半导体物理2.ppt

1、信息科学与技术研究所，半导体物理，第2章，半导体中的杂质和缺陷能级，理想半导体：1。原子是严格周期性排列的，晶体具有完整的晶格结构。2.晶体中没有杂质和缺陷。3.电子在周期场中共同运动，形成允许带和禁带的电子能量只能在允许带的能级，而禁带没有能级。具有由本征激发提供的载流子的本征半导体晶体具有完整(完美)的晶格结构，没有任何杂质和缺陷。在第二章，半导体中杂质和缺陷的能级，在实际材料中，总是存在杂质和缺陷，它们破坏了周期场，并在杂质或缺陷周围产生局域量子态。相应的能级通常在禁带中，禁带对半导体的性质起着决定性的作用。2.杂质电离提供了载流子。2.1硅和锗晶体中的杂质能级，2.1.1替代杂质间隙杂

2、质一个电池包含八个硅原子。如果将原子近似视为半径为R的球体，这八个原子最初占据晶胞空间的百分比可以计算如下：说明在金刚石晶体中，晶胞中的八个原子仅占据晶胞体积的34%，66%是空隙，2.1这些间隙通常称为间隙位置。2.1.1取代杂质在杂质原子进入半导体硅后，间隙杂质以两种方式存在。一种方法是杂质原子位于高质量原子之间的间隙位置，通常称为间隙杂质。另一种方式是杂质原子取代晶格原子并位于晶格点，通常称为取代杂质(B)，2.1.1取代杂质间隙杂质，两种杂质的特征：间隙杂质原子一般比较小，如锂离子，0.068纳米取代杂质：1)杂质原子的大小与取代晶格原子相似；2)价电子的壳层结构是相似的，如：族元素，

3、2.1.2施主杂质施主能级，当族杂质在硅和锗中电离时，它们能释放电子产生导电电子并形成正电荷中心，称为它们。磷原子有五个价电子。其中，四个价电子与周围的四个硅原子形成共价键，剩下一个价电子。这个额外的价电子被束缚在正中心p的周围。只要价电子能量很小，它就可以挣脱束缚，变成一个导电电子在晶格中自由移动。这时，磷原子变成一个缺少一个价电子的磷离子，它是一个不动的正中心。2.1.2施主杂质施主能级，上述电子脱离杂质原子束缚而成为导电电子的过程称为杂质电离，而使额外价电子脱离束缚而成为导电电子所需的能量称为杂质电离能，施主杂质电离后成为不可移动的带正电施主离子，同时向导带提供电子，使半导体成为具有电子

4、传导的N型半导体。2.1.2施主杂质的施主能级和施主杂质的电离过程可以用能带图表示，如图2-4所示。当电子获得能量时，它们将从施主束缚态转变到导带，成为导电电子，因此施主杂质束缚的电子能量低于导带底部。被施主杂质束缚的电子的能级称为施主能级，所以施主能级位于禁带靠近导带底部，2.1.3受主杂质的受主能级，基团杂质可以在硅和锗中接受电子，产生导电空穴，形成负电子中心，所以它们被称为受主杂质或p型杂质。2.1.3受体杂质的受体能级，以硅中掺磷的硼为例：硼原子占据硅原子的位置。磷原子有三个价电子。当与周围的四个硅原子形成共价键时，一个电子丢失，所以价电子从其他地方被带走，从而在硅中形成一个空穴。这时

5、，硼原子变成一个磷离子，多了一个价电子，这是一个固定的负中心。空穴被束缚在正中心b周围。空穴可以在很小的能量下脱离，变成导电的空穴在晶格中自由移动。2.1.3受体杂质脱离束缚而成为导电空穴所需的能量称为受体杂质电离能，它在被受体杂质电离后成为不可移动的带负电的受体离子，同时向价带提供空穴，使半导体成为具有空穴传导的P型半导体。2.1.3受体能级和受体杂质的电离过程可以用能带图表示，如图2-6所示。当空穴获得能量时，它将从受主束缚态跃迁到价带成为导电空穴，因此受主杂质束缚的电子能量高于价带能量。受主杂质束缚的空穴的能态称为受主能级，被写成，因此受主能级位于价带顶部附近的禁带中。2.1.4浅能级杂

