半導(dǎo)體物理 第二章+雜質(zhì)能級(jí)

1、School of Microelectronics 半導(dǎo)體物理半導(dǎo)體物理 河海大學(xué)河海大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院 第二章 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí) l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(wú)雜質(zhì)，無(wú)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(wú)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(wú)任何雜質(zhì)和缺陷。 第二章 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí) l 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)

2、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。 3、三種缺陷：點(diǎn)缺陷，如空位，間隙原子；線缺陷， 如錯(cuò)位；面缺陷，如層錯(cuò)，晶粒間界 2.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí) 2.1.1 替位式雜質(zhì) 間隙式雜質(zhì) l 一個(gè)晶胞中包含有八個(gè)硅原子，若近似地把原子一個(gè)晶胞中包含有八個(gè)硅原子，若近似地把原子 看成是半徑為看成是半徑為r的圓球，則可以計(jì)算出這八個(gè)原于的圓球，則可以計(jì)算出這八個(gè)原于 占據(jù)晶胞空間的百分?jǐn)?shù)如下：占據(jù)晶胞空間的百分?jǐn)?shù)如下： l 說(shuō)明，在金剛石型晶體中一個(gè)晶胞內(nèi)的說(shuō)明，在金剛石型晶體中一個(gè)晶胞內(nèi)的8個(gè)原子個(gè)原子 只占有晶胞體積的只占有晶胞體積的34% %，還有，還有66%66%是空

3、隙是空隙 3 3 13 23 = 48 3 8 4 0.34 rara r a 2.1.1 替位式雜質(zhì) 間隙式雜質(zhì) l 金剛石型晶體結(jié)構(gòu)中的兩種空隙如圖金剛石型晶體結(jié)構(gòu)中的兩種空隙如圖2-1所示。所示。 這些空隙通常稱為間隙位置這些空隙通常稱為間隙位置 2.1.1 替位式雜質(zhì) 間隙式雜質(zhì) 雜質(zhì)原子進(jìn)入半導(dǎo)體硅雜質(zhì)原子進(jìn)入半導(dǎo)體硅 后，以兩種方式存在后，以兩種方式存在 l 一種方式是雜質(zhì)原子位一種方式是雜質(zhì)原子位 于品格原子間的間隙位于品格原子間的間隙位 置，常稱為置，常稱為間隙式雜質(zhì)雜質(zhì) （A） l 另一種方式是雜質(zhì)原子另一種方式是雜質(zhì)原子 取代晶格原子而位于晶取代晶格原子而位于晶 格點(diǎn)處，常

4、稱為格點(diǎn)處，常稱為替位式 雜質(zhì)（雜質(zhì)（B） 2.1.1 替位式雜質(zhì) 間隙式雜質(zhì) 兩種雜質(zhì)特點(diǎn)：兩種雜質(zhì)特點(diǎn)： l 間隙式雜質(zhì)原子一般比較小，如：鋰離子，間隙式雜質(zhì)原子一般比較小，如：鋰離子， 0.068nm l 替值式雜質(zhì)時(shí)：替值式雜質(zhì)時(shí)： 1）雜質(zhì)原子的大小與被取代的晶格原子的大小比）雜質(zhì)原子的大小與被取代的晶格原子的大小比 較相近較相近 2）價(jià)電子殼層結(jié)構(gòu)比較相近）價(jià)電子殼層結(jié)構(gòu)比較相近 如：如：族元素族元素 2.1.2 施主雜質(zhì) 施主能級(jí) l族雜質(zhì)在硅、鍺中電離時(shí)，能夠施放電族雜質(zhì)在硅、鍺中電離時(shí)，能夠施放電 子而產(chǎn)生導(dǎo)電電子并形成正電中心，稱它子而產(chǎn)生導(dǎo)電電子并形成正電中心，稱它 們?yōu)?/p>

5、們?yōu)槭┲麟s質(zhì)或或n型雜質(zhì) 2.1.2 施主雜質(zhì) 施主能級(jí) 以硅中摻磷以硅中摻磷P為例：為例： l 磷原子占據(jù)硅原子的位置。磷原磷原子占據(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)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。鍵，還剩余一個(gè)價(jià)電子。 l 這個(gè)多余的價(jià)電子就束縛在正電這個(gè)多余的價(jià)電子就束縛在正電 中心中心P 的周圍。價(jià)電子只要很 的周圍。價(jià)電子只要很 少能量就可掙脫束縛，成為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)在晶格中自由運(yùn)動(dòng) l 這時(shí)磷原子就成為少了一個(gè)價(jià)電這時(shí)磷原子就成為少了一個(gè)價(jià)電 子的磷離子

