西安电子科技大学半导体物理课件――第二章 半导体中杂质和缺陷能级

1、第二章 半导体中杂质和缺陷能级第二章 半导体中杂质和缺陷能级 主讲：施建章主讲：施建章 E-Mail: jzhshi 西安电子科技大学技术物理学院西安电子科技大学技术物理学院 二零零七年九月二零零七年九月 主 要 内 容主 要 内 容 一、杂质的分类一、杂质的分类 二、杂质能级二、杂质能级 三、缺陷的形成三、缺陷的形成 四、半导体中杂质和缺陷的作用四、半导体中杂质和缺陷的作用 第二章 半导体中杂质和缺陷能级第二章 半导体中杂质和缺陷能级 实际晶体与理想晶体的区别实际晶体与理想晶体的区别 ?原子并非在格点上固定不动原子并非在格点上固定不动 ?杂质的存在杂质的存在 ?a. 工艺流程中引入；工艺流程

2、中引入； ?b. 认为掺杂；认为掺杂； ?c. 温度的影响，等等。温度的影响，等等。 ?缺陷缺陷 ?点缺陷（空位，间隙原子、反结构缺陷）点缺陷（空位，间隙原子、反结构缺陷） ?线缺陷（位错：刃形位错和螺形位错）线缺陷（位错：刃形位错和螺形位错） ?面缺陷（层错，晶粒间界）面缺陷（层错，晶粒间界） 替位式杂质、间隙式杂质替位式杂质、间隙式杂质 ?替位式杂质替位式杂质 ?杂质原子的杂质原子的大小大小及物化性质（及物化性质（电负性电负性）与晶体原子相似）与晶体原子相似 ?III、V族元素在硅、锗中均为替位式杂质III、V族元素在硅、锗中均为替位式杂质 ?间隙式杂质间隙式杂质 ?杂质原子远小于晶体原子

3、杂质原子远小于晶体原子 ?杂质浓度：单位体积内的杂质原子数杂质浓度：单位体积内的杂质原子数 缺陷能级的产生缺陷能级的产生 ?在理想晶格中，原子严格周期性排列，允带电子能量状态形成 一系列能带，而允带之间的禁带不存在电子状态。 在理想晶格中，原子严格周期性排列，允带电子能量状态形成 一系列能带，而允带之间的禁带不存在电子状态。 ?由于杂质和缺陷的存在，使晶格周期性势场遭到局部破坏。缺 陷处的电子能级受到微扰，将向上（正微扰）或向下（负微 扰）偏移而进入禁带中，其他能级保持不变。 由于杂质和缺陷的存在，使晶格周期性势场遭到局部破坏。缺 陷处的电子能级受到微扰，将向上（正微扰）或向下（负微 扰）偏移

4、而进入禁带中，其他能级保持不变。 ?由于点缺陷或位错等缺陷引起局部微扰，在禁带中引入的定域 能级称之为 由于点缺陷或位错等缺陷引起局部微扰，在禁带中引入的定域 能级称之为缺陷能级缺陷能级。 ?如果微扰浓度很小（杂质原子少，无相互作用），则缺陷能级 是孤立的；如果微扰浓度足够大（杂质原子很多，有相互作 用），则缺陷能级也将分裂而形成能带（杂质原子上的电子做 共有化运动）。 如果微扰浓度很小（杂质原子少，无相互作用），则缺陷能级 是孤立的；如果微扰浓度足够大（杂质原子很多，有相互作 用），则缺陷能级也将分裂而形成能带（杂质原子上的电子做 共有化运动）。 施主杂质、施主能级施主杂质、施主能级 ?施主

5、杂质施主杂质 ?V族元素在硅、锗中电离时能够释放电子而产生导电电子并形成正电 中心，称此类杂质为施主杂质或n型杂质。 V族元素在硅、锗中电离时能够释放电子而产生导电电子并形成正电 中心，称此类杂质为施主杂质或n型杂质。 ?施主电离施主电离 ?施主杂质释放电子的过程。施主杂质释放电子的过程。 ?施主能级施主能级 ?被施主杂质束缚的电子的能量状态，记为E被施主杂质束缚的电子的能量状态，记为ED D，施主电离能量为E，施主电离能量为ED D。 ?n型半导体n型半导体 ?主要依靠导带电子导电的半导体。主要依靠导带电子导电的半导体。 受主杂质、受主能级受主杂质、受主能级 ?受主杂质受主杂质 ?III族元

