第二章半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷e

1、2.1 硅、硅、鍺鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)晶體中的雜質(zhì)能級(jí) 半導(dǎo)體中的雜質(zhì)，施主和受主，類(lèi)氫模型，半導(dǎo)體中的雜質(zhì)，施主和受主，類(lèi)氫模型， 雜質(zhì)的補(bǔ)償作用，深能級(jí)雜質(zhì)雜質(zhì)的補(bǔ)償作用，深能級(jí)雜質(zhì) 2.2 -族化合物中的雜質(zhì)能級(jí)族化合物中的雜質(zhì)能級(jí) 2.3 缺陷、位錯(cuò)能級(jí)缺陷、位錯(cuò)能級(jí) 第二章第二章 半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷 v在實(shí)際應(yīng)用的半導(dǎo)體材料晶格中，總存在在實(shí)際應(yīng)用的半導(dǎo)體材料晶格中，總存在 偏離理想情況的各種復(fù)雜現(xiàn)象。偏離理想情況的各種復(fù)雜現(xiàn)象。 1 1、原子、原子并非靜止并非靜止在嚴(yán)格周期性晶格格點(diǎn)在嚴(yán)格周期性晶格格點(diǎn) 位置，而是在其平衡位置附近位置，而是在其平衡位置附近振動(dòng)振

2、動(dòng)； 2 2、半導(dǎo)體材料、半導(dǎo)體材料并非純凈并非純凈的，而含有的，而含有雜質(zhì)雜質(zhì)， 即在半導(dǎo)體晶格中存在著與組成半導(dǎo)體材即在半導(dǎo)體晶格中存在著與組成半導(dǎo)體材 料的元素不同的其他化學(xué)元素的原子；料的元素不同的其他化學(xué)元素的原子； 3 3、實(shí)際半導(dǎo)體晶格結(jié)構(gòu)、實(shí)際半導(dǎo)體晶格結(jié)構(gòu)并非完整無(wú)缺并非完整無(wú)缺， 而存在各種形式的而存在各種形式的缺陷缺陷。在半導(dǎo)體中的某。在半導(dǎo)體中的某 些區(qū)域，晶格中的原子周期性排列被破壞，些區(qū)域，晶格中的原子周期性排列被破壞， 形成各種缺陷。形成各種缺陷。 半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷 v缺陷分為三類(lèi)：缺陷分為三類(lèi)： 1、點(diǎn)缺陷（空位、間隙原子）、點(diǎn)缺陷（空位

3、、間隙原子） 2、線缺陷（位錯(cuò)）、線缺陷（位錯(cuò)） 3、面缺陷（層錯(cuò)、多晶體中的晶粒間界）、面缺陷（層錯(cuò)、多晶體中的晶粒間界） 半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷 v雜質(zhì)和缺陷的影響雜質(zhì)和缺陷的影響 半導(dǎo)體材料中半導(dǎo)體材料中極微量雜質(zhì)和缺陷極微量雜質(zhì)和缺陷，能對(duì)，能對(duì) 材料的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生決定性影響，材料的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生決定性影響， 也會(huì)嚴(yán)重影響器件的質(zhì)量。也會(huì)嚴(yán)重影響器件的質(zhì)量。 在硅晶體中，若以在硅晶體中，若以10105 5個(gè)硅原子中摻入一個(gè)硅原子中摻入一 個(gè)雜質(zhì)原子的比例摻入硼原子，室溫電導(dǎo)率個(gè)雜質(zhì)原子的比例摻入硼原子，室溫電導(dǎo)率 將增加將增加10103 3倍。倍。

4、用于生產(chǎn)一般硅平面器件的硅單晶，要用于生產(chǎn)一般硅平面器件的硅單晶，要 求控制位錯(cuò)密度在求控制位錯(cuò)密度在10102 2 cmcm-2 -2以下，若位錯(cuò)密度以下，若位錯(cuò)密度 過(guò)高，則不過(guò)高，則不 能生產(chǎn)出性能良好的器件。能生產(chǎn)出性能良好的器件。 半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷 v雜質(zhì)和缺陷重要影響的原因雜質(zhì)和缺陷重要影響的原因 由于雜質(zhì)和缺陷的存在，使周期性排列由于雜質(zhì)和缺陷的存在，使周期性排列 的原子所產(chǎn)生的周期性勢(shì)場(chǎng)受破壞，有可能的原子所產(chǎn)生的周期性勢(shì)場(chǎng)受破壞，有可能 在禁帶中引入允許電子具有的能量狀態(tài)在禁帶中引入允許電子具有的能量狀態(tài)( (即能即能 級(jí)級(jí)) )。 由于雜質(zhì)和缺陷可在

