作用非常重要，是很好的复合中心对载流子的复合作用非常重要，是很好的复合中心v 等电子杂质等电子杂质 与基质晶体原子具有同数量价电子的杂质原子称为等电子杂质与基

11、质晶体原子具有同数量价电子的杂质原子称为等电子杂质（同族原子杂质）（同族原子杂质）v 等电子陷阱等电子陷阱 概念概念 等电子杂质替代格点上的同族原子后，基本仍是电中性的，但是由等电子杂质替代格点上的同族原子后，基本仍是电中性的，但是由于原子序数不同，原子的共价半径和电负性有差别，因此它们能俘于原子序数不同，原子的共价半径和电负性有差别，因此它们能俘获载流子而成为带电中心，这个带电中心就成为等电子陷阱获载流子而成为带电中心，这个带电中心就成为等电子陷阱 形成条件形成条件 掺入原子与基质晶体原子在电负性、共价半径等方面有较大差别掺入原子与基质晶体原子在电负性、共价半径等方面有较大差别等电子杂质电负

12、性大于基质晶体原子的电负性时，替代后，它能俘获等电子杂质电负性大于基质晶体原子的电负性时，替代后，它能俘获电子成为负电中心（相当于提供空穴）电子成为负电中心（相当于提供空穴）反之，它能俘获空穴成为正电中心（相当于提供导电电子）反之，它能俘获空穴成为正电中心（相当于提供导电电子）v 杂质的双性行为杂质的双性行为 硅在砷化镓中既能取代镓而表现出施主杂质，又能取代砷表现出硅在砷化镓中既能取代镓而表现出施主杂质，又能取代砷表现出受主杂质受主杂质Reviewv 杂质杂质 在纯净半导体中掺入一定量的杂质，可以显著的控制半导在纯净半导体中掺入一定量的杂质，可以显著的控制半导体的导电性质（浅能级杂质）和稳定性

13、性能（深能级杂质）体的导电性质（浅能级杂质）和稳定性性能（深能级杂质）v 杂质能级杂质能级 杂质掺入半导体后，由于在晶格势场中引入微扰，从而在杂质掺入半导体后，由于在晶格势场中引入微扰，从而在禁带中引入能级（杂质能级）禁带中引入能级（杂质能级）v 浅能级杂质浅能级杂质 施主杂质和受主杂质施主杂质和受主杂质 杂质能级、杂质电离（能）、电离态杂质能级、杂质电离（能）、电离态v 杂质的补偿作用杂质的补偿作用 n型和型和p型半导体型半导体 高度补偿高度补偿v缺陷：缺陷： 晶格周期的不完整晶格周期的不完整 分为三类分为三类点缺陷点缺陷（点的不完整）：空位、间隙原子（点的不完整）：空位、间隙原子线缺陷线缺陷（线的不完整）：位错（线的不完整）：位错面缺陷面缺陷（面的不完整）：层错（面的不完整）：层错大多由热振动引起大多由热振动引起由晶体内部的应力引起的，导致晶格结构发生扭曲由晶体内部的应力引起的，导致晶格结构发生扭曲v 点缺陷点缺陷 在一定温度下，晶格原子不仅在平衡位置附近做振动，在一定温度下，晶格原子不仅在平衡位置附近做振动，而且有一部分原子会获得足够的能量，克服周围原子对而且有一部分原子会获得足够的能量，克服周围原子对它的束缚，挤入晶格原子间的间隙，形成它的束缚，挤入晶格原子间的间隙，形成间隙原子间隙原子，原，