半导体物理学-半导体中杂质和缺陷能级.ppt

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1、主要内容：杂质分类；施主杂质、受主杂质；施主能级、受主能级；浅能级杂质、类氢模型估算浅能级杂质电离能、估算浅能级杂质的弱束缚载流子基态轨道半径；杂质的补偿；深能级杂质；等电子陷阱、等电子杂质、杂质的双性行为；点缺陷的种类、反结构缺陷、位错和位错能级等 重点：施主杂质、受主杂质；施主能级、受主能级；浅能级杂质、深能级杂质；杂质的补偿；杂质的双性行为,第二章 半导体中的杂质和缺陷能级,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 2.2 -族化合物半导体的杂质能级 2.3 缺陷和位错的能级,第二章 半导体中的杂质和缺陷能级,本征半导体：是指没有杂质和缺陷的半导体，其内部的电子和空穴成对出现，叫做本征半导体。 非

2、正征半导体：半导体材料内部由于杂质或缺陷，使得电子或空穴任意一方增加，这样的半导体叫做掺杂半导体。 本征激发: T0K时,电子从价带激发到导带,同时价 带中产生空穴. n0=p0 =ni n0 p0 =ni 2 ni -本征载流子浓度,第二章 半导体中的杂质和缺陷能级,第二章 半导体中的杂质和缺陷能级,实际半导体与理想半导体的主要区别,杂质：半导体晶格中存在的与组成半导体材料的元素不同的其他元素的原子。,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,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,2.1.1 替位式杂质 间隙式杂质 Si和Ge都具有金钢石结构，一个原胞含有

3、8个原子。 原胞内8个原子的体积与立方原胞体积之比为34%，原胞内存在66%的空隙。,金钢石晶体结构中的四面体间隙位置 内部4个原子构成T空隙,金钢石晶体结构中的六角形间隙位置 3个邻位面心+3个内部原子构成H空隙,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,杂质原子进入半导体硅后，只可能以两种方式存在。 一种方式是杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，常称为间隙式杂质；间隙式杂质原子一般较小，如离子锂（Li+）。 Si：r=0.117nm Li+:r=0.068nm; P:r=0.11nm,另一种方式是杂质原子取代晶格原子而位于晶格格点处，常称为替位式杂质。替位式杂质原子通常与被取代的晶格原子大小比较接近而

4、且电子壳层结构也相似。 用单位体积中的杂质原子数，也就是杂质浓度来定量描述杂质含量多少，杂质浓度的单位为1/cm3,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,P,Si,Si,Si,Si,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,施 主 掺 杂（掺磷）,2.1.2 施主杂质、施主能级,磷替代硅，其效果是形成一个正电中心P+和一个多余的价电子。这个多余的价电子就束缚在正电中心P+的周围（弱束缚）。,对于Si中的P原子， 剩余电子的运动 半径：r 65 ,Si的晶格常数为 5.4,对于Ge中的P 原子，r 85 ,族元素有5个价电子，其中的四个价电子与周围的四个

5、硅原子形成共价键，还剩余一个电子，同时族原子所在处也多余一个正电荷，称为正离子中心，所以，一个族原子取代一个硅原子，其效果是形成一个正电中心和一个多余的电子。 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离。,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,2.1.2 施主杂质、施主能级 多余的电子束缚在正电中心，但这种束缚很弱 很小的能量就可使电子摆脱束缚，成为在晶格中导电的自由电子，而族原子形成一个不能移动的正电中心。 硅、锗中的族杂质，能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心，称为施主杂质或N型杂质，掺有N型杂质的半导体叫N型半导体。施主杂质未电离时是中性的，电离后成为正电中心。,2.1 硅、锗晶

6、体中的杂质能级,带有分立的施主能级的能带图,施主能级电离能带图,被施主杂质束缚的电子的能量状态称为施主能级ED。 施主能级位于离导带低很近的禁带中 杂质原子间的相互作用可忽略，某一种杂质的施主能级是一些具有相同能量的孤立能级。,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,掺施主的半导体的导带电子数主要由施主决定，半导体导电的载流子主要是电子（电子数空穴数），对应的半导体称为N型半导体。 称电子为多数载流子，简称多子，空穴为少数载流子，简称少子。,2.1.3 受主杂质 受主能级,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,受 主 掺 杂（掺硼）,硼原子接受一个电子后，成为带负电的硼离子，称为负电中心（B- ） 。带负电

