半导体中的杂质和缺陷 讲稿.ppt

半导体中的杂质和缺陷半导体中的杂质和缺陷 第一页，讲稿共五十二页哦第二章第二章 半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级p实际材料中实际材料中 总是有杂质、缺陷，使周期场破坏，在杂质或总是有杂质、缺陷，使周期场破坏，在杂质或缺陷周围引起局部性的量子态缺陷周围引起局部性的量子态对应的能级常对应的能级常常处在禁带中，对半导体的性质起着决定性的影常处在禁带中，对半导体的性质起着决定性的影响。响。第二页，讲稿共五十二页哦杂质能级位于禁带之中 Ec Ev 杂质能级第三页，讲稿共五十二页哦杂质和缺陷原子的周期性势场受到破坏在禁带中引入能级决定半导体的物理和化学性质第四页，讲稿共五十二页哦2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级 2.1.1 替位式杂质替位式杂质 间隙式杂质间隙式杂质p 一个晶胞中包含有八个硅原子，若近似地把原子看成是半径一个晶胞中包含有八个硅原子，若近似地把原子看成是半径为为r的圆球，则可以计算出这八个原子占据晶胞空间的百分数如的圆球，则可以计算出这八个原子占据晶胞空间的百分数如下：下：p 说明，在金刚石型晶体中一个晶胞内的说明，在金刚石型晶体中一个晶胞内的8个原子只占有晶胞体积个原子只占有晶胞体积的的34%，还有，还有66%66%是空隙是空隙331323 =48384 0.34rarara第五页，讲稿共五十二页哦2.1.1 替位式杂质替位式杂质 间隙式杂质间隙式杂质p 金刚石型晶体结构中的两种空隙如图金刚石型晶体结构中的两种空隙如图2-1所示。这些空隙通常称所示。这些空隙通常称为间隙位置为间隙位置第六页，讲稿共五十二页哦2.1.1 替位式杂质替位式杂质 间隙式杂质间隙式杂质 杂质原子进入半导体硅后，杂质原子进入半导体硅后，以两种方式存在以两种方式存在p 一种方式是杂质原子位于晶格一种方式是杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，常称为原子间的间隙位置，常称为间间隙式隙式杂质（杂质（A）p 另一种方式是杂质原子取代晶另一种方式是杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处，常称格原子而位于晶格点处，常称为为替位式替位式杂质（杂质（B）第七页，讲稿共五十二页哦2.1.1 替位式杂质替位式杂质 间隙式杂质间隙式杂质 两种杂质特点：两种杂质特点：p 间隙式杂质原子一般比较小，如：锂离子，间隙式杂质原子一般比较小，如：锂离子，0.068nmp 替位式杂质：替位式杂质：1）杂质原子的大小与被取代的晶格原子的大小比较相近）杂质原子的大小与被取代的晶格原子的大小比较相近2）价电子壳层结构比较相近）价电子壳层结构比较相近如：如：族元素族元素第八页，讲稿共五十二页哦2.1.2 施主杂质施主杂质 施主能级施主能级p族杂质在硅、锗中电离时，能够施放电子而产族杂质在硅、锗中电离时，能够施放电子而产生导电电子并形成正电中心，称它们为生导电电子并形成正电中心，称它们为施主杂质施主杂质或或n型杂质型杂质第九页，讲稿共五十二页哦2.1.2 施主杂质施主杂质 施主能级施主能级 以硅中掺磷以硅中掺磷P为例：为例：p 磷原子占据硅原子的位置。磷原子有磷原子占据硅原子的位置。磷原子有五个价电子。其中四个价电子与周围五个价电子。其中四个价电子与周围的四个硅原于形成共价键，还剩余一的四个硅原于形成共价键，还剩余一个价电子。