半导体中的杂质和缺陷(1).ppt

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1、半半 导导 体体 物物 理理(Semiconductor Physics)主主 讲讲：彭彭 新新 村村信工楼519室，13687940615 Email:东华理工机电学院 电子科学与技术第二章第二章 半导体中半导体中的缺陷和杂质的缺陷和杂质2.1 硅硅、锗晶体中的杂质能级、锗晶体中的杂质能级 2.2-族族化合物中特殊的杂质能级化合物中特殊的杂质能级 2.3 半导体中的缺陷和位错半导体中的缺陷和位错理想的半导体晶体理想的半导体晶体 十分纯净十分纯净不含任何杂质不含任何杂质晶格中的原子严格晶格中的原子严格按周期排列按周期排列实际应用中的实际应用中的半导体材料半导体材料 原子不是静止在具有严格周期性

2、晶格的格点位置上，而是在其平衡位置附近振动振动半导体材料不纯净，而是含有若干杂杂质质，在半导体晶格中存在着与组成半导体元素不同的其他化学元素原子实际半导体的晶格结构并不是完整无缺的，而存在着各种形式的缺陷缺陷极其极其微量微量的杂质和缺陷，的杂质和缺陷，能够对半导体材料的物理性质能够对半导体材料的物理性质和化学性质产生和化学性质产生决定性决定性的影响的影响 在在硅硅晶晶体体中中，若若以以105个个硅硅原原子子中中掺掺入入一一个个杂杂质质原原子子的的比比例例掺掺入入硼硼(B)原原子子，则则硅硅晶晶体体的的导导电电率率在在室室温温下下将将增加增加103倍。倍。用用于于生生产产一一般般硅硅平平面面器器

3、件件的的硅硅单单晶晶，位位错错密密度度要要求求控控制制在在103cm-2以以下下，若若位位错错密密度度过过高高，则则不不可可能能生生产产出性能良好的器件。出性能良好的器件。(缺陷的一种缺陷的一种缺陷的一种缺陷的一种)例例例例1 1例例例例2 2理论分析认为理论分析认为理论分析认为理论分析认为由于杂质和缺陷的存在，会使严格按周期排列的原子所产由于杂质和缺陷的存在，会使严格按周期排列的原子所产生的生的周期性势场受到破坏周期性势场受到破坏，有可能在，有可能在禁带中引入禁带中引入允许电子允许电子存在的能量状态（即存在的能量状态（即能级能级），从而对半导体的性质产生决），从而对半导体的性质产生决定性的影

4、响。定性的影响。杂质来源杂质来源杂质来源杂质来源一）制备半导体的原材料一）制备半导体的原材料纯度不够高纯度不够高；二）半导体单晶制备过程中及器件制造过程中的二）半导体单晶制备过程中及器件制造过程中的沾污沾污；三）为了半导体的性质而三）为了半导体的性质而人为地掺入人为地掺入某种化学元素的原子。某种化学元素的原子。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1金刚石结构的特点金刚石结构的特点金刚石结构的特点金刚石结构的特点原子只占晶胞体积的原子只占晶胞体积的34%，还有，还有66%是空隙，这些空隙是空隙，这些空隙通常称为通常称为间隙位置

5、间隙位置。杂质的填充方式杂质的填充方式杂质的填充方式杂质的填充方式一）杂质原子位于晶格一）杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，原子间的间隙位置，间隙式杂质间隙式杂质/填充填充；二）杂质原子取代晶格二）杂质原子取代晶格原原子子而而位位于于晶晶格格格格点点处处，替位式杂质替位式杂质/填充填充。间隙式杂质间隙式杂质间隙式杂质间隙式杂质替位式杂质替位式杂质替位式杂质替位式杂质两种杂质的特点两种杂质的特点两种杂质的特点两种杂质的特点间隙式杂质间隙式杂质原子半径一般比较小原子半径一般比较小，如锂离子（，如锂离子（Li+）的半径为）的半径为0.68，所，所以锂离子进入硅、锗、砷化镓后以间隙式杂质形式存在。以锂