5、禁帶中引入能級(jí)，由于雜質(zhì)和缺陷可在禁帶中引入能級(jí)， 對(duì)半導(dǎo)體的性質(zhì)產(chǎn)生決定性影響。對(duì)半導(dǎo)體的性質(zhì)產(chǎn)生決定性影響。 半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷 2.1 硅、硅、鍺鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)晶體中的雜質(zhì)能級(jí) v雜質(zhì)進(jìn)入半導(dǎo)體如何分布？雜質(zhì)進(jìn)入半導(dǎo)體如何分布？ v金剛石結(jié)構(gòu)中，一個(gè)晶胞內(nèi)的原子占晶體原金剛石結(jié)構(gòu)中，一個(gè)晶胞內(nèi)的原子占晶體原 胞的胞的34%，空隙占，空隙占66%。 替位式雜質(zhì)替位式雜質(zhì) 間隙式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì) v雜質(zhì)原子進(jìn)入半導(dǎo)體硅以后，只可能以兩種方式存在。雜質(zhì)原子進(jìn)入半導(dǎo)體硅以后，只可能以兩種方式存在。 v間隙式間隙式(interstitial)(interstitial)雜質(zhì)

6、雜質(zhì):雜質(zhì)原子位于晶格原子間的間雜質(zhì)原子位于晶格原子間的間 隙位置。隙位置。 v替位式替位式(substitutional)(substitutional)雜質(zhì)雜質(zhì):雜質(zhì)原子取代晶格原子而位雜質(zhì)原子取代晶格原子而位 于格點(diǎn)處。于格點(diǎn)處。 v雜質(zhì)進(jìn)入其它半導(dǎo)體材料中，也是這兩種方式。雜質(zhì)進(jìn)入其它半導(dǎo)體材料中，也是這兩種方式。 替位式雜質(zhì)替位式雜質(zhì) 間隙式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì) v間隙式間隙式雜質(zhì)原子一般比較小，如離子鋰（雜質(zhì)原子一般比較小，如離子鋰（Li+）的半徑很小，為）的半徑很小，為0.068nm, 在硅、鍺、砷化鎵中是間隙式雜質(zhì)。在硅、鍺、砷化鎵中是間隙式雜質(zhì)。 v一般形成一般形成替位式替位式雜質(zhì)

7、時(shí)，要求替位式雜質(zhì)原子的大小與被取代的晶格雜質(zhì)時(shí)，要求替位式雜質(zhì)原子的大小與被取代的晶格原原 子的大小比較相近子的大小比較相近，還要求它們的，還要求它們的價(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。如硅、鍺。如硅、鍺 是是IV族元素的族元素，與族元素的族元素，與III、V族元素情況比較相近，所以族元素情況比較相近，所以III、V族元族元 素在硅、鍺晶體中都是替位式雜質(zhì)素在硅、鍺晶體中都是替位式雜質(zhì) 。 Si：r=0.117 nm B：r=0.089 nm P：r=0.11 nm v雜質(zhì)濃度雜質(zhì)濃度:單位體積中的雜質(zhì)原子數(shù)。單位體積中的雜質(zhì)原子數(shù)。 表示半導(dǎo)體晶體中雜質(zhì)含量的多少。表示半導(dǎo)體晶

8、體中雜質(zhì)含量的多少。 替位式雜質(zhì)替位式雜質(zhì) 間隙式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì) vIII、V族元素在硅、鍺晶體中是替位式雜質(zhì)族元素在硅、鍺晶體中是替位式雜質(zhì) v以硅中摻磷為例討論以硅中摻磷為例討論V族雜質(zhì)的作用族雜質(zhì)的作用 施主雜質(zhì)施主雜質(zhì) 施主能級(jí)施主能級(jí) 施主雜質(zhì)施主雜質(zhì) 施主能級(jí)施主能級(jí) v雜質(zhì)電離雜質(zhì)電離： 電子脫離雜質(zhì)原子的束縛成為導(dǎo)電電子的過(guò)程。電子脫離雜質(zhì)原子的束縛成為導(dǎo)電電子的過(guò)程。 v雜質(zhì)電離能雜質(zhì)電離能 ：多余價(jià)電子掙脫束縛成為導(dǎo)電電子所需要的能量。：多余價(jià)電子掙脫束縛成為導(dǎo)電電子所需要的能量。 施主雜質(zhì)施主雜質(zhì) 施主能級(jí)施主能級(jí) v施主雜質(zhì)或施主雜質(zhì)或n型雜質(zhì)型雜質(zhì): V族雜質(zhì)族雜質(zhì),