个价电子。p 这个多余的价电子就束缚在正电中心这个多余的价电子就束缚在正电中心P的周围。价电子只要很少能量就可挣脱束的周围。价电子只要很少能量就可挣脱束缚，成为缚，成为导电电子导电电子在晶格中自由运动在晶格中自由运动p 这时磷原子就成为少了一个价电子的磷这时磷原子就成为少了一个价电子的磷离子离子P，它是一个不能移动的，它是一个不能移动的正电中心正电中心。第十页，讲稿共五十二页哦 在Si单晶中，V族施主替位杂质两种荷电状态的价键图第十一页，讲稿共五十二页哦2.1.2 施主杂质施主杂质 施主能级施主能级p 上述电子脱离杂质原子的束缚成为导电电子的过程称为上述电子脱离杂质原子的束缚成为导电电子的过程称为杂质电杂质电离离p 这个多余的价电子挣脱束缚成为导电电子所需要的能量这个多余的价电子挣脱束缚成为导电电子所需要的能量称为称为杂质电离能杂质电离能p 施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子，同时向导带施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子，同时向导带提供电子，使半导体成为提供电子，使半导体成为电子电子导电的导电的n型半导体型半导体。第十二页，讲稿共五十二页哦施主电离能：ED=EC-ED EgECEDEV2.1.2 施主杂质 施主能级第十三页，讲稿共五十二页哦2.1.2 施主杂质施主杂质 施主能级施主能级p 施主杂质的电离过程，可以用能施主杂质的电离过程，可以用能带图表示带图表示p 如图如图2-4所示所示.当电子得到能量后，当电子得到能量后，就从施主的束缚态跃迁到导带成就从施主的束缚态跃迁到导带成为导电电子，所以电子被施主杂为导电电子，所以电子被施主杂质束缚时的能量比导带底质束缚时的能量比导带底 低低 。将被施主杂质束缚的。将被施主杂质束缚的电子的能量状态称为电子的能量状态称为施主能级施主能级，记，记为为 ，所以施主能级位于离导带底很，所以施主能级位于离导带底很近的禁带中近的禁带中DEDEDECE第十四页，讲稿共五十二页哦 Si、Ge中族杂质的电离能ED（eV）晶 杂 质 体 P As Sb Si 0.044 0.049 0.039 Ge 0.0126 0.0127 0.00962.1.2 施主杂质施主杂质 施主能级施主能级第十五页，讲稿共五十二页哦2.1.3 受主杂质受主杂质 受主能级受主能级p族杂质在硅、锗中能够接受电子而产生导电空族杂质在硅、锗中能够接受电子而产生导电空穴，并形成负电中心，所以称它们为穴，并形成负电中心，所以称它们为受主杂质受主杂质或或p型杂质型杂质。第十六页，讲稿共五十二页哦2.1.3 受主杂质受主杂质 受主能级受主能级 以硅中掺硼以硅中掺硼B为例：为例：p B原子占据硅原子的位置。硼原子原子占据硅原子的位置。硼原子有三个价电子。与周围的四个硅原有三个价电子。与周围的四个硅原子形成共价键时还缺一个电子，就子形成共价键时还缺一个电子，就从别处夺取价电子，这就在从别处夺取价电子，这就在Si形成形成了一个空穴。了一个空穴。p 这时这时B原子就成为多了一个价电子原子就成为多了一个价电子的硼离子的硼离子B，它是一个不能移动的，它是一个不能移动的负负电中心电中心。p 空穴束缚在正电中心空穴束缚在正电中心B的周围。空的周围。