6、离子进入硅、锗、砷化镓后以间隙式杂质形式存在。替位式杂质替位式杂质原子的半径与被取代的晶格原子的半径大小比较相近原子的半径与被取代的晶格原子的半径大小比较相近，且它，且它们的们的价电子壳层结构也比较相近价电子壳层结构也比较相近。如硅、锗是。如硅、锗是族元素，与族元素，与、族元素的情况比较相近，所以族元素的情况比较相近，所以、族元素在硅、锗族元素在硅、锗晶体中都是替位式杂质。晶体中都是替位式杂质。杂质浓度杂质浓度杂质浓度杂质浓度单位体积中的杂质原子数，单位单位体积中的杂质原子数，单位cm-3 2.1.1 替位式杂质替位式杂质 间隙式杂质间隙式杂质2以以硅硅中中掺掺入入磷磷（P）为为例例，研研究究

7、族族元元素素杂杂质质的的作作用用。当当一一个个磷磷原原子子占占据据了了硅硅原原子子位位置置，磷磷原原子子有有五五个个价价电电子子，其其中中四四个个价价电电子子与与周周围围四四个个硅硅原原子子形形成成共共价价键键，还还剩剩余余一一个个价价电电子子。磷磷原原子子成成为为一一个个带带有有一一个个正正电电荷荷的的磷磷离离子子（P+），称称为为正正电电中中心心磷磷离离子子。其其效效果果相相当当于于形形成成了了一一个个正正电电中中心和一个多余的电子心和一个多余的电子。2.1.2 施主杂质、施主能级施主杂质、施主能级1多余的电子束缚在正电中心周围，但这种束缚作用比共价键的束缚作用弱得多，只要很小的能量就可以

8、使多余电子挣脱束缚，成为自由电子在晶格中运动，起到导电的作用。这时磷原子就成了一个少了一个价电子的磷离子，它是一个不能移动的正电中心。多余电子脱离杂质原子成为导电电子的过程称为杂杂质质电电离离。使这个多余电子挣脱束缚成为导电电子所需要的能量称为杂杂质质电电离能离能，用ED表示。实验测得，族元素原子在硅、锗中的电离能很小，在硅中电离能约为0.040.05eV，在锗中电离能约为0.01eV，比硅、锗的禁带宽度小得多。2.1.2 施主杂质、施主能级施主杂质、施主能级2族元素杂质在硅、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。称为施主杂质或n型杂质施放电子的过程称为施主电离。施主杂质在未电

9、离时是中性的，称为束缚态或中性态，电离后成为正电中心，称为离化态。施主杂质施主杂质/N型杂质型杂质电子型半导体电子型半导体/N型半导体型半导体纯净半导体中掺入施主杂质后，施主杂质电离，使导带中的导电电子增多（电子密度大于空穴密度），增强了半导体的导电能力，成为主要依靠电子导电的半导体材料,称为电子型或N型半导体。2.1.2 施主杂质、施主能级施主杂质、施主能级3施主能级用离导带底Ec为ED处的短线段表示，施主能级上的小黑点表示被施主杂质束缚的电子。箭头表示被束缚的电子得到电离能后从施主能级跃迁到导带成为导电电子的电离过程。导带中的小黑点表示进入导带中的电子，表示施主杂质电离后带正电，成为不可移

10、动的正点中心。电子得到能量ED后，就从施主的束缚态跃迁到导带成为导电电子，被施主杂质束缚时的电子的能量比导带底Ec低ED，称为施主能级，用ED表示。由于ED远小于禁带宽度Eg，所以施主能级位于离导带底很近的禁带中。由于施主杂质相对较少，杂质原子间的相互作用可以忽略，所以施主能级可以看作是一些具有相同能量的孤立能级，2.1.2 施主杂质、施主能级施主杂质、施主能级4硅中掺入硼（B）为例，研究族元素杂质的作用。当一个硼原子占据了硅原子的位置，如图所示，硼原子有三个价电子，当它和周围的四个硅原子形成共价键时，还缺少一个电子，必须从别处的硅原子中夺取一个价电子，于是在硅晶体的共价键中产生了一个空穴。硼