7、的硼离子和带正电的空穴间有静电引力作用，这个空穴受到硼离子的束缚，在硼离子附近运动。,族元素占据了硅原子的位置： 族元素有3个价电子，它与周围的四个硅原子形成共价键，还缺少一个电子，于是在硅晶体的共价键中产生了一个空穴，而族原子接受一个电子后所在处形成一个负离子中心，所以，一个族原子取代一个硅原子，其效果是形成一个负电中心和一个空穴,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,2.1.3受主杂质、受主能级 空穴束缚在族原子附近，但这种束缚很弱 很小的能量就可使空穴摆脱束缚，成为在晶格中自由运动的 导电空穴，而族原子形成一个不能移动的负电中心。 硅、锗中的族杂质，能够接受电子而在价带中产生空穴， 并形成负电

8、中心的杂质，称为受主杂质或P型杂质，掺有P 型杂质的半导体叫P型半导体。受主杂质未电离时是中性的，电离后成为负电中心。,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,受主能级电离能带图,带有分立的受主能级的能带图,被受主杂质束缚的空穴的能量状态称为受主能级EA。 施主能级位于离价带顶很近的禁带中 杂质原子间的相互作用可忽略，某一种杂质的受主能级是一些具有相同能量的孤立能级。,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,掺受主的半导体的价带空穴数由受主决定，半导体导电的载流子主要是空穴（空穴数电子数），对应的半导体称为P型半导体。 空穴为多子，电子为少子。,施主和受主浓度：ND、NA,施主：Donor，掺入半导体的杂质原

9、子向半导体中 提供导电的电子，并成为带正电的离子。如 Si中掺的P 和As 受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如 Si中掺的B,总结,深能级杂质和浅能级杂质,浅能级杂质：引入能级接近导带底Ec的施主杂质或引入能级接近价带顶Ev的受主杂质。其作用是改变半导体导电类型和调节导电能力，例如室温下，硅、锗中III、V族杂质几乎全部电离。 深能级杂质：引入能级远离导带底Ec 的施主杂质或引入能级远离价带顶Ev的受主杂质。一般作为复合中心，它对载流子和导电类型影响较小。,总结,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,2.1.4 浅能级杂质电离能的简单计算

10、采用类氢原子模型估算施主和受主杂质的电离能 氢原子中电子的能量：,n=1时,基态电子能量,n=时，氢原子电离,E=0,氢原子的电离能,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,晶体内杂质原子束缚的电子与类氢模型相比： m0mn*, mp*; 0 r0 施主杂质的电离能： Si: Ge:,受主杂质的电离能,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,氢原子半径： 施主杂质半径：,基态下（n=1），氢原子的轨道半径：,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,2.1.5 杂质的补偿作用 当半导体中同时存在施主和受主杂质时，半导体是n型还是p型呢？ 在半导体中，若同时存在着施主和受主杂质，施受主杂质之间有互相抵消的作用，通常称为杂

11、质的补偿作用。一共有如下三种情况：,NDNA,NAND,1、当 NDNA,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,因为受主能级低于施主能级，所以施主杂质的电子首先跃迁到NA个受主能级上，还有ND-NA个电子在施主能级上，杂质全部电离时，跃迁到导带中的导电电子的浓度为n= ND-NA。即则有效施主浓度为NDeff ND-NA,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,2、 当NAND 施主能级上的全部电子跃迁到受主能级上，受主能级上还有NA-ND个空穴，它们可接受价带上的NA-ND个电子，在价带中形成的空穴浓度p= NA-ND. 即有效受主浓度为NAeff NA-ND,EC,EV,ED,EA,3、当NAND时，

12、不能向导带和价带提供电子和空穴，称为杂质的高度补偿。 这种材料容易被误认高纯半导体，实际上含杂质很多，性能很差， 不能用来制造半导体器件。,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,杂质补偿作用是制造各种半导体器件的基础。 如能根据需要用扩散或离子注人方法来改变半导体中某一区域的导电类型，以制成各种器件.,晶体管制造过程中的杂质补偿,n型Si外延层,硼,磷,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,2.1.6 深能级杂质 在半导体硅、锗中，除、族杂质在禁带中形成浅能级外，其它各族元素掺入硅、锗中也会在禁带中产生能级。这些能级通常是远离导帯底的深施主能级和远离价带顶的深受主能级，见下

13、图，图中“+”表示引入施主能级、“-”表示引入受主能级。,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,特点： 1、施主杂质能级距离导带底较远，受主杂质能级距离价带顶较远，这种能级称为深能级，相应的杂质称为深能级杂质。 2、深能级杂质能够产生多次电离，每次电离对应有一个能级。有的杂质既能引入施主能级，又能引入受主能级。,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,深能级杂质产生多次电离： 1）I族元素铜、银、金在锗中产生3个受主能级，而金还能产生1个施主能级；在硅中，铜产生3个受主能级，银和金各产生1个受主能级和1个施主能级。锂在锗和硅中是间隙式杂质，产生