6、子的磷離子P ，它是一個(gè)不能 ，它是一個(gè)不能 移動(dòng)的移動(dòng)的正電中心。 2.1.2 施主雜質(zhì) 施主能級(jí) l 上述電子脫離雜質(zhì)原子的束縛成為導(dǎo)電電子的上述電子脫離雜質(zhì)原子的束縛成為導(dǎo)電電子的 過(guò)程稱為過(guò)程稱為雜質(zhì)電離 l 使個(gè)多余的價(jià)電子掙脫束縛成為導(dǎo)電電子所需使個(gè)多余的價(jià)電子掙脫束縛成為導(dǎo)電電子所需 要的能量稱為要的能量稱為雜質(zhì)電離能 l 施主雜質(zhì)電離后成為不可移動(dòng)的帶正電的施主施主雜質(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?dǎo)體成為離子，同時(shí)向?qū)峁╇娮?，使半?dǎo)體成為電 子導(dǎo)電的導(dǎo)電的n型半導(dǎo)體。 2.1.2 施主雜質(zhì) 施主能級(jí) l 施主雜質(zhì)的電離過(guò)程，可以施主雜質(zhì)的

7、電離過(guò)程，可以 用能帶圖表示用能帶圖表示 l 如圖如圖2-4所示所示.當(dāng)電子得到能當(dāng)電子得到能 量后，就從施主的束縛態(tài)躍量后，就從施主的束縛態(tài)躍 遷到導(dǎo)帶成為導(dǎo)電電子，所遷到導(dǎo)帶成為導(dǎo)電電子，所 以電子被施主雜質(zhì)束縛時(shí)的以電子被施主雜質(zhì)束縛時(shí)的 能量比導(dǎo)帶底能量比導(dǎo)帶底 低低 。 將被施主雜質(zhì)束縛的電子的將被施主雜質(zhì)束縛的電子的 能量狀態(tài)稱為能量狀態(tài)稱為施主能級(jí)，記，記 為為 ED ，所以施主能級(jí)位于，所以施主能級(jí)位于 離導(dǎo)帶底很近的禁帶中離導(dǎo)帶底很近的禁帶中 D E D E D E C E 2.1.3 受主雜質(zhì) 受主能級(jí) l族雜質(zhì)在硅、鍺中能夠接受電子而產(chǎn)生族雜質(zhì)在硅、鍺中能夠接受電子而產(chǎn)生

8、 導(dǎo)電空穴，并形成負(fù)電中心，所以稱它們導(dǎo)電空穴，并形成負(fù)電中心，所以稱它們 為為受主雜質(zhì)或或p型雜質(zhì)。 2.1.3 受主雜質(zhì) 受主能級(jí) 以硅中摻磷以硅中摻磷B為例：為例： l B原子占據(jù)硅原子的位置。磷原原子占據(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)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，個(gè)電子，就從別處奪取價(jià)電子， 這就在這就在Si形成了一個(gè)空穴。形成了一個(gè)空穴。 l 這時(shí)這時(shí)B原子就成為多了一個(gè)價(jià)電原子就成為多了一個(gè)價(jià)電 子的磷離子子的磷離子B ，它是一個(gè)不能 ，它是一個(gè)不能 移動(dòng)的負(fù)移動(dòng)的負(fù)電中心。 l 空穴束

9、縛在正電中心空穴束縛在正電中心B 的周圍。 的周圍。 空穴只要很少能量就可掙脫束空穴只要很少能量就可掙脫束 縛，成為縛，成為導(dǎo)電空穴在晶格中自在晶格中自 由運(yùn)動(dòng)由運(yùn)動(dòng) 2.1.3 受主雜質(zhì) 受主能級(jí) l 使空穴掙脫束縛成為導(dǎo)電空穴所需要的能量稱為使空穴掙脫束縛成為導(dǎo)電空穴所需要的能量稱為 受主雜質(zhì)電離能 l 受主雜質(zhì)電離后成為不可移動(dòng)的帶負(fù)電的受主離受主雜質(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)體成為子，同時(shí)向價(jià)帶提供空穴，使半導(dǎo)體成為空穴導(dǎo)導(dǎo) 電的電的p型半導(dǎo)體。 2.1.3 受主雜質(zhì) 受主能級(jí) l 受主雜質(zhì)的電離過(guò)程，可受主雜質(zhì)的電離過(guò)程，可 以用能帶圖表示以用

