第二章-半导体中的杂质和缺陷分解

第二章-半导体中的杂质和缺陷分解第一页，共36页。由于杂质和缺陷的存在，会使严格按照周期性排列的原子所产生的周期性势场受到扰乱，因而杂质的电子不可能处于正常的导带和价带中，而是在禁带中引入允许电子具有的能量状态（等高的分立能级），即在禁带中引入杂质能级，以至于影响半导体材料的性质。III、V族杂质在硅、锗晶体中可处于束缚态和电离后的离化态，其电离能很小，引入的是浅能级，这些杂质称为浅能级杂质。根据杂质能级在禁带中的位置，将杂质分为：浅能级杂质→杂质能级接近导带底Ec或价带顶Ev深能级杂质→杂质能级远离导带底Ec或价带顶Ev第二页，共36页。§2-1半导体中的浅能级杂质和缺陷一、杂质存在的方式和缺陷类型1.存在方式（1）间隙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，其原子半径较小金刚石结构中，一个晶胞内的原子占晶体原胞的34％，空隙占66％。例如Li、H（2）替位式→杂质占据格点的位置，取代晶格原子。要求杂质原子的大小与被取代的晶格原子的大小比较相近并且价电子壳层结构比较相近。例如，Si：r=0.117nmB：r=0.089nmP：r=0.11nm第三页，共36页。2.缺陷的类型（1）空位和填隙（2）替位原子化合物半导体：由A、B两种原子组成A第四页，共36页。二、元素半导体中的杂质和缺陷1.ⅤA族的替位杂质（1）在硅Si中掺入P第五页，共36页。氢原子中的电子的运动轨道半径为：n＝1为基态电子的运动轨迹Si中受正电中心P+束缚的电子的运动轨道半径：(εr)Si＝12me*＝0.4m0电子基态的运动半径为：P原子中这个多余的电子，其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。对于Ge中的P原子，剩余电子的运动半径：r≈85Å第六页，共36页。(2)施主电离能和施主能级n=1→基态，电子的能量为E1n=∞→电离态，电子的能量为E

∞通过类氢原子模型进行估算，电子从稳定的基态到电离态所需要的能量就是电子的电离能△E：△E=E

∞-E1氢原子中的电子的电离能为：第七页，共36页。施主的电离能设施主杂质能级为ED：施主杂质的电离能△ED=弱束缚的电子摆脱束缚成为晶格中自由运动的电子（导带中的电子）所需要的能量=Ec-EDEcED△ED第八页，共36页。在Si、Ge中掺PSi:me*=0.26m0Ge:me*=0.12m0εrSi

=12，εrGe

=16在Si中掺P：△ED=0.044eV掺As:△ED=0.049eV掺Sb:△ED=0.039eV在Ge中掺P:△ED=0.064eV施主能级靠近导带底部，△ED

=Ec–ED施主杂质的电离能较小，在常温下基本上电离EDEcEV第九页，共36页。V族杂质在硅、锗晶体中作为施主。杂质原子电离后，向导带提供电子，而自身成为难以移动的带正电离子，使半导体成为n型，这种杂质称为施主杂质或n型杂质。含有施主杂质的半导体，其导电的载流子主要是电子——N型半导体，或电子型半导体。第十页，共36页。2.ⅢA族的替位杂质（1）在硅Si中掺入B

B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。B具有得到电子的能力。杂质原子电离后，接受价带中电子，使价带中增加空穴，成为p型半导体，而自身成为不可移动的带负电的离子，这类杂质称为受主杂质。受主杂质向价带提供空穴。-++第十一页，共36页。(2)受主电离能和受主能级mp*=0.05～0.1m0掺入B，(△EA)Si

