半导体中的杂质和缺陷能级ppt课件.ppt

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1、 第二章第二章 半导体中半导体中的杂质和缺陷能级的杂质和缺陷能级2.1 本征半导体和杂质半导体本征半导体和杂质半导体一、本征半导体和本征激发一、本征半导体和本征激发n本征半导体：本征半导体：纯净的、不含任何杂质和缺陷的半导体纯净的、不含任何杂质和缺陷的半导体称为本征半导体。称为本征半导体。n本征激发：本征激发：共价键上的电子激发成为准自由电子，也共价键上的电子激发成为准自由电子，也就是价带电子激发成为导带电子的过程。就是价带电子激发成为导带电子的过程。n本征激发的特点：本征激发的特点：成对的产生导带电子和价带空穴。成对的产生导带电子和价带空穴。二、杂质半导体和杂质能级二、杂质半导体和杂质能级

2、间隙式杂质，替位式杂质间隙式杂质，替位式杂质nSi、Ge都具有金刚石结构，一个晶都具有金刚石结构，一个晶胞内含有胞内含有8个原子。个原子。n由于晶胞内空间对角线上相距由于晶胞内空间对角线上相距1/4对对角线长度的两个原子为最近邻原子，角线长度的两个原子为最近邻原子，恰好就是共价半径的恰好就是共价半径的2倍，因此晶倍，因此晶胞内胞内8个原子的体积与立方晶胞体个原子的体积与立方晶胞体积之比为积之比为34%，即晶胞内存在着，即晶胞内存在着66%的空隙。的空隙。杂质半导体和杂质能级杂质半导体和杂质能级 定性描述定性描述间隙式杂质，替位式杂质间隙式杂质，替位式杂质n杂质进入半导体后可以存在于晶杂质进入半

3、导体后可以存在于晶格原子之间的间隙位置上，称为格原子之间的间隙位置上，称为间隙式杂质，间隙式杂质原子一间隙式杂质，间隙式杂质原子一般较小。般较小。n也可以取代晶格原子而位于格点也可以取代晶格原子而位于格点上，称为替（代）位式杂质，替上，称为替（代）位式杂质，替位式杂质通常与被取代的晶格原位式杂质通常与被取代的晶格原子大小比较接近而且电子壳层结子大小比较接近而且电子壳层结构也相似。构也相似。图图 替位式杂质和间隙式杂质替位式杂质和间隙式杂质 、族元素掺入族元素掺入族的族的Si或或Ge中形成替位式杂质，用单位中形成替位式杂质，用单位体积中的杂质原子数，也就是杂质体积中的杂质原子数，也就是杂质浓度来

4、定量描述杂质含量多少，杂浓度来定量描述杂质含量多少，杂质浓度的单位为质浓度的单位为1/cm3。非本征半导体：非本征半导体：掺杂半导体掺杂半导体杂质半导体和杂质能级杂质半导体和杂质能级 施主杂质施主杂质n掺入价的磷原子掺入价的磷原子 以以Si中掺入中掺入V族元素磷族元素磷(P)为例：为例：n当有五个价电子的磷原子取代当有五个价电子的磷原子取代Si原子而位于格点上时，原子而位于格点上时，磷原子五个价电子中的四个与周围的四个磷原子五个价电子中的四个与周围的四个Si原子组成四原子组成四个共价键，还多出一个价电子，磷原子所在处也多余一个共价键，还多出一个价电子，磷原子所在处也多余一个称为正电中心磷离子的

5、正电荷。个称为正电中心磷离子的正电荷。n多余的这个电子被正电中心磷离子所吸引只能在其周围多余的这个电子被正电中心磷离子所吸引只能在其周围运动，不过这种吸引要远弱于共价键的束缚，只需很小运动，不过这种吸引要远弱于共价键的束缚，只需很小的能量就可以使其挣脱束缚，形成能在整个晶体中的能量就可以使其挣脱束缚，形成能在整个晶体中“自自由由”运动的导电电子。运动的导电电子。n而正电中心磷离子被晶格所束缚，不能运动。而正电中心磷离子被晶格所束缚，不能运动。杂质半导体和杂质能级杂质半导体和杂质能级 施主杂质施主杂质杂质半导体和杂质能级杂质半导体和杂质能级 施主杂质施主杂质n由于以磷为代表的由于以磷为代表的族元

