半导体中杂质和缺陷能级课件

半導體中雜質和缺陷能級理想半導體：1、原子嚴格地週期性排列，晶體具有完整的晶格結構。2、晶體中無雜質，無缺陷。3、電子在週期場中作共有化運動，形成允帶和禁帶——電子能量只能處在允帶中的能級上，禁帶中無能級。由本征激發提供載流子

本征半導體——晶體具有完整的（完美的）晶格結構，無任何雜質和缺陷。

實際材料中1、總是有雜質、缺陷，使週期場破壞，在雜質或缺陷周圍引起局部性的量子態——對應的能級常常處在禁帶中，對半導體的性質起著決定性的影響。2、雜質電離提供載流子。§2.1矽、鍺晶體中的雜質能級

§2.1.1

替位式雜質間隙式雜質一個晶胞中包含有八個矽原子，若近似地把原子看成是半徑為r的圓球，則可以計算出這八個原於佔據晶胞空間的百分數如下：說明，在金剛石型晶體中一個晶胞內的8個原子只佔有晶胞體積的34%，還有66%是空隙§2.1.1替位式雜質間隙式雜質金剛石型晶體結構中的兩種空隙如圖2-1所示。這些空隙通常稱為間隙位置§2.1.1替位式雜質間隙式雜質雜質原子進入半導體矽後，以兩種方式存在一種方式是雜質原子位於品格原子間的間隙位置，常稱為間隙式雜質（A）另一種方式是雜質原子取代晶格原子而位於晶格點處，常稱為替位式雜質（B）§2.1.1替位式雜質間隙式雜質兩種雜質特點：間隙式雜質原子一般比較小，如：鋰離子，0.068nm替值式雜質時：1）雜質原子的大小與被取代的晶格原子的大小比較相近2）價電子殼層結構比較相近如：ⅢⅤ族元素§2.1.2施主雜質施主能級Ⅴ族雜質在矽、鍺中電離時，能夠施放電子而產生導電電子並形成正電中心，稱它們為施主雜質或n型雜質§2.1.2施主雜質施主能級以矽中摻磷P為例：磷原子佔據矽原子的位置。磷原子有五個價電子。其中四個價電子與周圍的四個矽原於形成共價鍵，還剩餘一個價電子。這個多餘的價電子就束縛在正電中心P＋的周圍。價電子只要很少能量就可掙脫束縛，成為導電電子在晶格中自由運動這時磷原子就成為少了一個價電子的磷離子P＋，它是一個不能移動的正電中心。§2.1.2施主雜質施主能級上述電子脫離雜質原子的束縛成為導電電子的過程稱為雜質電離使個多餘的價電子掙脫束縛成為導電電子所需要的能量稱為雜質電離能施主雜質電離後成為不可移動的帶正電的施主離子，同時嚮導帶提供電子，使半導體成為電子導電的n型半導體。§2.1.2施主雜質施主能級施主雜質的電離過程，可以用能帶圖表示如圖2-4所示.當電子得到能量後，就從施主的束縛態躍遷到導帶成為導電電子，所以電子被施主雜質束縛時的能量比導帶底低。將被施主雜質束縛的電子的能量狀態稱為施主能級，記為，所以施主能級位於離導帶底很近的禁帶中§2.1.3受主雜質受主能級Ⅲ族雜質在矽、鍺中能夠接受電子而產生導電空穴，並形成負電中心，所以稱它們為受主雜質或p型雜質。§2.1.3受主雜質受主能級

以矽中摻磷B為例：B原子佔據矽原子的位置。磷原子有三個價電子。與周圍的四個矽原於形成共價鍵時還缺一個電子，就從別處奪取價電子，這就在Si形成了一個空穴。這時B原子就成為多了一個價電子的磷離子B－，它是一個不能移動的負電中心。空穴束縛在正電中心B－的周圍。空穴只要很少能量就可掙脫束縛，成為導電空穴在晶格中自由運動§2.1.3受主雜質受主能級使空穴掙脫束縛成為導電空穴所需要的能量稱為受主雜質電離能受主雜質電離後成為不可移動的帶負電的受主離子，同時向價帶提供空穴，使半導體成為空穴導電的p型半導體。§2.1.3受主雜質受主能級受主雜質的電離過程，可以用能帶圖表示如圖2-6所示.當空穴得到能量後，就從受主的束縛態躍遷到價帶成為導電空穴，所以電子被受主雜質束縛時的能量比價帶頂高。將被受主雜質束縛的空穴的能量狀態稱為受主能級，記為，所以受主能級位於離價帶頂很近的禁帶中§2.1.4淺能級雜質電離能的簡單計算淺能級雜質：電離能小的雜質稱為淺能級雜質。所謂淺能級，是指施主能級靠近導帶底，受主能級靠近價帶頂。室溫下，摻雜濃度不很高底情況下，淺能級雜質幾乎可以可以全部電離。五價元素磷（P）、銻（Sb）在矽、鍺中是淺受主雜質，三價元素硼（B）、鋁（Al）、鎵（Ga）、銦（In）在矽、鍺中為淺受主雜質。§2.1.4淺能級雜質電離能的簡單計算類氫模型§2.1.5雜質的補償作用雜質補償：半導體中存在施主雜質和受主雜質時，它們底共同作用會使載流子減少，這種作用稱為雜質補償。在製造半導體器件底過程中，通過採用雜質補償底方法來改變半導體某個區域底導電類型或電阻率。

