第二章半导体中的杂质和缺陷.ppt

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1、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理想半导体：理想半导体：1、原子严格地周期性排列，晶体具有完整的晶格、原子严格地周期性排列，晶体具有完整的晶格 结构。结构。2、晶体中无杂质，无缺陷。、晶体中无杂质，无缺陷。3、电子在周期场中作共有化运动，形成允带和禁带、电子在周期场中作共有化运动，形成允带和禁带电电子能量只能处在允带中的能级上，禁带中无能级。由本子能量只能处在允带中的能级上，禁带中无能级。由本征激发提供载流子征激发提供载流子本征半导体本征半导体晶体具有完整的（完美的）晶格结构，晶体具有完整的（完美的）晶格结构，无任何杂质和缺陷。无任何杂质和缺陷。第二章第二章 半导体

2、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。杂质能级位于禁带之中杂质能级位于禁带之中 Ec Ev 杂质能级杂质能级杂质和缺陷杂质和缺陷原子的周期性势场受到破坏原子的周期性势场受到破坏在禁带中引入能级在禁带中引入能级决定半导体的物理和化学性质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硅、锗晶体中的杂质能级 2.1.1 替

3、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半径为r的圆球，则可以计算出这八个原子占据晶胞空间的圆球，则可以计算出这八个原子占据晶胞空间的百分数如下：的百分数如下：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个原子只占有晶个原子只占有晶胞体积的胞体积的34%，还有，还有66%66%是空隙是空隙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。这些空所示。这些空隙通常称为间隙位置隙通常称为

4、间隙位置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一种方式是杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，晶格原子间的间隙位置，常称为常称为间隙式间隙式杂质杂质（A）p另一种方式是杂质原子取另一种方式是杂质原子取代晶格原子而位于晶格点代晶格原子而位于晶格点处，常称为处，常称为替位式替位式杂质杂质（B）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

5、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。其中四个价电子与有五个价电子。其中四个

6、价电子与周围的四个硅原于形成共价键，还周围的四个硅原于形成共价键，还剩余一个价电子。剩余一个价电子。p这个多余的价电子就束缚在正电中这个多余的价电子就束缚在正电中心心P的周围。价电子只要很少能的周围。价电子只要很少能量就可挣脱束缚，成为量就可挣脱束缚，成为导电电子导电电子在在晶格中自由运动晶格中自由运动p这时磷原子就成为少了一个价电子这时磷原子就成为少了一个价电子的磷离子的磷离子P，它是一个不能移动，它是一个不能移动的的正电中心正电中心。在在Si单晶中，单晶中，V族施主替位杂质两种荷电状态的价键图族施主替位杂质两种荷电状态的价键图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

7、原子的束缚成为导电电子的过程称上述电子脱离杂质原子的束缚成为导电电子的过程称为为杂质电离杂质电离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量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，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，使半导体成为同时向导带提供电子，使半导体成为电子电子导电的导电的n型型半导体半导体。施主电离能：ED=EC-ED E EDD=E=ECC-E-EDDEgECEDEV2.1.2 施主杂质施主杂质 施主能级施主能级2.1.2 施主杂质施主杂质 施主能级施主能级p施主杂

8、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。将被施主杂质束缚的电子的能量状态称为缚的电子的能量状态称为施主能施主能级级，记为，记为 ，所以施主能级位，所以施主能级位于离导带底很近的禁带中于离导带底很近的禁带中 Si、Ge中中族杂质的电离能族杂质的电离能ED（eV）晶晶 杂杂 质质 体体 P As Sb Si 0.044 0.049

9、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。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：pB原子占据硅原子的位置。硼原原子占据硅原子的位置。硼原子有三个价电子。与周围的四子有三个价电子。与周围的四个硅原子形成共价键时还缺一个硅原子形成共价键时还缺一个电子，就从别处夺取价电子

10、，个电子，就从别处夺取价电子，这就在这就在Si形成了一个空穴。形成了一个空穴。p这时这时B原子就成为多了一个价电原子就成为多了一个价电子的硼离子子的硼离子B，它是一个不能，它是一个不能移动的负移动的负电中心电中心。p空穴束缚在正电中心空穴束缚在正电中心B的周围。的周围。空穴只要很少能量就可挣脱束空穴只要很少能量就可挣脱束缚，成为缚，成为导电空穴导电空穴在晶格中自在晶格中自由运动由运动 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

11、能量称为受主杂受主杂质电离能质电离能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，使半导体成为时向价带提供空穴，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。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，可以用能受主杂质的电离过程，可以用能带图表示带图表示p如图如图2-6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，所以空穴被受主杂为导电

12、空穴，所以空穴被受主杂质束缚时的能量比价带顶质束缚时的能量比价带顶 高高 。将被受主杂质束。将被受主杂质束缚的空穴的能量状态称为缚的空穴的能量状态称为受主能受主能级级，记为，记为 ，所以受主能级位，所以受主能级位于离价带顶很近的禁带中于离价带顶很近的禁带中Si、Ge中中族杂质的电离能族杂质的电离能EA（eV）晶晶 杂杂 质质体体 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