6、素在族元素在Si中能够施放导电电子，称中能够施放导电电子，称V族元素族元素为为施主杂质或施主杂质或n型杂质，用型杂质，用ND表示表示。n电子脱离施主杂质的束缚成为导电电子的过程称为电子脱离施主杂质的束缚成为导电电子的过程称为施主电离施主电离，所，所需要的能量需要的能量ED称为称为施主杂质电离能施主杂质电离能。ED的大小与半导体材料和的大小与半导体材料和杂质种类有关，但远小于杂质种类有关，但远小于Si和和Ge的禁带宽度。的禁带宽度。n施主杂质未电离时是中性的，称为施主杂质未电离时是中性的，称为束缚态或中性态束缚态或中性态，电离后称为，电离后称为施主离化态施主离化态。nSi中掺入施主杂质后，通过杂

7、质电离增加了导电电子数量从而增中掺入施主杂质后，通过杂质电离增加了导电电子数量从而增强了半导体的导电能力。强了半导体的导电能力。n把主要依靠电子导电的半导体称为把主要依靠电子导电的半导体称为n型半导体型半导体。n型半导体中电子型半导体中电子称为多数载流子，简称称为多数载流子，简称多子多子；而空穴称为少数载流子，简称；而空穴称为少数载流子，简称少子少子。杂质半导体和杂质能级杂质半导体和杂质能级 受主杂质受主杂质n掺入价的硼原子掺入价的硼原子杂质半导体和杂质能级杂质半导体和杂质能级 受主杂质受主杂质 以以Si中掺入中掺入族元素硼族元素硼(B)为例：为例：n硼只有三个价电子，为与周围四个硼只有三个价

8、电子，为与周围四个Si原子形成四个共价原子形成四个共价键，必须从附近的键，必须从附近的Si原子共价键中夺取一个电子，这样原子共价键中夺取一个电子，这样硼原子就多出一个电子，形成负电中心硼离子，同时在硼原子就多出一个电子，形成负电中心硼离子，同时在Si的共价键中产生了一个空穴。的共价键中产生了一个空穴。n这个被负电中心硼离子依靠静电引力束缚的空穴还不是这个被负电中心硼离子依靠静电引力束缚的空穴还不是自由的，不能参加导电，但这种束缚作用同样很弱，很自由的，不能参加导电，但这种束缚作用同样很弱，很小的能量小的能量EA就使其成为可以就使其成为可以“自由自由”运动的导电空穴。运动的导电空穴。n而负电中心

9、硼离子被晶格所束缚，不能运动。而负电中心硼离子被晶格所束缚，不能运动。杂质半导体和杂质能级杂质半导体和杂质能级 受主杂质受主杂质n由于以硼原子为代表的由于以硼原子为代表的族元素在族元素在Si、Ge中能够接受电子而产中能够接受电子而产生导电空穴，称生导电空穴，称族元素为族元素为受主杂质或受主杂质或p型杂质，用型杂质，用NA表示表示。n空穴挣脱受主杂质束缚的过程称为受主电离，而所需要的能量空穴挣脱受主杂质束缚的过程称为受主电离，而所需要的能量EA称为称为受主杂质电离能受主杂质电离能。n不同半导体和不同受主杂质其不同半导体和不同受主杂质其EA也不相同，但也不相同，但EA通常远小通常远小于于Si和和G

10、e禁带宽度。禁带宽度。n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中性态，电离后成或中性态，电离后成为负电中心，称为为负电中心，称为受主离化态受主离化态。nSi中掺入受主杂质后，受主电离增加了导电空穴，增强了半导中掺入受主杂质后，受主电离增加了导电空穴，增强了半导体导电能力，把主要依靠空穴导电的半导体称作体导电能力，把主要依靠空穴导电的半导体称作p型半导体型半导体。p型半导体中型半导体中空穴是多子，电子是少子空穴是多子，电子是少子。杂质半导体和杂质能级杂质半导体和杂质能级 电离能电离能n常见杂质的电离能常见杂质的电离能杂质半导体和杂质能级杂质半导体和杂质能级 I

