半導(dǎo)體物理(第二章).ppt

第2章半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí) 理想半導(dǎo)體 1 原子嚴(yán)格地周期性排列 晶體具有完整的晶格結(jié)構(gòu) 2 晶體中無雜質(zhì) 無缺陷 3 電子在周期場(chǎng)中作共有化運(yùn)動(dòng) 形成允帶和禁帶 電子能量只能處在允帶中的能級(jí)上 禁帶中無能級(jí) 由本征激發(fā)提供載流子 本征半導(dǎo)體 晶體具有完整的 完美的 晶格結(jié)構(gòu) 無任何雜質(zhì)和缺陷 第2章半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí) 實(shí)際材料中1 總是有雜質(zhì) 缺陷 使周期場(chǎng)破壞 在雜質(zhì)或缺陷周圍引起局部性的量子態(tài) 對(duì)應(yīng)的能級(jí)常常處在禁帶中 對(duì)半導(dǎo)體的性質(zhì)起著決定性的影響 2 雜質(zhì)電離提供載流子 2 1半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí) 2 1 1硅鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí) 1 晶體中雜質(zhì)的存在方式雜質(zhì)的來源由于純度有限 半導(dǎo)體原材料所含有的雜質(zhì)半導(dǎo)體單晶制備和器件制作過程中的污染為改變半導(dǎo)體的性質(zhì) 在器件制作過程中有目的摻入的某些特定的化學(xué)元素原子 雜質(zhì)原子進(jìn)入半導(dǎo)體晶體后 以兩種方式存在一種方式是雜質(zhì)原子位于品格原子間的間隙位置 常稱為間隙式雜質(zhì) A 另一種方式是雜質(zhì)原子取代晶格原子而位于晶格點(diǎn)處 常稱為替位式雜質(zhì) B 間隙式雜質(zhì)和替位式雜質(zhì) 2 1半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí) 2 1 1硅鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí) 兩種雜質(zhì)特點(diǎn) 間隙式雜質(zhì)原子小于晶體原子 如 鋰離子 0 068nm替位式雜質(zhì) 1 雜質(zhì)原子的大小與被取代的晶格原子的大小比較相近2 價(jià)電子殼層結(jié)構(gòu)比較相近如 III V族元素在硅 鍺中均為替位式雜質(zhì) 2 1半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí) 2 1 1硅鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí) 2 施主雜質(zhì)V族元素在硅 鍺中電離時(shí)能夠釋放電子而產(chǎn)生導(dǎo)電電子并形成正電中心 稱此類雜質(zhì)為施主雜質(zhì)或n型雜質(zhì) 2 1半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí) 2 1 1硅鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí) 以硅中摻磷P為例 磷原子占據(jù)硅原子的位置 磷原子有五個(gè)價(jià)電子 其中四個(gè)價(jià)電子與周圍的四個(gè)硅原于形成共價(jià)鍵 還剩余一個(gè)價(jià)電子 這個(gè)多余的價(jià)電子就束縛在正電中心P 的周圍 價(jià)電子只要很少能量就可掙脫束縛 成為導(dǎo)電電子在晶格中自由運(yùn)動(dòng)這時(shí)磷原子就成為少了一個(gè)價(jià)電子的磷離子P 它是一個(gè)不能移動(dòng)的正電中心 2 1半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí) 2 1 1硅鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí) 施主雜質(zhì)向?qū)п尫烹娮拥倪^程為施主電離施主雜質(zhì)未電離之前是電中性的稱為中性態(tài)或束縛態(tài)電離后成為正電中心稱為離化態(tài)或電離態(tài)使多余的價(jià)電子掙脫束縛成為導(dǎo)電電子所需要的最小能量稱為施主電離能 施主電離能為 ED被施主雜質(zhì)束縛的電子的能量狀態(tài)稱為施主能級(jí) 記為ED 施主雜質(zhì)電離后成為不可移動(dòng)的帶正電的施主離子 同時(shí)向?qū)峁╇娮?