6、质电离能的简单计算：电离能小的杂质称为浅能级杂质。浅能级意味着施主能级接近导带底部，受主能级接近价带顶部。在室温下，当掺杂浓度不是很高时，浅能级杂质可以几乎完全电离。五价元素磷(p)和锑(Sb)是硅和锗中的浅受主杂质，三价元素硼(b)、铝(al)、镓(ga)和铟(In)是硅和锗中的浅受主杂质。2.1.4浅能级杂质电离能的简单计算，类氢模型，2.1.5杂质补偿，杂质补偿：当半导体中存在施主杂质和受主杂质时，它们的底部相互作用将减少载流子，这称为杂质补偿。在制造半导体器件底部的过程中，通过采用杂质补偿底部的方法来改变半导体的某一区域的底部的导电类型或电阻率。高补偿：如果施主杂质浓度与受主杂质浓度相

7、差不大或相等，则不能提供电子或空穴，这称为杂质的高补偿。这种材料很容易被误认为是高纯度半导体。事实上，它含有许多杂质并且性能差，因此不能用于制造半导体器件。2.1.4杂质补偿，1):受体能级低于供体能级，剩余杂质2):供体能级低于受体能级，剩余杂质3)高补偿：有效供体浓度，有效受体浓度，2.1.6深能级杂质，深能级杂质：非族杂质在硅和锗的禁带中产生的供体能级远离导带底部，受体能杂质具有高电离能，能产生多重电离。2.1.6深层杂质有三个基本特征：第一，它们不容易电离，对载流子浓度影响很小；其次，它通常产生多个能级，甚至产生施主和受主能级。第三，它可以起到复合中心的作用，并减少少数载流子寿命(在第

8、5章中详细讨论)。第四，深能级杂质在电离后变成带电中心，这会散射载流子，降低载流子迁移率和电导率。2.2化合物半导体中的杂质能级，2.2.1砷化镓中杂质的存在形式：1)砷的取代2)镓的取代3)间隙填充4)反转，2.2.1砷化镓中杂质的存在形式，四族元素硅在砷化镓中将具有双重行为，即当硅的浓度低时，它主要充当施主杂质，而当硅的浓度高时， 硅的一部分这种二元性行为可以解释如下：当硅的杂质浓度高时，硅原子不仅取代镓原子并充当受体杂质，而且硅取代一部分V族砷原子并充当受体杂质，从而补偿取代镓原子的硅供体杂质，从而降低有效供体杂质的浓度，并且电子浓度趋于饱和。2.3半导体中的缺陷水平，2.3.1点缺陷(

9、热缺陷)点缺陷/热缺陷点缺陷的类型：弗兰克尔缺陷：肖特基缺陷存在于原子空位和间隙原子中：晶体中只有晶格原子空位和间隙原子缺陷：只有间隙原子但没有原子空位，2(请参考刘的半导体物理学p70p73，或叶的半导体物理学p24、p94。)高温下形成的缺陷在淬火后会“冻结”。退火后大多数缺陷可以消除。在半导体器件的生产过程中，在高温(如扩散)下加工的晶片通常需要退火处理。由离子注入形成的缺陷也可以通过退火来消除。2.3.1点缺陷及其对半导体特性的影响：1)缺陷处的晶格畸变和周期性势场被破坏，导致禁带中的能级。2)热缺陷的大部分能级是深能级，其在半导体中充当复合中心，因此降低了非平衡载流子的浓度和寿命。3)空位缺陷有利于杂质扩散，以及4)它们散射载流子，这降低了载流子迁移率和寿命。2.3.1点缺陷、2.3.1点缺陷、2.3.2位错、位错形成原因：晶格畸变位错类型：边缘位错(横向位错)和螺旋位错导带基价最高变化位置：带隙变化位置：2.3.2位错、2.3.2位错、边缘位错对半导体性能的影响：悬挂键上的一个电子也可以被释放而成为一个正中心，此时是一个供体，即不饱和悬挂键具有两性行为，可以起到受体或供体的作用。2)位错线处的晶格变形导致能带变形；3)位错线影响