空穴只要很少能量就可挣脱束缚，成为穴只要很少能量就可挣脱束缚，成为导电空穴导电空穴在晶格中自由运动在晶格中自由运动第十七页，讲稿共五十二页哦 在在Si单晶中，单晶中，族受主替位杂质两种荷电状态的价键族受主替位杂质两种荷电状态的价键第十八页，讲稿共五十二页哦2.1.3 受主杂质受主杂质 受主能级受主能级p 使空穴挣脱束缚成为导电空穴所需要的能量称为使空穴挣脱束缚成为导电空穴所需要的能量称为受主杂质电离受主杂质电离能能p 受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子，同时向价带提受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子，同时向价带提供空穴，使半导体成为供空穴，使半导体成为空穴空穴导电的导电的p型半导体型半导体。第十九页，讲稿共五十二页哦受主电离能：EA=EA-EVEgEAEAEVEC2.1.3 受主杂质受主杂质 受主能级受主能级第二十页，讲稿共五十二页哦2.1.3 受主杂质受主杂质 受主能级受主能级p 受主杂质的电离过程，可以用能带图受主杂质的电离过程，可以用能带图表示表示p 如图如图2-6所示所示.当空穴得到能量后，当空穴得到能量后，就从受主的束缚态跃迁到价带成为就从受主的束缚态跃迁到价带成为导电空穴，所以空穴被受主杂质束导电空穴，所以空穴被受主杂质束缚时的能量比价带顶缚时的能量比价带顶 高高 。将被受主杂质束缚的空穴的。将被受主杂质束缚的空穴的能量状态称为能量状态称为受主能级受主能级，记为，记为 ，所，所以受主能级位于离价带顶很近的禁带以受主能级位于离价带顶很近的禁带中中AEAEAEVE第二十一页，讲稿共五十二页哦Si、Ge中族杂质的电离能EA（eV）晶 杂 质体 B Al Ga In Si 0.045 0.057 0.065 0.16 Ge 0.01 0.01 0.011 0.0112.1.3 受主杂质受主杂质 受主能级受主能级第二十二页，讲稿共五十二页哦2.1.4 浅能级杂质电离能的简单计算浅能级杂质电离能的简单计算p 浅能级杂质浅能级杂质：电离能小的杂质称为浅能级杂质。：电离能小的杂质称为浅能级杂质。p 所谓所谓浅能级浅能级，是指施主能级靠近导带底，受主能级靠近价，是指施主能级靠近导带底，受主能级靠近价带顶。带顶。p 室温下，掺杂浓度不很高的情况下，浅能级杂质几乎可以室温下，掺杂浓度不很高的情况下，浅能级杂质几乎可以全部电离。五价元素磷（全部电离。五价元素磷（P）、锑（）、锑（Sb）在硅、锗中是浅）在硅、锗中是浅施主杂质，三价元素硼（施主杂质，三价元素硼（B）、铝（）、铝（Al）、镓（）、镓（Ga）、铟）、铟（In）在硅、锗中为浅受主杂质。）在硅、锗中为浅受主杂质。第二十三页，讲稿共五十二页哦p 氢原子基态电子的电离能氢原子基态电子的电离能)1()()(44022022rErrqmhn氢原子电子满足：氢原子电子满足：321,8222040nnhqmEn解得电子能量：解得电子能量：2204018hqmE氢原子基态能量：氢原子基态能量：0E氢氢原原子子电电离离态态能能：)2(82204010hqmEEE 故基态电子的电离能：故基态电子的电离能：2.1.4 浅能级杂质电离能的简单计算第二十四页，讲稿共五十二页哦2.1.4 浅能级杂质电离能的简单计算浅能级杂质电离能的简单计算p类氢模型类氢模型4022208nm qEh n0 nrmm)3(8200*22204*rnrnDEmmhqmE:施主电离能施主电离能)4(8200*22204*rprpAEmmhqmE:受主电离能受主电离能有效质量有效质量分别为电分别为电和和子和空穴的*pnmm第二十五页，讲稿共五十二页哦2.1.5 杂质的补偿作用杂质的补偿作用p 杂质补偿杂质补偿：半导体中存在施主杂质和受主杂质时，它们的共同作半导体中存在施主杂质和受主杂质时，它们的共同作用会使载流子减少，这种作用称为杂质补偿。