使半導(dǎo)體成為電子導(dǎo)電的n型半導(dǎo)體 2 1半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí) 2 1 1硅鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí) 3 受主雜質(zhì)III族元素在硅 鍺中電離時(shí)能夠接受電子而產(chǎn)生導(dǎo)電空穴并形成負(fù)電中心 稱此類雜質(zhì)為受主雜質(zhì)或p型雜質(zhì) 2 1半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí) 2 1 1硅鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí) 2 1 3受主雜質(zhì)受主能級(jí) 以硅中摻硼B(yǎng)為例 B原子占據(jù)硅原子的位置 磷原子有三個(gè)價(jià)電子 與周圍的四個(gè)硅原于形成共價(jià)鍵時(shí)還缺一個(gè)電子 就從別處奪取價(jià)電子 這就在Si形成了一個(gè)空穴 這時(shí)B原子就成為多了一個(gè)價(jià)電子的磷離子B 它是一個(gè)不能移動(dòng)的負(fù)電中心 空穴束縛在正電中心B 的周圍 空穴只要很少能量就可掙脫束縛 成為導(dǎo)電空穴在晶格中自由運(yùn)動(dòng) 受主雜質(zhì)釋放空穴的過程稱為受主電離使空穴掙脫束縛成為導(dǎo)電空穴所需要的最小能量稱為受主電離能 記為 EA空穴被受主雜質(zhì)束縛時(shí)的能量狀態(tài)稱為受主能級(jí) 記為EA受主雜質(zhì)電離后成為不可移動(dòng)的帶負(fù)電的受主離子 同時(shí)向價(jià)帶提供空穴 使半導(dǎo)體成為空穴導(dǎo)電的p型半導(dǎo)體 2 1半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí) 2 1 1硅鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí) 淺能級(jí)雜質(zhì) 電離能小的雜質(zhì)稱為淺能級(jí)雜質(zhì) 所謂淺能級(jí) 是指施主能級(jí)靠近導(dǎo)帶底 受主能級(jí)靠近價(jià)帶頂 室溫下 摻雜濃度不很高的情況下 淺能級(jí)雜質(zhì)幾乎可以可以全部電離 五價(jià)元素磷 P 銻 Sb 在硅 鍺中是淺受主雜質(zhì) 三價(jià)元素硼 B 鋁 Al 鎵 Ga 銦 In 在硅 鍺中為淺受主雜質(zhì) 2 1半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí) 2 1 1硅鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí) 例題 施主雜質(zhì)電離后向半導(dǎo)體提供 受主雜質(zhì)電離后向半導(dǎo)體提供 本征激發(fā)向半導(dǎo)體提供 A 空穴B 電子 B A A B 利用類氫原子模型 以鍺 硅為例 計(jì)算施主雜質(zhì)電離能解 氫原子基態(tài)電離能施主雜質(zhì)電離能表示為電子有效質(zhì)量 2 1半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí) 2 1 2淺能級(jí)雜質(zhì)電離能的簡(jiǎn)單計(jì)算 雜質(zhì)補(bǔ)償 半導(dǎo)體中存在施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)時(shí) 它們的共同作用會(huì)使載流子減少 這種作用稱為雜質(zhì)補(bǔ)償 在制造半導(dǎo)體器件的過程中 通過采用雜質(zhì)補(bǔ)償?shù)姆椒▉砀淖儼雽?dǎo)體某個(gè)區(qū)域的導(dǎo)電類型或電阻率 2 1半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí) 2 1 3雜質(zhì)的補(bǔ)償作用 1 受主能級(jí)低于施主能級(jí) 剩余雜質(zhì) 2 1半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí) 2 1 3雜質(zhì)的補(bǔ)償作用 2 施主能級(jí)低于受主能級(jí) 