=0.04ev，(△EA)Ge

=0.04ev△EA=EA–EV受主能级EA靠近价带顶部受主杂质的电离能小，在常温下基本上被价带电离的电子所占据（空穴由受主能级向价带激发）。III族杂质在硅、锗作为受主，电离后提供可以自由运动的导电空穴，同时也就形成一个不可移动的负电中心，称III族杂质为受主杂质。主要依靠价带空穴导电的半导体称为p型半导体。EAEcEv第十二页，共36页。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向价带的跃迁)称为杂质电离或杂质激发。所需要的能量称为杂质的电离能。如果施、受主能级分别离导带底和价带顶很近，电离能很小，在常温下杂质基本全部电离，使导带或价带增加电子或空穴，这些杂质称为浅能级杂质，它的重要作用是改变半导体的导电类型和调节半导体的导电能力。电子从价带直接向导带激发，成为导带的自由电子，这种激发称为本征激发，只有本征激发的半导体称为本征半导体。第十三页，共36页。例如：Si在室温下，本征载流子浓度为1010/cm3，掺入P：P的浓度/Si原子的浓度＝10-6Si原子的浓度为1022～1023/cm3施主向导带提供的载流子＝1016

～1017/cm3>>本征载流子浓度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（电子数>>空穴数），对应的半导体称为N型半导体。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。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（空穴数>>电子数），对应的半导体称为P型半导体。空穴为多子，电子为少子。N型和P型半导体都称为极性半导体第十四页，共36页。3.杂质的补偿作用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，施主能级上的电子会落入受主能级上，使二者均被电离，但不会给导带和价带提供电子和空穴。补偿的程度由施、受主杂质浓度来确定。（1）ND

>>NA

（2）

ND

<<NAn=ND

–NA≈ND

p=NA

–ND≈NA

含有受主的n型半导体含有施主的p型半导体（3）ND≈NA

n≈ni

杂质的高度补偿,杂质很多，性能很差第十五页，共36页。4.元素半导体中的缺陷（1）空位晶体中的空位比间隙原子多，常见的点缺陷。因为原子需具有较大的能量才能挤入间隙位置，以及它迁移时激活能很小。原子的空位起受主作用：Si晶体中，空位邻近的四个原子，每个原子各有一个不成对的电子，成为不饱和的共价键，这些键倾向于接受电子，表现出受主作用。第十六页，共36页。（2）填隙每个间隙原子有四个可以失去的未形成共价键的电子，间隙原子缺陷起施主作用。注意：对于间隙式杂质可以起受主作用。第十七页，共36页。三、化合物半导体中的杂质和缺陷Ⅲ-ⅤA族化合物半导体中的杂质和缺陷（1）杂质理想的GaAs晶格为：第十八页，共36页。

施主杂质掺ⅥA族元素（Se、S、Te）在GaAs中通常都替代ⅤA族元素As原子的晶格位置，由于ⅥA族原子比ⅤA族原子多一个价电子，因此ⅥA族杂质在GaAs中一般起施主作用，相应的半导体为N型半导体，电子导电。

受主杂质掺ⅡA族元素（Zn、Be、Mg、Cd、Hg）在GaAs中通常都取代ⅢA族元素Ga原子的晶格位置，由于ⅡA族原子比ⅢA族原子少一个价电子，因此ⅡA族杂质在GaAs中一般起受主作用，相应的半导体为p型半导体，空穴导电。第十九页，共36页。

两性杂质

掺ⅣA族元素(Si、Ge、Sn、Pb)在GaAs中的作用较复杂，可以取代ⅢA族的Ga，也可以取代ⅤA族的As，亦可同时取代二者。因此ⅣA族元素既能起施主作用，也能起受主作用，还可以起中性杂质作用。占据Ga位，施主，N型；占据As位，受主，p型例：在掺Si浓度小于1×1018cm-3时，Si全部取代Ga位而起施主作用，这时掺Si浓度和电子浓度一致；而在掺Si浓度大于1018