在制造半导体器件用会使载流子减少，这种作用称为杂质补偿。在制造半导体器件的过程中，通过采用杂质补偿的方法来改变半导体某个区域的导的过程中，通过采用杂质补偿的方法来改变半导体某个区域的导电类型或电阻率。电类型或电阻率。p 高度补偿高度补偿：若施主杂质浓度与受主杂质浓度相差不大或二者若施主杂质浓度与受主杂质浓度相差不大或二者相等，则不能提供电子或空穴，这种情况称为杂质的高度补相等，则不能提供电子或空穴，这种情况称为杂质的高度补偿。这种材料容易被误认为高纯度半导体，实际上含杂质很偿。这种材料容易被误认为高纯度半导体，实际上含杂质很多，性能很差，一般不能用来制造半导体器件。多，性能很差，一般不能用来制造半导体器件。第二十六页，讲稿共五十二页哦p1，NDNA时：时：n型半导体型半导体 因因 EA 在在 ED 之下，之下，ED上的束缚电子首先填充上的束缚电子首先填充EA上的空位，上的空位，即施主与受主先相互即施主与受主先相互“抵消抵消”，剩余的束缚电子再电离到导带上。，剩余的束缚电子再电离到导带上。有效的施主浓度有效的施主浓度 ND*=ND-NA2.1.5 杂质的补偿作用杂质的补偿作用EcED电离施主电离受主EvEA第二十七页，讲稿共五十二页哦p2，NAND时：时：p型半导体型半导体 因因 EA 在在 ED 之下，之下，ED上的束缚电子首先填充上的束缚电子首先填充EA上的空位，上的空位，即施主与受主先相互即施主与受主先相互“抵消抵消”，剩余的束缚空穴再电离到价带，剩余的束缚空穴再电离到价带上。上。有效的受主浓度有效的受主浓度 NA*=NA-ND2.1.5 杂质的补偿作用杂质的补偿作用EcEDEAEv电离施主电离受主第二十八页，讲稿共五十二页哦p3，NA ND时：杂质的高度补偿时：杂质的高度补偿2.1.5 杂质的补偿作用杂质的补偿作用不能向导带和价带提供电子和空穴第二十九页，讲稿共五十二页哦2.1.6 深能级杂质深能级杂质p 深能级杂质深能级杂质：非：非族杂质在族杂质在SiSi、GeGe的禁带中产生的的禁带中产生的施主能施主能级远离导带底，受主能级远离价带顶。杂质电离能大，能级远离导带底，受主能级远离价带顶。杂质电离能大，能够产生多次电离够产生多次电离第三十页，讲稿共五十二页哦（1）浅能级杂质EDEgEAEg（2）深能级杂质ED EgEA Eg2.1.6 深能级杂质深能级杂质第三十一页，讲稿共五十二页哦p例如：在例如：在Ge中掺中掺Au Au的电子组态为：的电子组态为：5s25p65d106s12.1.6 深能级杂质深能级杂质第三十二页，讲稿共五十二页哦p 1，Au失去一个电子施主失去一个电子施主 Au0 e Au+ED=EV+0.04eV2.1.6 深能级杂质深能级杂质EcEvED第三十三页，讲稿共五十二页哦p 2，Au获得一个电子受主获得一个电子受主 Au0 e Au-EA1=EV+0.15eV2.1.6 深能级杂质深能级杂质EcEvEDEA1第三十四页，讲稿共五十二页哦p 3，Au获得第二个电子获得第二个电子 Au-e Au-EA2=EC0.2eV2.1.6 深能级杂质深能级杂质EcEvEDEA1EA2第三十五页，讲稿共五十二页哦p 4，Au获得第三个电子获得第三个电子 Au-e Au-EcEvEDEA3=EC0.04eV2.1.6 深能级杂质深能级杂质EA1EA2EA3第三十六页，讲稿共五十二页哦2.1.6 深能级杂质深能级杂质p三个基本特点：三个基本特点：一、是不容易电离，对载流子浓度影响不大；一、是不容易电离，对载流子浓度影响不大；二、一般会产生多重能级，甚至既产生施主能级也产生受主能级二、一般会产生多重能级，甚至既产生施主能级也产生受主能级。