11、原子成为一个带有一个负电荷的硼离子（B-），称为负电中心硼离子。其效果相当于形成了一个负电中心和一个多余的空穴。2.1.3 受主杂质、受主能级受主杂质、受主能级1多余的空穴束缚在负电中心周围，但这种束缚作用比共价键的束缚作用弱得多，只要很小的能量就可以使多余空穴挣脱束缚，成为自由空穴在晶格中运动，起到导电的作用。这时硼原子就成了一个多了一个价电子的硼离子，它是一个不能移动的负电中心。多余空穴脱离杂质原子成为导电空穴的过程称为杂质电离。使这个多余空穴挣脱束缚成为导电空穴所需要的能量称为杂质电离能，用EA表示。实验测得，族元素原子在硅、锗中的电离能很小（即多余空穴很容易挣脱原子的束缚成为导电空穴）

12、，在在硅硅中中约约为为0.0450.065eV0.0450.065eV，在锗中约为，在锗中约为0.01 0.01 eVeV。2.1.3 受主杂质、受主能级受主杂质、受主能级22.1.3 受主杂质、受主能级受主杂质、受主能级3族元素杂质在硅、锗中能接受电子而产生族元素杂质在硅、锗中能接受电子而产生导电空穴导电空穴，并形成并形成负电中心负电中心。称为。称为受主杂质或受主杂质或p型杂质型杂质。受主杂质受主杂质/P型杂质型杂质空穴挣脱受主杂质束缚的过程称为空穴挣脱受主杂质束缚的过程称为受主电离受主电离。受主杂质未电离时是中性的，称为受主杂质未电离时是中性的，称为束缚态束缚态或或中性态中性态。空穴型半导

13、体空穴型半导体/P型半导体型半导体纯净半导体中掺入受主杂质后，受主杂质电离，使价带中的纯净半导体中掺入受主杂质后，受主杂质电离，使价带中的导电空穴增多（空穴密度大于电子密度），增强了半导体的导电空穴增多（空穴密度大于电子密度），增强了半导体的导电能力，成为主要依靠空穴导电的半导体材料。导电能力，成为主要依靠空穴导电的半导体材料。受主能级用离价带顶EV为EA处的短线段表示，受主能级上的小圆圈表示被受主杂质束缚的空穴。箭头表示被束缚空穴得到电离能后从受主能级跃迁到价带成为导电空穴（即价带顶电子跃迁到受主能级上填充空位）的电离过程。价带中的小圆圈表示进入价带中的空穴，表示受主杂质电离后带负电，成为不

14、可移动的负点中心。空穴得到能量EA后，就从受主束缚态跃迁到价带成为导电空穴，被受主杂质束缚时的空穴的 能 量 比 价 带 顶 EV低EA，称受主能级，用EA表示。由于EA远小于禁带宽度Eg，所以受主能级位于价带顶很近的禁带中。受主杂质相对较少，杂质原子间相互作用可忽略，所以受主能级可看作是一些具有相同能量的孤立能级2.1.3 受主杂质、受主能级受主杂质、受主能级4综上所述综上所述族元素族元素族元素族元素族元素族元素族元素族元素掺入半导体，掺入半导体，分别成为分别成为受主杂质受主杂质受主杂质受主杂质施主杂质施主杂质施主杂质施主杂质在禁带中引入了在禁带中引入了新的能级，分别为新的能级，分别为 施主

15、能级：比导带底低施主能级：比导带底低施主能级：比导带底低施主能级：比导带底低EED D 受主能级：比价带顶高受主能级：比价带顶高受主能级：比价带顶高受主能级：比价带顶高EEA A 常温下，杂质都常温下，杂质都处于离化态处于离化态 施主杂质向导带提供电子而成为正电中心施主杂质向导带提供电子而成为正电中心施主杂质向导带提供电子而成为正电中心施主杂质向导带提供电子而成为正电中心 受主杂质向价带提供空穴而成为负电中心受主杂质向价带提供空穴而成为负电中心受主杂质向价带提供空穴而成为负电中心受主杂质向价带提供空穴而成为负电中心 分别分别形成形成N N型半导体型半导体型半导体型半导体P P型半导体型半导体型

