高二物理竞赛半导体中杂质和缺陷能级课件 (1).pptx

1、半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级半导体中的杂质能级半导体中的杂质能级杂质的存在形态杂质的存在形态施主杂质、施主能级施主杂质、施主能级受主杂质、受主能级受主杂质、受主能级杂质的补偿作用杂质的补偿作用深能级杂质深能级杂质缺陷、位错能级缺陷、位错能级缺陷类型缺陷类型界面缺陷：层错、小角晶线缺陷：位错子和杂质点缺陷：空位、间隙原对化合物半导体，由于成分偏离化学计量比也会形成点缺陷。对化合物半导体，由于成分偏离化学计量比也会形成点缺陷。BaTiO3：BaTi1+xO3偏离化学计量比，形成偏离化学计量比，形成VBa补充补充：晶体晶体（原子排列有明确的周期性）和（原子排列有明确的周期性）和非晶体非晶体晶体：晶体：具有一定规则的几何形状和对称性，其外形的对称性是内在具有一定规则的几何形状和对称性，其外形的对称性是内在 结构规律性的结构规律性的反映，反映，Ge、Si、GaAs。单晶：单晶：态块材料中原子都是规则，周期性地重复排列，定态，可重态块材料中原子都是规则，周期性地重复排列，定态，可重 复的晶体结构，宏观上规则的几何形状，各向异性。复的晶体结构，宏观上规则的几何形状，各向异性。多晶多晶： 大量微小的晶粒所组成，金属、陶瓷等大量微小的晶粒所组成，金属、陶瓷等。点缺陷点缺陷弗仓克耳缺陷弗仓克耳缺陷间隙原子和空位成间隙原子和空位成对出现对出现肖特基缺陷肖特基缺陷只存在空位而无间只存在空位而无间隙原子隙原子点缺陷点缺陷原子需要较大的能力才能挤入间隙位置，因此肖原子需要较大的能力才能挤入间隙位置，因此肖特基缺陷比弗仓克耳缺陷更常见特基缺陷比弗仓克耳缺陷更常见间隙原子和空位这两种点缺陷受温度影响较大，间隙原子和空位这两种点缺陷受温度影响较大，为为热缺陷热缺陷，它们不断产生和复合，直至达到动态，它们不断产生和复合，直至达到动态平衡，总是平衡，总是同时存在同时存在的。的。化合物半导体材料，在生长过程中，成分偏离正化合物半导体材料，在生长过程中，成分偏离正常的化学比，也会导致空位的出现常的化学比，也会导致空位的出现一般来说，一般来说，空位空位表现为表现为受主受主作用作用；间隙原子间隙原子表现表现为为施主施主作用。但具体情况还要通过实验测定。作用。但具体情况还要通过实验测定。 热缺陷的数目（平衡状态下）随热缺陷的数目（平衡状态下）随温度升高而增温度升高而增加加缺陷中以缺陷中以肖特基缺陷肖特基缺陷为主（即原子空位为主）。为主（即原子空位为主）。原因：原因：三种点缺陷中形成肖特基缺陷需要的能三种点缺陷中形成肖特基缺陷需要的能量最小量最小淬火淬火后可以后可以“冻结冻结”高温下形成的缺陷。高温下形成的缺陷。退火退火可以消除大部分缺陷。半导体器件生产工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）后的晶片一般都艺中，经高温加工（如扩散）后的晶片一般都需要进行退火处理。需要进行退火处理。离子注入离子注入形成的缺陷也用形成的缺陷也用退火来消除。退火来消除。热缺陷热缺陷缺陷处缺陷处晶格畸变晶格畸变，周期性势场被破坏，致使在，周期性势场被破坏，致使在禁带中禁带中产生能级产生能级。热缺陷能级大多为热缺陷能级大多为深能级深能级，在半导体中起，在半导体中起复合复合中心中心作用，作用，使非平衡载流子浓度和寿命降低。使非平衡载流子浓度和寿命降低。空位缺陷有利于空位缺陷有利于杂质扩散杂质扩散对载流子有对载流子有散射作用，使载流子迁移率和寿命散射作用，使载流子迁移率和寿命降低。降低。点缺陷对半导体性质的影响点缺陷对半导体性质的影响点缺陷点缺陷替位原子（化合物半导体）替位原子（化合物半导体）位错位错位错是半导体中的一种常见缺陷，它严重影位错是半导体中的一种常见缺陷，它严重影响材料和器件的性能。响材料和器件的性能。一维缺陷一维缺陷位错线上的悬挂键可以位错线上的悬挂键可以接受电子接受电子变为负电中心，表现变为负电中心，表现为为受主受主；悬挂键上的一个电子也可以被释放出来而变；悬挂键上的一个电子也可以被释放出来而变为正电中心，此时表现为为正电中心，此时表现为施主施主，即不饱和的悬挂键具，即不饱和的悬挂键具有双性行为，有双性行为，可以起受主作用，也可以起施主作用。可以起受主作用，也可以起施主作用。施主情况施主情况 受主情况受主情况位错线处晶格变形，导致位错线处晶格变形，导致能带变形能带变形其它影响：其它影响：位错线作为一串施主或受主杂质，电离后对位错线作为一串施主或受主杂质，电离后对载流子有散载流子有散射作用射作用。（第四章）。（第四章）影响少子寿命影响少子寿命，原因：一是能带变形，禁带宽度减小，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，有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。（第五章）促进载流子复合。（第五章）位错线影响位错线影响杂质分布均匀性杂质分布均匀性位错线若位错线若接受电子接受电子变成变成负电中心负电中心，对，对载流子有散载流子有散射作用射作用。（第四章）。（第四章）影响少子寿命影响少子寿命，原因：一是能带变形，禁带宽度，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，促进载流子复合。（第五章）产生深能级，促进载流子复合。（第五章）刃位错刃位错螺位错螺位错滑移矢量（滑移矢量（burgers矢量）：描述位错滑移量的大小和方向矢量）：描述位错滑移量的大小和方向位错线与位错线与burgers矢量矢量垂直垂直位错线与位错线与burgers矢量矢量平行平行位错密度：单位体积内位错线的总长度位错密度：单位体积内位错线的总长度Or, 表面单位面积内露头的位错数表面单位面积内露头的位错数常用单位：常用单位：cm-2晶格失配会引起位错位错与晶体表面层错n原子层的堆叠顺序可能发生错乱，形成面缺陷比如金刚石或纤锌矿结构nABCABCn多一个原子层：ABCBABC.n少一个原子层：ABCACA说明杂质能级以及电离能的物理意义。为说明杂质能级以及电离能的物理意义。为什么受主、施主能级分别位于价带之上或什么受主、施主能级分别位于价带之上或导带之下，而且电离能的数值较小？导带之下，而且电离能的数值较小？纯锗、硅中掺入纯锗、硅中掺入族或族或族元素后，为什族元素后，为什么使半导体电性能有很大的改变？杂质半么使半导体电性能有很大的改变？杂质半导体（导体（p型或型或n型）应用很广，但为什么我型）应用很广，但为什么我们很强调对半导体材料的提纯？们很强调对半导体材料的提纯？复习题复习题把不同种类的施主杂质掺入同一种半导体把不同种类的施主杂质掺入同一种半导体材料中，杂质的电离能和轨道半径是否不材料中，杂质的电离能和轨道半径是否不同？把同一种杂质掺入到不同的半导体材同？把同一种杂质掺入到不同的半导体材料中（例如锗和硅），杂质的电离能和轨料中（例如锗和硅），杂质的电离能和轨道半径又是否都相同？道半径又是否都相同？复习题复习题复习题复习题