10、能帶圖表示 l 如圖如圖2-6所示所示.當(dāng)空穴得到當(dāng)空穴得到 能量能量 后，就從受主的束后，就從受主的束 縛態(tài)躍遷到價(jià)帶成為導(dǎo)電縛態(tài)躍遷到價(jià)帶成為導(dǎo)電 空穴，所以電子被受主雜空穴，所以電子被受主雜 質(zhì)束縛時(shí)的能量比價(jià)帶頂質(zhì)束縛時(shí)的能量比價(jià)帶頂 高高 。將被受主雜質(zhì)。將被受主雜質(zhì) 束縛的空穴的能量狀態(tài)稱束縛的空穴的能量狀態(tài)稱 為為受主能級(jí)，記為，記為 ，所，所 以受主能級(jí)位于離價(jià)帶頂以受主能級(jí)位于離價(jià)帶頂 很近的禁帶中很近的禁帶中 A E A E A E V E 2.1.4 淺能級(jí)雜質(zhì)電離能的簡(jiǎn)單計(jì)算 l淺能級(jí)雜質(zhì)：電離能小的雜質(zhì)稱為淺能級(jí)雜質(zhì)。：電離能小的雜質(zhì)稱為淺能級(jí)雜質(zhì)。 l所謂所謂淺能級(jí)

11、，是指施主能級(jí)靠近導(dǎo)帶底，受主，是指施主能級(jí)靠近導(dǎo)帶底，受主 能級(jí)靠近價(jià)帶頂。能級(jí)靠近價(jià)帶頂。 l室溫下，摻雜濃度不很高底情況下，淺能級(jí)雜室溫下，摻雜濃度不很高底情況下，淺能級(jí)雜 質(zhì)幾乎可以可以全部電離。五價(jià)元素磷（質(zhì)幾乎可以可以全部電離。五價(jià)元素磷（P）、）、 銻（銻（Sb）在硅、鍺中是淺受主雜質(zhì)，三價(jià)元）在硅、鍺中是淺受主雜質(zhì)，三價(jià)元 素硼（素硼（B）、鋁（）、鋁（Al）、鎵（）、鎵（Ga）、銦（）、銦（In） 在硅、鍺中為淺受主雜質(zhì)。在硅、鍺中為淺受主雜質(zhì)。 2.1.4 淺能級(jí)雜質(zhì)電離能的簡(jiǎn)單計(jì)算 l類氫模型類氫模型 4 0 222 0 8 n m q E h n 01 13.6EEEV

12、 0 nr mm * 0 2 0 n D r mE E m * 0 2 0 p A r m E E m 11 12 3 n nlt m mmm 電導(dǎo)有效質(zhì)量 0.025() D EeV Si 可得同一個(gè)數(shù)量級(jí) 2.1.5 雜質(zhì)的補(bǔ)償作用 l 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)，半導(dǎo)體中存在施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)時(shí)， 它們底共同作用會(huì)使載流子減少，這種作用稱為它們底共同作用會(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)體器件底過(guò)程中，通過(guò)采雜質(zhì)補(bǔ)償。在制造半導(dǎo)體器件底過(guò)程中，通過(guò)采 用雜質(zhì)補(bǔ)償?shù)追椒▉?lái)改變半導(dǎo)體某個(gè)區(qū)域底導(dǎo)電用雜質(zhì)補(bǔ)償?shù)追椒▉?lái)改變半導(dǎo)體某個(gè)區(qū)域底導(dǎo)電 類型或電阻率。類型或

13、電阻率。 l 高度補(bǔ)償：若施主雜質(zhì)濃度與受主雜質(zhì)濃度相差若施主雜質(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)的高等補(bǔ)償。這種材料容易被誤認(rèn)情況稱為雜質(zhì)的高等補(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，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(lái)制造半導(dǎo)體器件。一般不能用來(lái)制造半導(dǎo)體器件。 2.1.4 雜質(zhì)的補(bǔ)償作用 l 1） ： 受主能級(jí)低于施主能級(jí)，剩余雜質(zhì)受主能級(jí)低于施主能級(jí)，剩余雜質(zhì) 2） ：施主能級(jí)低于受主能級(jí)，剩余雜質(zhì)：施主能級(jí)低于受主能級(jí)，剩余雜質(zhì) l 3） 高度