高度補償：若施主雜質濃度與受主雜質濃度相差不大或二者相等，則不能提供電子或空穴，這種情況稱為雜質的高等補償。這種材料容易被誤認為高純度半導體，實際上含雜質很多，性能很差，一般不能用來製造半導體器件。§2.1.4雜質的補償作用1）：受主能級低於施主能級，剩餘雜質2）：施主能級低於受主能級，剩餘雜質3）高度補償：有效施主濃度有效受主濃度§2.1.6深能級雜質深能級雜質：非ⅢⅤ族雜質在Si、Ge的禁帶中產生的施主能級遠離導帶底，受主能級遠離價帶頂。雜質電離能大，能夠產生多次電離§2.1.6深能級雜質三個基本特點：一、是不容易電離，對載流子濃度影響不大；二、是一般會產生多重能級，甚至既產生施主能級也產生受主能級。三、是能起到複合中心作用，使少數載流子壽命降低（在第五章詳細討論）。四、是深能級雜質電離後以為帶電中心，對載流子起散射作用，使載流子遷移率減少，導電性能下降。§2.2化合物半導體中的雜質能級§2.2.1

雜質在砷化鎵中的存在形式四種情況： 1）取代砷 2）取代鎵 3）填隙 4）反位§2.2.1雜質在砷化鎵中的存在形式四族元素矽在砷化鎵中會產生雙性行為，即矽的濃度較低時主要起施主雜質作用，當矽的濃度較高時，一部分矽原子將起到受主雜質作用。這種雙性行為可作如下解釋：因為在矽雜質濃度較高時，矽原子不僅取代鎵原子起著受主雜質的作用，而且矽也取代了一部分V族砷原子而起著受主雜質的作用，因而對於取代Ⅲ族原子鎵的矽施主雜質起到補償作用，從而降低了有效施主雜質的濃度，電子濃度趨於飽和。

§2.3半導體中的缺陷能級

(defectlevels)§2.3.1點缺陷（熱缺陷）pointdefects/thermaldefects點缺陷的種類：弗侖克耳缺陷：原子空位和間隙原子同時存在肖特基缺陷：晶體中只有晶格原子空位間隙原子缺陷：只有間隙原子而無原子空位§2.3.1點缺陷點缺陷（熱缺陷）特點：①熱缺陷的數目隨溫度升高而增加②熱缺陷中以肖特基缺陷為主（即原子空位為主）。原因：三種點缺陷中形成肖特基缺陷需要的能量最小。（可參閱劉文明《半導體物理學》p70～p73，或葉良修《半導體物理學》p24和p94）③淬火後可以“凍結”高溫下形成的缺陷。④退火後可以消除大部分缺陷。半導體器件生產工藝中，經高溫加工（如擴散）後的晶片一般都需要進行退火處理。離子注入形成的缺陷也用退火來消除。

§2.3.1點缺陷點缺陷對半導體性質的影響：1）缺陷處晶格畸變，週期性勢場被破壞，致使在禁帶中產生能級。2）熱缺陷能級大多為深能級，在半導體中起複合中心作用，使非平衡載流子濃度和壽命降低。3）空位缺陷有利於雜質擴散4）對載流子有散射作用，使載流子遷移率和壽命降低。§2.3.1點缺陷§2.3.1點缺陷§2.3.2位錯位錯形成原因：晶格畸變位錯種類：刃位錯（橫位錯）和螺位錯導帶底價帶頂改變分別位：禁帶寬度變化位：§2.3.2位錯§2.3.2位錯棱位錯對半導體性能的影響：1）位錯線上的懸掛鍵可以接受電子變為負電中心，表現為受主；懸掛鍵上的一個電子也可以被釋放出來而變為正電中心，此時表現為施主，即不飽和的懸掛鍵具有雙性行為，可以起受主作用，