13、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，是指施主能级靠近导带底，受主能级靠近价带顶。靠近价带顶。p室温下，掺杂浓度不很高的情况下，浅能级杂质几室温下，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（乎可以全部电离。五价元素磷（P）、锑（）、锑（Sb）在）在硅、锗中是浅施主杂质，三价元素硼（硅、锗中是浅施主杂质，三价元素硼（B）、铝）、铝（Al）、镓（）、镓（Ga）、铟（）、铟（In）在硅、锗中为浅受主）在硅、锗中为浅受主杂质。杂质。p氢原子基态电子的电离能氢原子基态电子的电离能2.1.4 浅能级杂质电离能的简单

14、计算浅能级杂质电离能的简单计算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。的共同作用会使载流子减少，这种作用称为杂质补偿。在制造半导体器件的过程中，通过采用杂质补偿的方法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电类型或电阻率。来改变半导体某个区域的导电类型或电阻率。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若施主杂质浓度与受主杂

15、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偿。这种材料容易被误认为高纯度半导体，实的高度补偿。这种材料容易被误认为高纯度半导体，实际上含杂质很多，性能很差，一般不能用来制造半导体际上含杂质很多，性能很差，一般不能用来制造半导体器件。器件。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上上的空位，即施主与受主先相互的空位，即施主与受主先相互“抵消抵消”，剩余的束缚电，剩余的束缚电子再电离到导带上。子再电离到导带上。有效的施主浓度有效的施主浓

16、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EvEAp2，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上的上的空位，即施主与受主先相互空位，即施主与受主先相互“抵消抵消”，剩余的束缚空穴，剩余的束缚空穴再电离到价带上。再电离到价带上。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EcEcEvEvE EA AE ED

17、 D不能向导带和价带不能向导带和价带提供电子和空穴提供电子和空穴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级远离导带底，受主能级远离价带顶。杂质电施主能级远离导带底，受主能级远离价带顶。杂质电离能大，能够产生多次电离离能大，能够产生多次电离（1 1）浅能级杂质浅能级杂质EDEgEAEg（2 2）深能级杂质）深能级杂质ED EgEA Eg2.1.6 深能级杂质深能级杂质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p1，Au失去一

18、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EcEvEDp2，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EcEvEDEA1p3，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EcEvEDEA1EA2p4，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EA1EA2EA32.1.6 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

19、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。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）。第五章详细讨论）。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。用，使载流子迁移率减少，导电性能下降。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杂质在砷化镓中的存在形式

20、在形式 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。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 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

21、位置（如）占据本征原子位置（如GaPGaP中的中的P P位置）后，位置）后，即即 存在着由核心力引起的短程作用力，它们可以吸引一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，前者就是个导带电子（空穴）而变成负（正）离子，前者就是电电子陷阱子陷阱，后者就是，后者就是空穴陷阱空穴陷阱。N NP2.2.1 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，又因带电即等电子陷阱俘获一种符号的载流子后，又因带电中心的

22、库仑作用又俘获另一种带电符号的载流子，这就中心的库仑作用又俘获另一种带电符号的载流子，这就是是束缚激子束缚激子。束缚激子束缚激子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两性杂质两性杂质举例：举例：GaAsGaAs中掺中掺SiSi（族）族）SiSiGaGa受主受主SiSiAsAs施主施主在化合物半导体中，某种杂质在其在化合物半导体中，某种杂质在其中既可以作施主又可以作受主，这中既可以作施主又可以作受主，这种杂质称为种杂质称为两性杂质两性杂质。两性杂质两性杂质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四族元素硅在砷化镓中会产生

23、双性行为，即硅的浓度较低时主要性行为，即硅的浓度较低时主要起施主杂质作用，当硅的浓度较起施主杂质作用，当硅的浓度较高时，一部分硅原子将起到受主高时，一部分硅原子将起到受主杂质作用。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子不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的作用，而且硅也取代了一部分V族砷原子而起着受主杂质的作族砷原子而起着受主杂质的作用，因而对于取代用，因而对于取代族原子镓的族原子镓的硅施主杂质起到补偿作用，从而硅施主杂质起到补偿作用，从而降低了有效施主杂质的浓度，

24、电降低了有效施主杂质的浓度，电子浓度趋于饱和。子浓度趋于饱和。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

25、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。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

26、晶格畸变，周期性势场被破坏，致使在禁带中产）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。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，）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。使非平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。2.3.1点缺陷点缺陷2.3.1点缺陷点缺陷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

27、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：2.3.2 位错位错2.3.2 位错位错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，此时表现为施主，即不饱和的悬挂键具有正电中心，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，也可以起施主作用。双性行为，可以起受主作用，也可以起施主作用。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，）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，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。促进载流子复合。