14、補(bǔ)償：有效施主濃度高度補(bǔ)償：有效施主濃度 有效受主濃度有效受主濃度 DA NN DA NN DA NN DA NN DA NN AD NN AD NN 2.1.6 深能級(jí)雜質(zhì) l 深能級(jí)雜質(zhì)：非：非族雜質(zhì)在族雜質(zhì)在SiSi、GeGe的禁帶中的禁帶中 產(chǎn)生的產(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)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)生多次電離帶頂。雜質(zhì)電離能大，能夠產(chǎn)生多次電離 金在硅中的能級(jí)金在硅中的能級(jí) 2.1.6 深能級(jí)雜質(zhì) l三個(gè)基本特點(diǎn)：三個(gè)基本特點(diǎn)： 一、是不容易電離，對(duì)載流子濃度影響不大；一、是不容易電離，對(duì)載流子濃度影響不大； 二、是一般會(huì)產(chǎn)生多重能級(jí)，

15、甚至既產(chǎn)生施主能二、是一般會(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)。級(jí)也產(chǎn)生受主能級(jí)。 三、是能起到復(fù)合中心作用，使少數(shù)載流子壽命三、是能起到復(fù)合中心作用，使少數(shù)載流子壽命 降低（在第五章詳細(xì)討論）。降低（在第五章詳細(xì)討論）。 四、是深能級(jí)雜質(zhì)電離后以為帶電中心，對(duì)載流四、是深能級(jí)雜質(zhì)電離后以為帶電中心，對(duì)載流 子起散射作用，使載流子遷移率減少，導(dǎo)電性子起散射作用，使載流子遷移率減少，導(dǎo)電性 能下降。能下降。 2.2 化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí) 2.2.1 雜質(zhì)在砷化鎵中 的存在形式 l 主要有有下述種情況： 1）取代砷）取代砷 2）取代鎵）取代鎵 3）填隙）填隙 l性質(zhì) l （1）1

16、族元素，一般在砷化鎵中起受主作用 l （2）2族元素，能獲得電子表現(xiàn)為受主 l （3）3族元素慘入一般不影響，但有可能形成等電子陷阱 l （4）4族元素加入，取代3族起施主作用；取代5族起受主 作用 l （5）6族元素，必5族多一個(gè)電子，容易形成施主，引入 施主能級(jí) l （6）過(guò)渡元素，情況比較復(fù)雜 2.2.1 雜質(zhì)在砷化鎵中的存在形式 l 四族元素硅在砷化鎵中會(huì)產(chǎn)生雙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高時(shí)，一部分硅原子將起到受主 雜質(zhì)作用。雜質(zhì)作用。 l

17、 這種雙性行為可作如下解釋：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)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)的作族砷原子而起著受主雜質(zhì)的作 用，因而對(duì)于取代用，因而對(duì)于取代族原子鎵的族原子鎵的 硅施主雜質(zhì)起到補(bǔ)償作用，從而硅施主雜質(zhì)起到補(bǔ)償作用，從而 降低了有效施主雜質(zhì)的濃度，電降低了有效施主雜質(zhì)的濃度，電 子濃度趨于飽和。子濃度趨于飽和。 2.3 半導(dǎo)體中的缺陷能級(jí) (defect levels) 2.3.1點(diǎn)缺陷（熱缺陷）point defect

18、s/thermaldefects l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(wú)原子空位只有間隙原子而無(wú)原子空位 2.3.1點(diǎn)缺陷 l 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）。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原因：三種點(diǎn)缺陷中形成肖特基缺陷需要的能量 最小。（可參閱劉文明最小。（可參閱劉文明半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué)p70 p7

19、3，或葉良修，或葉良修半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué)p24和和p94） 淬火后可以淬火后可以“凍結(jié)凍結(jié)”高溫下形成的缺陷。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要進(jìn)行退火處理。離子注入形成的缺陷也用退火 來(lái)消除。來(lái)消除。 2.3.1點(diǎn)缺陷 l 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）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)。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）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。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）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）對(duì)載流子有散射作用，使載流子遷移率和壽命 降低。降低。 2.3.1點(diǎn)缺陷 2.3.1點(diǎn)缺陷 2.3.2