cm-3时，部分Si原子开始取代As位，出现补偿作用，使电子浓度逐渐偏低。中性杂质

掺ⅢA族元素(B、Al、In)和ⅤA族元素(P、Sb)在GaAs中分别替代Ga和As，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，呈现电中性，对GaAs的电学性质无明显影响。第二十页，共36页。归纳杂质可取代Ⅲ族，也可取代Ⅴ族；同一杂质可形成不同的掺杂类型。杂质原子周围可以是4个Ⅲ族或Ⅴ族原子。等电子杂质：某些III-V族化合物中掺入某些III、V族元素杂质时，杂质取代基质中的同族原子后，基本上仍呈电中性，由于它与被取代的原子共价半径和电负性有差别，能俘获某种载流子而成为带电中心，这个带电中心称为等电子陷阱。Ⅳ族元素起两性杂质作用。双性杂质：既可起施主作用，又能起受主杂质作用。如GaAs中的Si，但Si总效果为施主杂质。第二十一页，共36页。（2）晶格中的点缺陷

空位VAs、VGa间隙原子Gal、Asl

反结构缺陷——Ga原子占据As空位，或As原子占据Ga空位，记为GaAs和AsGa

化合物晶体中的各类点缺陷可以电离，释放出电子或空穴，从而影响材料的电学性质。当Ga的位置被As取代后，多出一个电子，相当于施主当As的位置被Ga取代后，少一个电子，相当于受主第二十二页，共36页。2.Ⅱ-ⅥA族化合物半导体的杂质和缺陷Ⅱ-ⅥA族化合物半导体是典型的离子键化合物。（补充）(1)杂质掺Ⅰ族，Ⅰ族→Ⅱ族，少一个电子，P型掺Ⅲ族，Ⅲ族→Ⅱ族，多一个电子，N型掺Ⅴ族，Ⅴ族→Ⅵ族，少一个电子，P型掺Ⅶ族，Ⅶ族→Ⅵ族，多一个电子，N型(2)缺陷

由于Ⅱ-ⅥA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，所以外界杂质对其性能的影响不显著，半导体的导电类型更主要的是由其自身结构的缺陷（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用。第二十三页，共36页。第二十四页，共36页。负离子空位

——产生正电中心，起施主作用原子失去电子后+-电负性小第二十五页，共36页。b.正离子填隙

——产生正电中心，起施主作用原子失去电子后第二十六页，共36页。c.正离子空位

——产生负电中心，起受主作用原子得到电子后电负性大第二十七页，共36页。d.负离子填隙

——产生负电中心,起受主作用原子得到电子后第二十八页，共36页。点缺陷：热缺陷：弗仑克尔缺陷，成对出现间隙原子和空位；肖特基缺陷，只有空位没有间隙原子。硅、锗晶体中，空位表现为受主，间隙原子表现为施主。热振动和成分偏离正常化学比均会形成点缺陷。离子晶体中正离子空位以及电负性大的原子为间隙原子时，是受主；负离子空位以及电负性小的原子为间隙原子时，是施主。位错：一种线缺陷。位错线上的原子有一个不成对的电子，失去该电子成为正电中心，起施主作用；俘获一个电子，成为负电中心，起受主作用。棱位错周围，晶格畸变，禁带发生变化。第二十九页，共36页。负离子空位—产生正电中心，起施主作用正离子填隙正离子空位—产生负电中心，起受主作用负离子填隙第三十页，共36页。§2-2半导体中的深能级杂质(自学)深能级杂质：其杂质电离能较大。其特点：杂质能级深；主要以替位式存在；杂质在禁带中引入多个能级；有的属于两性杂质。如替代同一原子，则施主总在受主下方；深能级杂质的行为与杂质的电子层结构、原子大小、杂质在晶格中的位置等有关。深能级杂质一般含量极少，对半导体的载流子浓度、能带和导电类型影响不及浅能级杂质显著，但对载流子的复合作用较强，常称这类杂质为复合中心。制造高速开关器件时，有意掺入金以提高器件速度。在Ge中掺入Au：Au的电子组态是：5s25p65d106s1第三十一页，共36页。