剩余雜質(zhì) 2 1半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí) 2 1 3雜質(zhì)的補(bǔ)償作用 有效雜質(zhì)濃度補(bǔ)償后半導(dǎo)體中的凈雜質(zhì)濃度 當(dāng)ND NA高度補(bǔ)償 若施主雜質(zhì)濃度與受主雜質(zhì)濃度相差不大或二者相等 則不能提供電子或空穴 這種情況稱為雜質(zhì)的高度補(bǔ)償 這種材料容易被誤認(rèn)為高純度半導(dǎo)體 實(shí)際上含雜質(zhì)很多 性能很差 一般不能用來制造半導(dǎo)體器件 2 1半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí) 2 1 3雜質(zhì)的補(bǔ)償作用 深能級(jí)雜質(zhì) 非 族雜質(zhì)在Si Ge的禁帶中產(chǎn)生的施主能級(jí)遠(yuǎn)離導(dǎo)帶底 受主能級(jí)遠(yuǎn)離價(jià)帶頂 雜質(zhì)電離能大能夠產(chǎn)生多次電離 每次電離都對(duì)應(yīng)著一個(gè)特定的能級(jí) 在禁帶中引入多個(gè)能級(jí) 具有兩重性 既能電離提供電子又能電離提供空穴 所以既能引入施主能級(jí)又能引入受主能級(jí) 2 1半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí) 2 1 4深能級(jí)雜質(zhì) 深能級(jí)的形成 族雜質(zhì) 多于兩個(gè)價(jià)電子被兩個(gè)正電荷的雜質(zhì)中心束縛 類似于一個(gè)氦原子 其每個(gè)電子平均受到大于一電子電荷的正電中心的作用 從而深能級(jí)雜質(zhì)的電離能比淺能級(jí)雜質(zhì)要大 在電離出一個(gè)電子后 帶有兩個(gè)正電荷的雜質(zhì)中心使第二個(gè)電子電離需要更大能量 對(duì)應(yīng)更深的能級(jí) 所以 族雜質(zhì)在硅鍺中一般產(chǎn)生兩重施主能級(jí) 如鍺中的硒 碲 族雜質(zhì) 一方面可以失去唯一價(jià)電子產(chǎn)生一個(gè)施主能級(jí) 另一方面也能依次接受三個(gè)電子與周圍四個(gè)近鄰原子形成共價(jià)鍵 相應(yīng)產(chǎn)生三個(gè)由淺到深的受主深能級(jí) 原則上 族雜質(zhì)能產(chǎn)生三重受主能級(jí) 但是較深的受主能級(jí)有可能處于允帶之中 某些 族雜質(zhì)受主能級(jí)少于三個(gè) 族雜質(zhì) 與 族雜質(zhì)情況類似 可以產(chǎn)生兩重受主能級(jí) 2 1半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí) 2 1 4深能級(jí)雜質(zhì) 深能級(jí)雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體的影響1 含量極少 而且能級(jí)較深 不易在室溫下電離 對(duì)載流子濃度影響不大 2 一般會(huì)產(chǎn)生多重能級(jí) 甚至既產(chǎn)生施主能級(jí)也產(chǎn)生受主能級(jí) 3 能級(jí)位置利于促進(jìn)載流子的復(fù)合 其復(fù)合作用比淺能級(jí)雜質(zhì)強(qiáng) 使少數(shù)載流子壽命降低 稱這些雜質(zhì)為復(fù)合中心雜質(zhì) 在第五章詳細(xì)討論 4 深能級(jí)雜質(zhì)電離后對(duì)載流子起散射作用 使載流子遷移率減少 導(dǎo)電性能下降 2 1半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí) 2 1 4深能級(jí)雜質(zhì) 雜質(zhì)在砷化鎵中的存在形式三種情況 1 取代砷2 取代鎵3 填隙 2 1半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí) 2 1 5化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí) 族雜質(zhì) 與 族原子價(jià)電子數(shù)相近 通常取代晶格中 族原子 因?yàn)樯僖粋€(gè)價(jià)電子 取代晶格原子后 具有獲得一個(gè)電子完成共價(jià)鍵的趨勢(shì) 是受主雜質(zhì) 而且電離能較小 在 族化合物中引入淺受主能級(jí) 所以 族雜質(zhì)是 族化合物半導(dǎo)體的p型摻雜劑 如GaAs中的Mg Zn 族雜質(zhì) 