16、半导体型半导体关于能带图关于能带图电子能量，从下往上为升高的方向；电子能量，从下往上为升高的方向；空穴能量，从上往下为升高的方向；空穴能量，从上往下为升高的方向；电子和空穴可以看作是两种所带电荷性质相反，电子和空穴可以看作是两种所带电荷性质相反，电荷数量相同，质量相当的粒子；电荷数量相同，质量相当的粒子；施放电子的过程可以看作俘获空穴的过程；施放电子的过程可以看作俘获空穴的过程；施放空穴的过程也可以看作俘获电子的过程。施放空穴的过程也可以看作俘获电子的过程。浅能级浅能级很靠近导带底的施主能级、很靠近价带顶的受主能级很靠近导带底的施主能级、很靠近价带顶的受主能级（1 1）氢原子基态电子的电离能氢

17、原子基态电子的电离能量子力学的数学推导表明，氢原子电子的能量满足：故基态电子的电离能：（2 2）用类氢原子模型估算浅能级杂质的电离能用类氢原子模型估算浅能级杂质的电离能浅能级杂质=杂质离子+束缚电子（空穴）正、负电荷所处介质：2.1.4 浅能级杂质电离的简单计算浅能级杂质电离的简单计算1估算结果与实际测量值有相同数量级估算结果与实际测量值有相同数量级Ge：ED 0.0064 eVSi:ED 0.025 eV 杂质的补偿作用杂质的补偿作用 问题问题假如在半导体材料中，同时存在着施主和受主杂质，假如在半导体材料中，同时存在着施主和受主杂质，该如何判断半导体究竟是该如何判断半导体究竟是N型还是型还是

18、P型型？答答应该比较两者浓度的大小，应该比较两者浓度的大小，由浓度大的杂质来决定半导体的导电类型由浓度大的杂质来决定半导体的导电类型施主和受主杂质之间有相互抵消的作用施主和受主杂质之间有相互抵消的作用 2.1.5 杂质的补偿作用杂质的补偿作用ND 施主杂质浓度施主杂质浓度 NA 受主杂质浓度受主杂质浓度n 导带中的电子浓度导带中的电子浓度 p 价带中的空穴浓度价带中的空穴浓度假设施主和受主杂质全部电离，分情况讨论杂质的补偿作用。假设施主和受主杂质全部电离，分情况讨论杂质的补偿作用。考虑只有一种施主杂质和一种受主杂质的情况：考虑只有一种施主杂质和一种受主杂质的情况：NDNA时时，受受主主能能级级

19、低低于于施施主主能能级级，所所以以施施主主杂杂质质的的电电子子首首先先跃跃迁迁到到受受主主能能级级上上，填填满满NA个个受受主主能能级级，还还剩剩(ND-NA)个个电电子子在在施施主主能能级级上上，杂杂质质全全部部电电离离时时，它它们们跃跃迁迁到到导导带带中中成成为为导导电电电电子子，这这时时，n=ND-NAND，半半导导体体是是N型的型的 情况一情况一情况一情况一情况二情况二情况二情况二NAND时时，施施主主能能级级上上的的全全部部电电子子跃跃迁迁到到受受主主能能级级上上后后，受受主主能能级级还还有有(NA-ND)个个空空穴穴，它它们们可可以以跃跃迁迁到到价价带带成成为为导导电电空空穴穴，p

20、=NA-NDNA，半半导导体是体是P型的型的 有效杂质浓度有效杂质浓度有效杂质浓度有效杂质浓度经过补偿之后，半导体中的净杂质浓度经过补偿之后，半导体中的净杂质浓度 当当ND NA时，则（时，则（ND-NA）为有效施主浓度）为有效施主浓度当当NA ND时，则（时，则（NA-ND）为有效受主浓度）为有效受主浓度利用杂质补偿的作用，就可利用杂质补偿的作用，就可以根据需要用扩散或离子注以根据需要用扩散或离子注入等方法来改变半导体中某入等方法来改变半导体中某一区域的导电类型，以制备一区域的导电类型，以制备各种器件。各种器件。若若控控制制不不当当，会会出出现现NDNA的的现现象象，这这时时，施施主主电电子