9、在硅、鍺中電離時(shí)，能夠釋放電子而產(chǎn)生導(dǎo)電電子在硅、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。并形成正電中心。 v施主電離：施主雜質(zhì)釋放電子的過(guò)程。施主電離：施主雜質(zhì)釋放電子的過(guò)程。 v施主雜質(zhì)未電離時(shí)是中性的，稱(chēng)為束縛態(tài)或中性態(tài)；電離后成為施主雜質(zhì)未電離時(shí)是中性的，稱(chēng)為束縛態(tài)或中性態(tài)；電離后成為 正電中心，稱(chēng)為離化態(tài)。正電中心，稱(chēng)為離化態(tài)。 施主雜質(zhì)施主雜質(zhì) 施主能級(jí)施主能級(jí) v施主雜質(zhì)的電離過(guò)程施主雜質(zhì)的電離過(guò)程 施主雜質(zhì)施主雜質(zhì) 施主能級(jí)施主能級(jí) v施主能級(jí)施主能級(jí)ED：被施主雜質(zhì)束縛的電子的能量狀態(tài)。：被施主雜質(zhì)束縛的電子的能量狀態(tài)。 v在純凈半導(dǎo)體中摻入施主雜質(zhì)在純凈半導(dǎo)

10、體中摻入施主雜質(zhì) 雜質(zhì)電離以雜質(zhì)電離以 后，導(dǎo)帶中的導(dǎo)電電子增多，增強(qiáng)后，導(dǎo)帶中的導(dǎo)電電子增多，增強(qiáng) 半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。 vn型半導(dǎo)體（電子型半導(dǎo)體）型半導(dǎo)體（電子型半導(dǎo)體） 主要依靠導(dǎo)帶電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體。主要依靠導(dǎo)帶電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體。 施主雜質(zhì)施主雜質(zhì) 施主能級(jí)施主能級(jí) v雜質(zhì)向?qū)Ш蛢r(jià)帶提供電子和空穴的過(guò)程雜質(zhì)向?qū)Ш蛢r(jià)帶提供電子和空穴的過(guò)程 （電子從施主能級(jí)向?qū)У能S遷或空穴從受（電子從施主能級(jí)向?qū)У能S遷或空穴從受 主能級(jí)向價(jià)帶的躍遷）稱(chēng)為主能級(jí)向價(jià)帶的躍遷）稱(chēng)為雜質(zhì)電離或雜質(zhì)雜質(zhì)電離或雜質(zhì) 激發(fā)激發(fā)。所需要的能量稱(chēng)為雜質(zhì)的電離能。所需要的能量稱(chēng)為雜質(zhì)的電離能。 v電

11、子從價(jià)帶直接向?qū)Ъぐl(fā)，成為導(dǎo)帶的自電子從價(jià)帶直接向?qū)Ъぐl(fā)，成為導(dǎo)帶的自 由電子，稱(chēng)為由電子，稱(chēng)為本征激發(fā)本征激發(fā)。 v只有本征激發(fā)的半導(dǎo)體稱(chēng)為只有本征激發(fā)的半導(dǎo)體稱(chēng)為本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體。 intrinsic semiconductor )( )( 1240 )( )( 101240 106 . 1)( 10310626. 6 9 19 834 nm eVE m eVE eVEE hc g g gg 760nm 1.63eV 550 2.25 380 3.26 發(fā)光波長(zhǎng)與帶隙 v例如：例如：Si 在室溫下，本征載流子濃度為在室溫下，本征載流子濃度為1010/cm3， 摻入摻入P (ND=1

12、016/cm3) ： vSi的原子濃度為的原子濃度為10221023/cm3 vP的濃度的濃度/Si原子的濃度原子的濃度=10-6 v施主向?qū)峁┑妮d流子施主向?qū)峁┑妮d流子 10161017/cm3本征載流子濃度本征載流子濃度 受主雜質(zhì)受主雜質(zhì) 受主能級(jí)受主能級(jí) v以硅晶體中摻硼為例討論以硅晶體中摻硼為例討論族雜質(zhì)的作用族雜質(zhì)的作用 受主雜質(zhì)受主雜質(zhì) 受主能級(jí)受主能級(jí) v受主雜質(zhì)受主雜質(zhì)或或p型雜質(zhì)型雜質(zhì): 族雜質(zhì)族雜質(zhì),在硅、鍺中電離時(shí)，能夠接受電子而在硅、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。產(chǎn)生導(dǎo)電空穴，并形成負(fù)電中心。 v受主電離受主電離：空穴掙脫受主雜質(zhì)束縛