11、II-V族半导体族半导体nGaAs的杂质电离能的杂质电离能n双性杂质的概念硅替代镓做施主，替代砷做受主双性杂质的概念硅替代镓做施主，替代砷做受主杂质半导体和杂质能级杂质半导体和杂质能级 施主能级施主能级受主能级受主能级n掺入施主杂质的半导体，施主能级掺入施主杂质的半导体，施主能级ED上的电子获得能量上的电子获得能量ED后由后由束缚态跃迁到导带成为导电电子，因此施主能级束缚态跃迁到导带成为导电电子，因此施主能级ED位于比导带底位于比导带底Ec低低ED的禁带中，且的禁带中，且EDEg。浅杂质能级浅杂质能级n对于掺入对于掺入族元素的半导体，被受主杂质束缚的空穴能量状态族元素的半导体，被受主杂质束缚的

12、空穴能量状态(称为受主能级称为受主能级EA)位于比价带顶位于比价带顶Ev低低EA的禁带中的禁带中,EANA：n在在T=0K时，电子按顺序填充能量由低到高的各个能级，由于时，电子按顺序填充能量由低到高的各个能级，由于受主能级受主能级EA比施主能级比施主能级ED低，电子将先填满受主能级低，电子将先填满受主能级EA，然，然后再填充施主能级后再填充施主能级ED，因此施主能级上的电子浓度为，因此施主能级上的电子浓度为ND-NA。n通常当温度达到大约通常当温度达到大约100K以上时，施主能级上的以上时，施主能级上的ND-NA个电子个电子就全部被激发到导带，这时导带中的电子浓度就全部被激发到导带，这时导带中

13、的电子浓度n0=ND-NA，为，为n型半导体。型半导体。当当NAND时，将呈现时，将呈现p型半导体的特性，价带空穴浓度型半导体的特性，价带空穴浓度 p0=NA-ND 如果半导体中：如果半导体中：NDNA，则，则n0=ND-NAND；NAND，则，则p0=NA-ND NA。通过补偿以后半导体中的净杂质浓度称为有效杂质浓度。通过补偿以后半导体中的净杂质浓度称为有效杂质浓度。如果如果NDNA，称，称ND-NA为有效施主浓度；为有效施主浓度；如果如果NAND，那么，那么NA-ND称为有效受主浓度。称为有效受主浓度。(a)T=0K,NDNA (b)室温室温,NDNA杂质补偿杂质补偿 半导体器件和集成电路

14、生产中就是利用杂质补偿作用，半导体器件和集成电路生产中就是利用杂质补偿作用，在在n型型Si外延层上的特定区域掺入比原先外延层上的特定区域掺入比原先n型外延层浓度更高型外延层浓度更高的受主杂质，通过杂质补偿作用就形成了的受主杂质，通过杂质补偿作用就形成了p型区，而在型区，而在n型区型区与与p型区的交界处就形成了型区的交界处就形成了pn结。如果再次掺入比结。如果再次掺入比p型区浓型区浓度更高的施主杂质，在二次补偿区域内度更高的施主杂质，在二次补偿区域内p型半导体就再次转型半导体就再次转化为化为n型，从而形成双极型晶体管的型，从而形成双极型晶体管的n-p-n结构。结构。晶体管制造过程中的杂质补偿晶体

15、管制造过程中的杂质补偿深能级杂质深能级杂质（1）浅能级杂质）浅能级杂质（2）深能级杂质）深能级杂质E D Eg EA EgEDEgEAEgE DEAEcEvE DEAEAE DEcEv深能级杂质深能级杂质 非非、族杂质在族杂质在Si、Ge禁带中也产生能级，其特点为：禁带中也产生能级，其特点为：n非非、族元素在族元素在Si、Ge禁带中产生的施主能级禁带中产生的施主能级ED距导带距导带底底Ec较远，产生的受主能级较远，产生的受主能级EA距价带顶距价带顶Ev较远，这种杂质较远，这种杂质能级称为深能级，对应的杂质称为深能级杂质。能级称为深能级，对应的杂质称为深能级杂质。n深能级杂质可以多次电离，每一次