三、能起到复合中心作用，使少数载流子寿命降低（在第五三、能起到复合中心作用，使少数载流子寿命降低（在第五章详细讨论）。章详细讨论）。四、深能级杂质电离后为带电中心，对载流子起散射作用，四、深能级杂质电离后为带电中心，对载流子起散射作用，使载流子迁移率减少，导电性能下降。使载流子迁移率减少，导电性能下降。第三十七页，讲稿共五十二页哦2.2 化合物半导体中的杂质能级化合物半导体中的杂质能级2.2.1 杂质在砷化镓中的存在杂质在砷化镓中的存在形式形式 p 四种情况：四种情况：1）取代砷）取代砷2）取代镓）取代镓3）填隙）填隙4）反位）反位第三十八页，讲稿共五十二页哦2.2.1 杂质在砷化镓中的存在形式杂质在砷化镓中的存在形式 p等电子杂质效应等电子杂质效应 1）等电子杂质）等电子杂质 特征：特征：a、与本征元素同族但不同原子序数、与本征元素同族但不同原子序数 例：例：GaP中掺入中掺入族的族的N或或Bi b、以替位形式存在于晶体中，基本上、以替位形式存在于晶体中，基本上 是电中性的。是电中性的。第三十九页，讲稿共五十二页哦2.2.1 杂质在砷化镓中的存在形式 p 等电子杂质效应等电子杂质效应 2）等电子陷阱）等电子陷阱 等电子杂质（如等电子杂质（如N N）占据本征原子位置（如）占据本征原子位置（如GaPGaP中的中的P P位置）后，即位置）后，即 存在着由核心力引起的短程作用力，它们可以吸引一个导带存在着由核心力引起的短程作用力，它们可以吸引一个导带电子（空穴）而变成负（正）离子，前者就是电子（空穴）而变成负（正）离子，前者就是电子陷阱电子陷阱，后者，后者就是就是空穴陷阱空穴陷阱。N NP第四十页，讲稿共五十二页哦2.2.1 杂质在砷化镓中的存在形式 p 束缚激子束缚激子例：例：GaP：N NP+e NP-（等电子陷阱）（等电子陷阱）之后之后 NP-+h NP-+h 即等电子陷阱俘获一种符号的载流子后，又因带电中心的库即等电子陷阱俘获一种符号的载流子后，又因带电中心的库仑作用又俘获另一种带电符号的载流子，这就是仑作用又俘获另一种带电符号的载流子，这就是束缚激子束缚激子。束缚激子第四十一页，讲稿共五十二页哦2.2.1 杂质在砷化镓中的存在形式 p两性杂质两性杂质举例：举例：GaAsGaAs中掺中掺SiSi（族）族）SiGa受主SiAs施主在化合物半导体中，某种杂质在其中既可以作施主又可以作受主，这种杂质称为两性杂质。两性杂质第四十二页，讲稿共五十二页哦2.2.1 杂质在砷化镓中的存在形式杂质在砷化镓中的存在形式p 四族元素硅在砷化镓中会产生双性行为四族元素硅在砷化镓中会产生双性行为，即硅的浓度较低时主要起施主杂质作，即硅的浓度较低时主要起施主杂质作用，当硅的浓度较高时，一部分硅原子用，当硅的浓度较高时，一部分硅原子将起到受主杂质作用。将起到受主杂质作用。p 这种双性行为可作如下解释：这种双性行为可作如下解释：因为在硅杂质浓度较高时，硅原子不因为在硅杂质浓度较高时，硅原子不仅取代镓原子起着施主杂质的作用，仅取代镓原子起着施主杂质的作用，而且硅也取代了一部分而且硅也取代了一部分V族砷原子而族砷原子而起着受主杂质的作用，因而对于起着受主杂质的作用，因而对于取代取代族原子镓的硅施主杂质起到补族原子镓的硅施主杂质起到补偿作用，从而降低了有效施主杂质的偿作用，从而降低了有效施主杂质的浓度，电子浓度趋于饱和。浓度，电子浓度趋于饱和。