13、的過(guò)程。：空穴掙脫受主雜質(zhì)束縛的過(guò)程。 v受主雜質(zhì)未電離時(shí)是中性的，稱(chēng)為受主雜質(zhì)未電離時(shí)是中性的，稱(chēng)為束縛態(tài)束縛態(tài)或或中性態(tài)中性態(tài)； 電離后成為負(fù)電中心，稱(chēng)為電離后成為負(fù)電中心，稱(chēng)為離化態(tài)離化態(tài)。 受主雜質(zhì)受主雜質(zhì) 受主能級(jí)受主能級(jí) v受主雜質(zhì)電離能受主雜質(zhì)電離能 ： 使空穴掙脫受主雜質(zhì)束縛成為導(dǎo)電空穴所需要的能量。使空穴掙脫受主雜質(zhì)束縛成為導(dǎo)電空穴所需要的能量。 受主雜質(zhì)受主雜質(zhì) 受主能級(jí)受主能級(jí) v受主雜質(zhì)的電離過(guò)程受主雜質(zhì)的電離過(guò)程 受主雜質(zhì)受主雜質(zhì) 受主能級(jí)受主能級(jí) v受主雜質(zhì)的電離過(guò)程受主雜質(zhì)的電離過(guò)程 實(shí)際上是電子的運(yùn)動(dòng)，是價(jià)帶中的電子得到能量實(shí)際上是電子的運(yùn)動(dòng)，是價(jià)帶中的電子得到

14、能量 后，躍遷到受主能級(jí)上，和束縛在受主能級(jí)上的空穴后，躍遷到受主能級(jí)上，和束縛在受主能級(jí)上的空穴 復(fù)合，并在價(jià)帶中產(chǎn)生了一個(gè)可以自由運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)電空復(fù)合，并在價(jià)帶中產(chǎn)生了一個(gè)可以自由運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)電空 穴，同時(shí)也就形成一個(gè)不可移動(dòng)的受主離子。穴，同時(shí)也就形成一個(gè)不可移動(dòng)的受主離子。 受主雜質(zhì)受主雜質(zhì) 受主能級(jí)受主能級(jí) v純凈半導(dǎo)體中摻入受主雜質(zhì)后，受主雜質(zhì)電離，使價(jià)純凈半導(dǎo)體中摻入受主雜質(zhì)后，受主雜質(zhì)電離，使價(jià) 帶中的導(dǎo)電空穴增多，增強(qiáng)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。帶中的導(dǎo)電空穴增多，增強(qiáng)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。 vp型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體(空穴型半導(dǎo)體空穴型半導(dǎo)體) 主要依靠空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體。主要依靠空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體。 受

15、主雜質(zhì)受主雜質(zhì) 受主能級(jí)受主能級(jí) v摻施主的半導(dǎo)體的導(dǎo)帶電子數(shù)主要由施主決定，半導(dǎo)摻施主的半導(dǎo)體的導(dǎo)帶電子數(shù)主要由施主決定，半導(dǎo) 體導(dǎo)電的載流子主要是電子（電子數(shù)體導(dǎo)電的載流子主要是電子（電子數(shù)空穴數(shù)），對(duì)空穴數(shù)），對(duì) 應(yīng)的半導(dǎo)體稱(chēng)為應(yīng)的半導(dǎo)體稱(chēng)為n型半導(dǎo)體。稱(chēng)電子為多數(shù)載流子，型半導(dǎo)體。稱(chēng)電子為多數(shù)載流子， 簡(jiǎn)稱(chēng)多子，空穴為少數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱(chēng)少子。簡(jiǎn)稱(chēng)多子，空穴為少數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱(chēng)少子。 v摻受主的半導(dǎo)體的價(jià)帶空穴數(shù)由受主決定，半導(dǎo)體導(dǎo)摻受主的半導(dǎo)體的價(jià)帶空穴數(shù)由受主決定，半導(dǎo)體導(dǎo) 電的載流子主要是空穴（空穴數(shù)電的載流子主要是空穴（空穴數(shù)電子數(shù)），對(duì)應(yīng)的電子數(shù)），對(duì)應(yīng)的 半導(dǎo)體稱(chēng)為半導(dǎo)體稱(chēng)為p型