6、素在硅、锗中电离时能够接受电子而产生导电空穴并形成负 电中心，称此类杂质为受主杂质或p型杂质。 III族元素在硅、锗中电离时能够接受电子而产生导电空穴并形成负 电中心，称此类杂质为受主杂质或p型杂质。 ?受主电离受主电离 ?受主杂质释放空穴的过程。受主杂质释放空穴的过程。 ?受主能级受主能级 ?被受主杂质束缚的空穴的能量状态，记为E被受主杂质束缚的空穴的能量状态，记为EA A。受主电离能量为E。受主电离能量为EA A ?p型半导体p型半导体 ?主要依靠价带空穴导电的半导体。主要依靠价带空穴导电的半导体。 浅能级（杂质）、深能级（杂质）浅能级（杂质）、深能级（杂质） ?产生的施主能级距离导带底远

7、，产生的受主能级距 离价带顶远，这样的能级称为 产生的施主能级距离导带底远，产生的受主能级距 离价带顶远，这样的能级称为深能级深能级；反之，称为；反之，称为 浅能级浅能级。 ?产生深（浅）能级的杂质称为产生深（浅）能级的杂质称为深（浅）能级杂质深（浅）能级杂质。 ?深能级杂质一般含量少，电离能大，对半导体导电 类型和载流子数量没有浅能级杂质显著。 深能级杂质一般含量少，电离能大，对半导体导电 类型和载流子数量没有浅能级杂质显著。 浅能级杂质浅能级杂质电离能简单计算电离能简单计算 ?类氢模型类氢模型 ?氢原子中电子能量氢原子中电子能量 ?n=1,2,3n=1,2,3，为主量子数，当n=1和无穷时

8、，为主量子数，当n=1和无穷时 ?氢原子基态电子的电离能氢原子基态电子的电离能 222 0 4 0 8nh qm En = 0, 8 22 0 4 0 1 = E h qm E eV h qm EEE6 .13 8 22 0 4 0 10 = ?施主杂质电离能受主杂质电离能施主杂质电离能受主杂质电离能 2 0 0 * 22 0 2 4* 8 r n r n D E m m h qm E = 2 0 0 * 22 0 2 4* 8 r p r p A E m m h qm E = 浅能级杂质电离能简单计算浅能级杂质电离能简单计算 考虑到正、负电荷处于介电常数=考虑到正、负电荷处于介电常数=0 0

9、r r的介质中，且 处于晶格形成的周期性势场中运动，故有 的介质中，且 处于晶格形成的周期性势场中运动，故有 杂质的补偿作用杂质的补偿作用 半导体内同时含有施主杂质和受主杂质，施主和受主在导 电性能上有相互抵消的作用，通常称之为 半导体内同时含有施主杂质和受主杂质，施主和受主在导 电性能上有相互抵消的作用，通常称之为杂质的补偿作用杂质的补偿作用。 ?当N当ND DNNA A时时 ?n= Nn= ND D-N-NA A N ND D，半导体是n型的，半导体是n型的 ?当N当ND DNEA2 A2E EA1 A1。 。 ?金在各种半导体中存在E金在各种半导体中存在ED D、 E、 EA3、 A3、

10、E EA2A2、E 、EA1 A1四个孤立能级。 四个孤立能级。 点缺陷点缺陷 ?热缺陷（由温度决定）热缺陷（由温度决定） ?弗伦克尔缺陷弗伦克尔缺陷 ?成对出现的间隙原子和空位成对出现的间隙原子和空位 ?肖特基缺陷肖特基缺陷 ?只形成空位而没有间隙原子只形成空位而没有间隙原子 ?对于化合物半导体，偏离正常的化学比对于化合物半导体，偏离正常的化学比 ?化合物半导体中的替位原子化合物半导体中的替位原子 kT u s s Nen = 2kT u f f eNNn = ?空位易于间隙原子出现空位易于间隙原子出现 ?因为空位周围有四个不成对电子，所以空位表现出受主作用；因为空位周围有四个不成对电子，所

11、以空位表现出受主作用； ?每个间隙原子有四个可以失去的电子，所以表现出施主作用。每个间隙原子有四个可以失去的电子，所以表现出施主作用。 ?GaAs中的镓空位和砷空位均表现为受主作用GaAs中的镓空位和砷空位均表现为受主作用； ?离子性强的化合物离子性强的化合物半导体（M,X），正离子空位是受 主，负离子空位是施主，金属原子为间隙原子时为施 主，非金属原子为间隙原子时为受主。 半导体（M,X），正离子空位是受 主，负离子空位是施主，金属原子为间隙原子时为施 主，非金属原子为间隙原子时为受主。 ?离子性弱的二元化合物离子性弱的二元化合物AB，替位原子AAB，替位原子AB B是受主，B是受主，BA