14、1个浅施主能级。 2）II族元素锌、镉、汞在锗和硅中均产生2个受主能级，而汞在硅中还产生2个施主能级。铍在在锗中产生2个受主能级，在硅中产生1个受主能级。镁在硅中产生2个受主能级。,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,深能级杂质产生多次电离： 3）III族元素硼、铝、镓、铟、铊在锗和硅中各产生1个浅受主能级，而铝在硅中，还能产生1个施主能级。 4）IV族元素碳在硅中产生1个施主能级，而锡和铅在硅中产生1个施主能级和1个受主能级。 5）V族元素磷、砷、锑在硅和锗中各产生一个浅施主能级。,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,深能级杂质产生多次电离： 6）VI族元素硫、硒、碲在锗中产生2个施主能级，在硅中，

15、硫产生2个施主能级、1个受主能级；碲产生2个施主能级；而硒产生3个施主能级。氧在硅中产生3个施主能级，还能产生2个受主能级。 7）过渡族元素锰、铁、钴、镍在锗中均产生2个受主能级，其中钴还产生1个施主能级。在硅中锰、铁产生3个施主能级，锰还能产生2个受主能级；而钴则产生3个受主能级、镍产生2个受主能级。,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,金在锗中产生的能级 中性金原子Au0只有一个价电子，它取代锗原子后，金的这一价电子可以电离跃迁到导带，形成深施主能级ED。它也可以从价带接受13个电子，形成三个深受主能级。所以，在锗中金有5种荷电状态， Au+, Au0, Au-, Au, Au,EC,EV,E

16、D,EA1,Ei,EA2,EA3,0.04,0.20,0.15,0.04,金在锗中的能级,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,金在锗中产生的能级 金在锗中产生的 ED是深施主能级，EA1、EA2和EA3是Au0依次接受1个、2个、3个电子后形成的深受主能级， 由于电子间的库仑排斥作用，接受2个电子比接受1个电子所需电离能大，而接受3个电子比接受2个电子所需电离能还大，Au-，Au，Au能级逐渐升高。,EC,EV,ED,EA1,Ei,EA2,EA3,0.04,0.20,0.15,0.04,金在锗中的能级,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,金在硅中产生的深能级 金在硅中只观测1个深施主能级和1个深受主能

17、级，这可能是由于其他施主态和受主态的电离能大于禁带宽度，相应的施主能级和受主能级进入了价带和导带，所以在禁带中已经测不到了。 现在常用深能级瞬态谱测量杂质的深能级。 金是一种典型的复合中心，在制造高速开关器件时，常有意掺入金以提高器件的响应速度。 深能级杂质的电离能常采用类氦模型。,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,总结： 深能级杂质能够产生多次电离，在禁带中引入多个能级。 深能级杂质对半导体的导电类型和载流子浓度影响较小，但是它们对于载流子的复合作用很强，称为复合中心。,2.2 -族化合物半导体的杂质能级,1、族元素 ，在GaAs中一般起受主作用。 Ag受主能级(Ev+0.11eV)； Au受

18、主能级(Ev+0.09eV)； Li产生2个受主能级(Ev+0.023eV)、(Ev+0.05eV)； Cu产生5个受主能级(Ev+0.023eV)、(Ev+0.14eV)、 (Ev+0.19eV)、(Ev+0.24eV)、(Ev+0.44eV)。,2.2 -族化合物半导体的杂质能级,2、族元素为浅受主杂质 在GaAs、GaP、InP等III-V化合物中，铍、镁、锌、镉取代族原子而处于晶格格点上，引入浅受主能级,GaAs、GaP晶体中受主杂质的电离能,2.2 -族化合物半导体的杂质能级,3、 族的B、Al 取代Ga, 族的P，锑(Sb)取代As既 不是施主也不是受主杂质，是电中性杂质。 等电子

19、杂质效应：在某些化合物半导体，如GaP中，掺入N或铋(Bi)，取代P后，在禁带中引入能级，形成等电子陷阱。 等电子陷阱形成条件：当掺入原子与基质晶体原子在电负性、共价半径方面具有较大差别时，形成等电子陷阱。例如，GaP中，掺入N，能俘获电子，成为负电中心；掺入铋(Bi)，能俘获空穴，成为正电中心。 束缚激子：等电子陷阱俘获载流子后，形成带电中心，这一带电中心又能俘获另一种异号载流子，形成束缚激子。,2.2 -族化合物半导体的杂质能级,3、 族的B、Al 取代Ga, 族的P，锑(Sb)取代As既 不是施主也不是受主杂质，是电中性杂质。 束缚激子在间接带隙半导体材料制造的发光器件中，起主要的作用。