與 族晶格原子的價(jià)電子數(shù)相近 在 族化合物中取代 族晶格原子 與周圍晶格原子形成共價(jià)鍵后多余一個(gè)價(jià)電子 易失去這個(gè)價(jià)電子成為施主雜質(zhì) 一般引入淺能級(jí) 如GaAs中的S Se 可作為n型摻雜劑 族雜質(zhì) 既可以取代 族晶格原子起施主作用 又可以取代 族晶格原子起受主作用 從而在 族化合物中引入雙重能級(jí) 2 1半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí) 2 1 5化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí) 四族元素硅在砷化鎵中會(huì)產(chǎn)生雙性行為 即硅的濃度較低時(shí)主要起施主雜質(zhì)作用 當(dāng)硅的濃度較高時(shí) 一部分硅原子將起到受主雜質(zhì)作用 這種雙性行為可作如下解釋 因?yàn)樵诠桦s質(zhì)濃度較高時(shí) 硅原子不僅取代鎵原子起著施主雜質(zhì)的作用 而且硅也取代了一部分V族砷原子而起著受主雜質(zhì)的作用 因而對(duì)于取代 族原子鎵的硅施主雜質(zhì)起到補(bǔ)償作用 從而降低了有效施主雜質(zhì)的濃度 電子濃度趨于飽和 2 1半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí) 2 1 5化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí) 等電子雜質(zhì)當(dāng) 族或 族雜質(zhì)摻入不是由它們本身構(gòu)成的 族化合物中 取代同族晶格原子時(shí) 既可以引入雜質(zhì)能級(jí) 也可能不引入能級(jí) 這取決于雜質(zhì)種類和 族化合物的種類 與晶格基質(zhì)原子具有相同價(jià)電子的雜質(zhì)稱為等電子雜質(zhì) 等電子雜質(zhì)取代晶格上的同族原子后 因?yàn)榕c晶格原子的共價(jià)半徑與負(fù)電性的顯著差別 能夠在晶體中俘獲某種載流子成為帶電中心 這種帶電中心叫等電子陷阱 例如 GaAs中 或 族雜質(zhì)取代Ga 或As 時(shí) 不引入禁帶能級(jí) 在GaP中 族雜質(zhì)N Bi取代P就能在禁帶中引入能級(jí) N和Bi就是等電子陷阱 等電子陷阱俘獲的載流子的能量狀態(tài)就是在禁帶中引入的相應(yīng)能級(jí) 2 1半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí) 2 1 5化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí) 2 2半導(dǎo)體中的缺陷能級(jí) 2 2 1點(diǎn)缺陷 熱缺陷 點(diǎn)缺陷的種類 弗侖克耳缺陷 原子空位和間隙原子同時(shí)存在肖特基缺陷 晶體中只有晶格原子空位間隙原子缺陷 只有間隙原子而無原子空位 點(diǎn)缺陷 熱缺陷 特點(diǎn) 熱缺陷的數(shù)目隨溫度升高而增加 熱缺陷中以肖特基缺陷為主 即原子空位為主 原因 三種點(diǎn)缺陷中形成肖特基缺陷需要的能量最小 淬火后可以 凍結(jié) 高溫下形成的缺陷 退火后可以消除大部分缺陷 半導(dǎo)體器件生產(chǎn)工藝中 經(jīng)高溫加工 如擴(kuò)散 后的晶片一般都需要進(jìn)行退火處理 離子注入形成的缺陷也用退火來消除 2 2半導(dǎo)體中的缺陷能級(jí) 2 2 1點(diǎn)缺陷 熱缺陷 點(diǎn)缺陷對(duì)半導(dǎo)體性質(zhì)的影響 1 缺陷處晶格畸變 周期性勢(shì)場(chǎng)被破壞 致使在禁帶中產(chǎn)生能級(jí) 2 熱缺陷能級(jí)大多為深能級(jí) 在半導(dǎo)體中起復(fù)合中心作用 使非平衡載流子濃度和壽命降低 3 空位缺陷有利于雜質(zhì)擴(kuò)散4 對(duì)載流子有散射作用 使載流子遷移率和壽命降低 2 2半導(dǎo)體中的缺陷能級(jí) 2 2 1點(diǎn)缺陷 熱缺陷 位錯(cuò)形成原因 晶格畸變棱位錯(cuò)對(duì)半導(dǎo)體性能的影響 1 位錯(cuò)線上的懸掛鍵可以接受電子變?yōu)樨?fù)電中心 表現(xiàn)為受主 懸掛鍵上的一個(gè)電子也可以被釋放出來而變?yōu)檎娭行?此時(shí)表現(xiàn)為施主 即不飽和的懸掛鍵具有雙性行為 可以起受主作用 也可以起施主作用 2 位錯(cuò)線處晶格變形 導(dǎo)致能帶變形3 位錯(cuò)線