21、子刚刚好好填填充充受受主主能能级级，虽虽然然晶晶体体中中杂杂质质可可以以很很多多，但但不不能能向向导导带带和和价价带带提提供供电电子子和和空空穴穴，（杂杂质质的的高高度度补补偿偿）。这这种种材材料料容容易易被被误误认认为为是是高高纯纯度度的的半半导导体体，实实际上却含有很多杂质，性能很差。际上却含有很多杂质，性能很差。非非、族族元元素素掺掺入入硅硅、锗锗中中也也会会在在禁禁带带中中引引入入能能级，这些能级一般有以下两个特点：级，这些能级一般有以下两个特点：（1）施施主主能能级级距距离离导导带带底底较较远远，产产生生的的受受主主能能级级距距离离价价带带顶顶也也较较远远。称称为为深深能能级级，相相

22、应应的的杂杂质质称称为为深深能能级杂质；级杂质；（2）这这些些深深能能级级杂杂质质能能产产生生多多次次电电离离，每每一一次次电电离离相相应应有有一一个个能能级级。因因此此，杂杂质质在在硅硅、锗锗的的禁禁带带中中往往往往引引入入若若干干个个能能级级。而而且且，有有的的杂杂质质既既能能引引入入施施主主能能级级，又能引入受主能级。又能引入受主能级。2.1.6 深能级杂质深能级杂质深深能能级级杂杂质质，一一般般情情况况下下在在半半导导体体中中的的含含量量极极少少，而而且且能能级级较较深深，它它们们对对半半导导体体中中的的导导电电电电子子浓浓度度、导导电电空空穴穴浓浓度度和和导导电电类类型型的的影影响响

23、没没有有浅浅能能级级杂杂质质明明显显，但但对对于于载载流流子子的的复复合合作作用用比比浅浅能能级级杂杂质质强强，故故这这些些杂杂质质也也称称为为复复合合中中心心，它它们们引引入入的的能能级级就就称称为为复复合合中中心心能能级级。金金是是一一种种很很典典型型的的复复合合中中心心，在在制制造造高高速速开开关关器器件件时时，常常有有意意地地掺掺入入金金以以提提高高器件的速度器件的速度。2.2-族化合物半导体中的特殊杂质族化合物半导体中的特殊杂质1 1、等电子陷阱、等电子陷阱等电子杂质：等电子杂质：特征：a、与本征元素同族但不同原子序数 例：例：GaP中掺入族的N或As b、以替位形式存在于晶体中，基

24、本上是电中性的。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，前者就是电电子子陷陷阱阱，后者就是空穴陷阱空穴陷阱。N NP等电子杂质占据本征原子位置(如N占据GaAs中的As位)后，即2、两性杂质、两性杂质举例：举例：GaAs中掺中掺Si（族）族）Ga：族族 As：族族 SiGa施主SiAs受主两两性性杂杂质质：在化合物半导体中，某些杂在其中既可以作施主又可以作受，这种杂质称为两性杂质。两性杂质 当半导体中的某些区域，晶格中的原子周期性排列被破坏时就形成了各种缺陷。缺陷分为三类：点缺陷：如空位，间隙原子，替位原子；线缺陷：如位错；面缺陷：如层错等。2.3

25、半导体中的缺陷和位错半导体中的缺陷和位错点缺陷点缺陷在一定温度下，晶格原子不仅在平衡位置附近作振动运动在一定温度下，晶格原子不仅在平衡位置附近作振动运动（通常称之为热振动），而且有一部分原子会获得足够的（通常称之为热振动），而且有一部分原子会获得足够的能量，克服周围原子对它的束缚，挤入晶格原子间的间隙，能量，克服周围原子对它的束缚，挤入晶格原子间的间隙，形成间隙原子，原来的位置就成为空位。形成间隙原子，原来的位置就成为空位。弗仑克耳缺陷弗仑克耳缺陷弗仑克耳缺陷弗仑克耳缺陷 肖特基缺陷肖特基缺陷肖特基缺陷肖特基缺陷 间隙原子和空位成对出现的缺陷间隙原子和空位成对出现的缺陷 只在晶格内形成空位而无