20、 除了等电子杂质原子可以形成等电子陷阱外，等电子络合物也能形成等电子陷阱。例如，在GaP中，当相邻晶格点的两个杂质原子ZnGa与OP形成ZnGa-OP络合物时，也形成可以俘获电子的等电子陷阱，成为负电中心。,2.2 -族化合物半导体的杂质能级,GaAs电子浓度和硅杂质浓度的关系,4、 族杂质在-族化合物中的双性行为 族元素取代族原子则起施主作用； 族元素取代族原子则起受主作用。,导带中电子浓度随硅杂质浓度的增加而增加，当硅杂质浓度增加到一定程度时趋于饱和。硅先取代Ga原子起施主作用，随着硅浓度的增加，硅取代As原子起受主作用，即表现出双性行为。,2.2 -族化合物半导体的杂质能级,5、族元素取

21、代族原子，引入施主能级 族元素氧、硫、硒、碲比族元素多一个价电子而且容易失去，所以表现为施主杂质。,GaAs、GaP晶体中受主杂质的电离能 (eV),2.2 -族化合物半导体的杂质能级,6、掺过渡族元素，在GaAs中，Gr、Mn、Co、Ni均产生1个受主能级，而Fe产生2个受主能级；在GaP中，Fe、Co、Ni产生2个受主能级；而V、Ti可以产生1个受主能级和1个施主能级。 将Cr掺入n型GaAs中，由于杂质的补偿作用，可以制备高电阻率的半绝缘GaAs晶体，电阻率达到106107cm，可以用来作为集成电路衬底。,氮化镓的杂质能级目前常用硅作为GaN的n型掺杂，用镁，锌作为GaN的p型掺杂。硅作

22、为施主的电离能：0.0120.02eV镁作为受主的电离能：0.140.21eV,2.2 -族化合物半导体的杂质能级,2.3 缺陷、位错能级,2.3.1 点缺陷 间隙原子缺陷：只有间隙原子而无原子空位 肖特基缺陷：晶体内形成空位而无间隙原子。 弗仓克耳缺陷：间隙原子和空位成对出现。 硅、锗材料中空位VSi、VGe表现为受主; 间隙原子表现为施主 （注意，间隙原子与间隙式杂质概念不同，作用也不同，间隙式杂质既可以表现为施主，也可以表现为受主）。 化合物半导体：GaAs中，砷空位和镓空位都是受主； VI-II族化合物MX，正离子空位VM是受主，负离子空位VX是施主；X间隙是受主，M间隙是施主。 二元

23、化合物AB，替位原子构成反结构缺陷，AB是受主，BA是施主。,2.3 缺陷、位错能级,化合物半导体中，利用成分偏离正常的化学比的现象来控制材料的导电类型 化合物中的替位原子，如Ga取代As的位置起受主作用；As取代Ga的位置起施主作用，这种点缺陷称为反结构缺陷,2.3 缺陷、位错能级,2.3.2 位错 线位错（在一条线附近原子的排列偏离了严格的周期性） 面位错（在一个面附近原子的排列偏离了严格的周期性） 根据实验测得： Si中位错能级在价带顶上面0.030.09eV处 Ge中的位错能级在导带底下面0.20.35eV处 都属于深受主能级 当位错密度较高时，由于它和杂质之间的补偿作用，能使浅施主杂

24、质的n型Si、Ge中的电子浓度降低，而对p型Si、Ge却没有这种影响。,本章小结,一 重要术语解释 1掺杂 2. 本征半导体 3. 非本征半导体 4. 补偿型半导体 5.多数载流子 6. 少数载流子 7. n型半导体 8. p型半导体 9. 施主杂质，施主能级，施主杂质电离能 10. 受主杂质，受主能级，受主杂质电离能,本章小结,掺杂：通过在半导体材料中掺入杂质以改变半导体材料的载流子浓度的方法。 本征半导体：没有掺杂的半导体，其内部的电子和空穴成对出现，叫做本征半导体。 非正征半导体：半导体材料内部由于杂质或缺陷，使得电子或空穴任意一方增加，这样的半导体叫做掺杂半导体。,学完本章后，应具备如下的能力： 1画出施主和受主杂质电离图 ，说明施主杂质和受主杂质的电离过程 2. 使用能带理论解释施主杂质和受主杂质的 作用 3. 解释杂质的补偿、杂质的双性行为； 4. 解释浅能级杂质和深能级杂质及其作用。,本章小结,