12、A是 施主。 是 施主。 点缺陷点缺陷 位 错位 错 ?锗中的锗中的60棱位错棱位错 ?（111）面内位错线）面内位错线10-1和滑移方向和滑移方向1-10之间的夹 角是 之间的夹 角是60， 如图， 如图2-18。 ?锗中位错具有受主及施主的作用锗中位错具有受主及施主的作用。 ?晶格畸变晶格畸变 0 0 V V EEE cccc = 0 0 V V EEE vvvv = 0 )( V V E vcg = 杂质和缺陷的作用杂质和缺陷的作用 ?1. 1. 空位空位 ?元素半导体中的空位：倾向于得到电子，其受主作用；元素半导体中的空位：倾向于得到电子，其受主作用； ?（离子型）化合物半导体中的空位

13、：（离子型）化合物半导体中的空位： ?正离子空位正离子空位负电中心负电中心受主作用；受主作用； ?负离子空位负离子空位正点中心正点中心施主作用；施主作用； ?（共价型）化合物半导体中的空位：（共价型）化合物半导体中的空位： ?都起受主作用！都起受主作用！ ?2. 2. 间隙杂质间隙杂质 ?（与基质原子相比）电负性小的填隙式杂质（与基质原子相比）电负性小的填隙式杂质施主杂质；施主杂质； ?（与基质原子相比）电负性大的填隙式杂质（与基质原子相比）电负性大的填隙式杂质受主杂质；受主杂质； 杂质和缺陷的作用杂质和缺陷的作用 ?3. 3. 替位式杂质替位式杂质 ?杂质原子常取代电负性相近或原子半径相近的

14、基质原子杂质原子常取代电负性相近或原子半径相近的基质原子 ?价电子多价电子多施主作用；施主作用； ?价电子少价电子少受主作用；受主作用； ?4. 4. 两性杂质两性杂质 ?既能起施主作用，又能起受主作用的杂质，如III-V族化合物半导体中掺入的 硅； 既能起施主作用，又能起受主作用的杂质，如III-V族化合物半导体中掺入的 硅； ?5. 5. 等电子杂质等电子杂质 ?掺入的杂质既不起施主作用，又不起受主作用，仍然保持电中性。如III-V族化 合物半导体中掺入的III族获V族杂质原子。但是，由于电负性的不同，这些等电 子杂质仍然能够俘获载流子而成为带电中心，这个带电中心称为 掺入的杂质既不起施主

15、作用，又不起受主作用，仍然保持电中性。如III-V族化 合物半导体中掺入的III族获V族杂质原子。但是，由于电负性的不同，这些等电 子杂质仍然能够俘获载流子而成为带电中心，这个带电中心称为等电子陷阱等电子陷阱。等 电子陷阱俘获载流子成为带电中心后，由于库仑作用又能俘获另一种相反符号的 载流子，形成 。等 电子陷阱俘获载流子成为带电中心后，由于库仑作用又能俘获另一种相反符号的 载流子，形成束缚激子束缚激子。 杂质和缺陷的作用杂质和缺陷的作用 ?6. 6. 等电子络合物等电子络合物 ?在III-V族化合物中同时掺入II族和VI杂质，如果II族和VI族杂质原 子处于相邻格点位置，并形成电中性的分子中

16、心（如Zn-O对），则 通常称之为络合中心。 在III-V族化合物中同时掺入II族和VI杂质，如果II族和VI族杂质原 子处于相邻格点位置，并形成电中性的分子中心（如Zn-O对），则 通常称之为络合中心。 ?电中性的等电中心和络合中心能够俘获电子和空穴，引起电子-空穴 的复合。所以，尽管其对导带电子和价带空穴无影响，但通过这也 可影响导电性能。 电中性的等电中心和络合中心能够俘获电子和空穴，引起电子-空穴 的复合。所以，尽管其对导带电子和价带空穴无影响，但通过这也 可影响导电性能。 ?7. 7. 自补偿效应自补偿效应 ?在化合物半导体中存在的正离子空位和负离子空位之间，以及离子 空位和杂质原子之间可能存在的补偿作用，称为自补偿效应。 在化合物半导体中存在的正离子空位和负离子空位之间，以及离子 空位和杂质原子之间可能存在的补偿作用，称为自补偿效应。 双极性和单极性半导体双极性和单极性半导体 ?双极性半导体双极性半导体：通过适当的加工工艺过程，既可以成为通过适当的加工工艺过程，既可以成为n型半导体， 也可以成为 型半导体， 也可以成为p型半导体的材料；型半导体的材料； ?单极性半导体单极性半导体：一般只能加工成一般只能加工成n型或型或p型一种，而不能实现两种导 电类型的半导体材料。 型一种，而不能实现两种导 电类型的半导体材料。 ?常见的半导体材料：常见的半导体材料：