26、间隙原子只在晶格内形成空位而无间隙原子的缺陷的缺陷 均由温度引起，又称之为热缺陷，它们总是同时存在的。均由温度引起，又称之为热缺陷，它们总是同时存在的。动态平衡动态平衡动态平衡动态平衡间隙原子和空位一方面不断地产生，另一方面两间隙原子和空位一方面不断地产生，另一方面两者又不断地复合，达到一个平衡浓度值。者又不断地复合，达到一个平衡浓度值。由于原子须具有较大的能量才能挤入间隙位置，而且迁移时由于原子须具有较大的能量才能挤入间隙位置，而且迁移时激活能很小，所以晶体中空位比间隙原子多得多，空位成了激活能很小，所以晶体中空位比间隙原子多得多，空位成了常见的点缺陷。常见的点缺陷。在在元元素素半半导导体体

27、硅硅、锗锗中中存存在在的的空空位位最最邻邻近近有有四四个个原原子子，每每个个原原子子各各有有一一个个不不成成对对的的价价电电子子，成成为为不不饱饱和和的的共共价价键键，这这些些键倾向于接受电子，因此空位表现出受主作用。键倾向于接受电子，因此空位表现出受主作用。而而每每一一个个间间隙隙原原子子有有四四个个可可以以失失去去的的未未形形成成共共价价键键的的价价电电子子，表现出施主作用。表现出施主作用。在在-族化合物族化合物中，除了热振动因素形成空位和间隙原子外，中，除了热振动因素形成空位和间隙原子外，由于成分偏离正常的化学比，也形成点缺陷。由于成分偏离正常的化学比，也形成点缺陷。例如，在砷化镓中，由

28、于热振动可以使镓原子离开晶格格点例如，在砷化镓中，由于热振动可以使镓原子离开晶格格点形成镓空位和镓间隙原子；也可以使砷原子离开格点形成砷形成镓空位和镓间隙原子；也可以使砷原子离开格点形成砷空位和砷间隙原子。空位和砷间隙原子。另外，由于砷化镓中镓偏多或砷偏多，也能形成砷空位或镓另外，由于砷化镓中镓偏多或砷偏多，也能形成砷空位或镓空位。空位。替位原子替位原子/反结构缺陷反结构缺陷 比如，二元化合物比如，二元化合物AB中，替位原子可以有两种，中，替位原子可以有两种，A取代取代B或或B取代取代A，一般认为，一般认为AB是受主，是受主，BA是施主。是施主。例如，在砷化镓中，砷取代镓后为例如，在砷化镓中，

29、砷取代镓后为AsGa起施主作用，而镓取起施主作用，而镓取代砷后为代砷后为GaAs起受主作用。起受主作用。化合物半导体中，存在的另一种点缺陷化合物半导体中，存在的另一种点缺陷 位错位错 位位错错也也是是半半导导体体中中的的一一种种缺缺陷陷，它它对对半半导导体体材材料料和和器器件件的性能也会产生很大的影响。的性能也会产生很大的影响。在在硅硅、锗锗晶晶体体中中位位错错的的情情况况相相当当复复杂杂。由由位位错错引引入入禁禁带带的能级也十分复杂。的能级也十分复杂。根根据据实实验验测测得得，位位错错能能级级都都是是深深受受主主能能级级。当当位位错错密密度度较较高高时时，由由于于它它和和杂杂质质的的补补偿偿作作用用，能能使使含含有有浅浅施施主主杂杂质质的的N型型硅硅、锗锗中中的的载载流流子子浓浓度度降降低低，而而对对P型型硅硅、锗锗却却没没有有这种影响。这种影响。第二章重要知识点施主杂质、受主杂质的概念和特点n型和p型半导体的概念和特点杂质补偿的概念、应用和缺点深能级杂质的概念、作用三五族半导体中的特殊杂质的性质