16、电离相应有一个能级，深能级杂质可以多次电离，每一次电离相应有一个能级，有的杂质既引入施主能级又引入受主能级。有的杂质既引入施主能级又引入受主能级。例例1：Au在在Ge中中Au在在Ge中共有中共有五种五种可能的状态：可能的状态：（1）Au+；（2）Au0；（3）Au一一；（4）Au二二；（5）Au三三。（1）Au+Au0 e Au+EEVEDEgEC(2)Au0电中性态电中性态（3）Au一一：Au0+e Au一一EAECEAEV（4）Au二二：Au一+e Au二EA2EA1EVEA2=EA2EC（5）Au三三：Au二+e Au三ECEA3=EA3EA2EA1EV 解释：解释：n中性中性Au0的一

17、个价电子可以电离释放到导带，形成施主能级的一个价电子可以电离释放到导带，形成施主能级ED,其电离能为其电离能为(Ec-ED)，从而成为带一个正电荷的单重电施主，从而成为带一个正电荷的单重电施主离化态离化态Au+。这个价电子因受共价键束缚，它的电离能仅略小。这个价电子因受共价键束缚，它的电离能仅略小于禁带宽度于禁带宽度Eg，所以施主能级，所以施主能级ED很接近很接近Ev。n中性中性Au0为与周围四个为与周围四个Ge原子形成共价键，还可以依次由价带原子形成共价键，还可以依次由价带再接受三个电子，分别形成再接受三个电子，分别形成EA1，EA2，EA3三个受主能级。价三个受主能级。价带激发一个电子给带

18、激发一个电子给Au0，使之成为单重电受主离化态，使之成为单重电受主离化态Au-，电离，电离能为能为EA1-Ev；从价带再激发一个电子给；从价带再激发一个电子给Au-使之成为二重电受使之成为二重电受主离化态主离化态 ，所需能量为，所需能量为EA2-Ev；从价带激发第三个电子；从价带激发第三个电子给使之成为三重电受主离化态给使之成为三重电受主离化态 ，所需能量为，所需能量为 EA3-Ev。n由于电子间存在库仑斥力，由于电子间存在库仑斥力，EA3EA2EA1。nSi、Ge中其它一些深能级杂质引入的深能级也可以类中其它一些深能级杂质引入的深能级也可以类似地做出解释。似地做出解释。n深能级杂质对半导体中

19、载流子浓度和导电类型的影响深能级杂质对半导体中载流子浓度和导电类型的影响不像浅能级杂质那样显著，其浓度通常也较低，主要不像浅能级杂质那样显著，其浓度通常也较低，主要起复合中心的作用。起复合中心的作用。n采用掺金工艺能够提高高速半导体器件的工作速度。采用掺金工艺能够提高高速半导体器件的工作速度。缺缺 陷陷 半导体器件需要高度完美的晶体，但是，半导体器件需要高度完美的晶体，但是，即使使用了最成熟的技术，完美的晶体还是即使使用了最成熟的技术，完美的晶体还是得不到的得不到的,不完美叫做晶体缺陷。不完美叫做晶体缺陷。三三类重要的晶体缺陷：重要的晶体缺陷：A、点缺陷、点缺陷B、位错（单晶里一组晶胞排错位置

20、）、位错（单晶里一组晶胞排错位置）C、原生缺陷、原生缺陷A A：点缺陷：点缺陷 形成原因形成原因晶体里晶体里杂质原子原子挤压晶体晶体结构引起构引起的的应力所致。力所致。B B：位：位错（单晶里一晶里一组晶胞排晶胞排错位置）位置）形成原因形成原因晶体生晶体生长条件、条件、晶体内的晶格晶体内的晶格应力、力、制造制造过程中的物理程中的物理损坏坏本征堆本征堆垛层错非本征堆非本征堆垛层错替位替位杂质空位空位FrenkelFrenkel填隙填隙杂质C C：原生缺陷：原生缺陷常常见有滑移（晶体平面有滑移（晶体平面产生的晶体滑移）和生的晶体滑移）和挛晶（同一界面生晶（同一界面生长出两种不同方向的晶体），出两种不同方向的晶体），二者是晶体二者是晶体报废的主要原因。的主要原因。n本征半导体本征半导体n非本征半导体非本征半导体n杂质原子和能级杂质原子和能级n缺陷缺陷