第四十三页，讲稿共五十二页哦2.3 半导体中的缺陷、位错能级半导体中的缺陷、位错能级 2.3.1点缺陷（热缺陷）点缺陷（热缺陷）point defects/thermaldefects p点缺陷的种类：点缺陷的种类：弗仑克耳缺陷：弗仑克耳缺陷：原子空位和间隙原子同时存在原子空位和间隙原子同时存在肖特基缺陷：肖特基缺陷：晶体中只有晶格原子空位晶体中只有晶格原子空位间隙原子缺陷：间隙原子缺陷：只有间隙原子而无原子空位只有间隙原子而无原子空位第四十四页，讲稿共五十二页哦2.3.1点缺陷点缺陷p点缺陷（热缺陷）特点点缺陷（热缺陷）特点：热缺陷的数目随温度升高而增加热缺陷的数目随温度升高而增加热缺陷中以肖特基缺陷为主（即原子空位为主）。热缺陷中以肖特基缺陷为主（即原子空位为主）。原因：三种点缺陷中形成肖特基缺陷需要的能量最小原因：三种点缺陷中形成肖特基缺陷需要的能量最小淬火后可以淬火后可以“冻结冻结”高温下形成的缺陷。高温下形成的缺陷。退火后可以消除大部分缺陷。半导体器件生产工艺中，退火后可以消除大部分缺陷。半导体器件生产工艺中，经高温加工（如扩散）后的晶片一般都需要进行退火处经高温加工（如扩散）后的晶片一般都需要进行退火处 理。离子注入形成的缺陷也用退火来消除。理。离子注入形成的缺陷也用退火来消除。第四十五页，讲稿共五十二页哦2.3.1点缺陷点缺陷p 点缺陷对半导体性质的影响：点缺陷对半导体性质的影响：1）缺陷处晶格畸变，周期性势场被破坏，致使在禁带中产生能级。）缺陷处晶格畸变，周期性势场被破坏，致使在禁带中产生能级。2）热缺陷能级大多为深能级，在半导体中起复合中心作用，使非平）热缺陷能级大多为深能级，在半导体中起复合中心作用，使非平衡载流子浓度和寿命降低。衡载流子浓度和寿命降低。3）空位缺陷有利于杂质扩散）空位缺陷有利于杂质扩散4）对载流子有散射作用，使载流子迁移率和寿命降低。）对载流子有散射作用，使载流子迁移率和寿命降低。第四十六页，讲稿共五十二页哦2.3.1点缺陷点缺陷第四十七页，讲稿共五十二页哦2.3.1点缺陷点缺陷第四十八页，讲稿共五十二页哦2.3.2 位错位错p位错形成原因：晶格畸变位错形成原因：晶格畸变p位错种类：刃位错（棱位错）和螺位错位错种类：刃位错（棱位错）和螺位错 p 导带底价带顶改变分别为：导带底价带顶改变分别为：p 禁带宽度变化为：禁带宽度变化为：00000()CCCCvvvvgCvVEEEVVEEEVVEV第四十九页，讲稿共五十二页哦2.3.2 位错位错第五十页，讲稿共五十二页哦2.3.2 位错位错第五十一页，讲稿共五十二页哦2.3.2 位错位错p棱位错对半导体性能的影响：棱位错对半导体性能的影响：1）位错线上的悬挂键可以接受电子变为负电中心，表现为受主；悬挂位错线上的悬挂键可以接受电子变为负电中心，表现为受主；悬挂键上的一个电子也可以被释放出来而变为正电中心，此时表现为施键上的一个电子也可以被释放出来而变为正电中心，此时表现为施主，即不饱和的悬挂键具有双性行为，可以起受主作用，也可以起主，即不饱和的悬挂键具有双性行为，可以起受主作用，也可以起施主作用。施主作用。2）位错线处晶格变形，导致能带变形）位错线处晶格变形，导致能带变形3）位错线影响杂质分布均匀性）位错线影响杂质分布均匀性4）位错线若接受电子变成负电中心，对载流子有散射作用。）位错线若接受电子变成负电中心，对载流子有散射作用。5）影响少子寿命，原因：一是能带变形，禁带宽度减小，有）影响少子寿命，原因：一是能带变形，禁带宽度减小，有利于非平衡载流子复合；二是在禁带中产生深能级，促进利于非平衡载流子复合；二是在禁带中产生深能级，促进载流子复合。载流子复合。第五十二页，讲稿共五十二页哦