16、半導(dǎo)體。空穴為多子，電子為少子。型半導(dǎo)體?？昭槎嘧?，電子為少子。 vIII族雜質(zhì)在硅、鍺晶體中是受主雜質(zhì)族雜質(zhì)在硅、鍺晶體中是受主雜質(zhì) vV族雜質(zhì)在硅、鍺晶體中是施主雜質(zhì)族雜質(zhì)在硅、鍺晶體中是施主雜質(zhì) v雜質(zhì)在禁帶中引入能級(jí)：雜質(zhì)在禁帶中引入能級(jí)： 受主能級(jí)比價(jià)帶頂高受主能級(jí)比價(jià)帶頂高 施主能級(jí)則比導(dǎo)帶底低施主能級(jí)則比導(dǎo)帶底低 v雜質(zhì)可以處于兩種狀態(tài)：雜質(zhì)可以處于兩種狀態(tài)： 未電離的中性態(tài)或束縛態(tài)未電離的中性態(tài)或束縛態(tài) 電離后的離化態(tài)電離后的離化態(tài) v雜質(zhì)處于離化態(tài)時(shí)，雜質(zhì)處于離化態(tài)時(shí)， 受主雜質(zhì)向價(jià)帶提供空穴而成為負(fù)電中心受主雜質(zhì)向價(jià)帶提供空穴而成為負(fù)電中心 施主雜質(zhì)向?qū)峁╇娮佣蔀檎?/p>

17、電中心施主雜質(zhì)向?qū)峁╇娮佣蔀檎娭行?受主雜質(zhì)、施主雜質(zhì)小結(jié)受主雜質(zhì)、施主雜質(zhì)小結(jié) v雜質(zhì)能級(jí)的位置雜質(zhì)能級(jí)的位置 硅、鍺中的硅、鍺中的III 、V族雜質(zhì)的電離能都很小，所以受族雜質(zhì)的電離能都很小，所以受 主能級(jí)很接近于價(jià)帶頂，施主能級(jí)很接近于導(dǎo)帶底。主能級(jí)很接近于價(jià)帶頂，施主能級(jí)很接近于導(dǎo)帶底。 v淺能級(jí)：上述雜質(zhì)能級(jí)。淺能級(jí)：上述雜質(zhì)能級(jí)。 v淺能級(jí)雜質(zhì)：產(chǎn)生淺能級(jí)的雜質(zhì)。淺能級(jí)雜質(zhì)：產(chǎn)生淺能級(jí)的雜質(zhì)。 v室溫下雜質(zhì)狀態(tài)室溫下雜質(zhì)狀態(tài) 晶格原子熱振動(dòng)的能量會(huì)傳遞給電子，可使硅、鍺晶格原子熱振動(dòng)的能量會(huì)傳遞給電子，可使硅、鍺 中的中的III 、V族雜質(zhì)幾乎全部離化。族雜質(zhì)幾乎全部離化。

18、 雜質(zhì)能級(jí)小結(jié)雜質(zhì)能級(jí)小結(jié) v前前述類(lèi)型雜質(zhì)，電離能很低，電子或空穴受述類(lèi)型雜質(zhì)，電離能很低，電子或空穴受到正電中心或負(fù)電中心到正電中心或負(fù)電中心 的束縛很微弱，可利用的束縛很微弱，可利用類(lèi)氫模型類(lèi)氫模型來(lái)估算來(lái)估算雜質(zhì)的電離能雜質(zhì)的電離能。 v當(dāng)硅、鍺中摻入當(dāng)硅、鍺中摻入V族雜質(zhì)如磷原子時(shí)，在施主雜質(zhì)處于束縛態(tài)的情族雜質(zhì)如磷原子時(shí)，在施主雜質(zhì)處于束縛態(tài)的情 況下，這個(gè)磷原子將比周?chē)墓柙佣嘁粋€(gè)電子電荷的正電中心和況下，這個(gè)磷原子將比周?chē)墓柙佣嘁粋€(gè)電子電荷的正電中心和 一個(gè)束縛著的價(jià)電子。用氫原子模型估計(jì)一個(gè)束縛著的價(jià)電子。用氫原子模型估計(jì) 的數(shù)值。的數(shù)值。 v氫原子中電子的能量氫原子中

19、電子的能量 n=1,2,3, ,為主量子數(shù)為主量子數(shù) 基態(tài)能量基態(tài)能量 電離態(tài)電離態(tài) v電離能電離能 淺能級(jí)雜質(zhì)電離能的簡(jiǎn)單計(jì)算淺能級(jí)雜質(zhì)電離能的簡(jiǎn)單計(jì)算 v修正考慮修正考慮 1、晶體內(nèi)存在的雜質(zhì)原子，正、負(fù)電荷是處于介電常數(shù)為、晶體內(nèi)存在的雜質(zhì)原子，正、負(fù)電荷是處于介電常數(shù)為 的介質(zhì)中，則電子受正電中心的引力將減弱的介質(zhì)中，則電子受正電中心的引力將減弱 倍倍, 束縛能量將減弱束縛能量將減弱 倍；倍； 2、電子不是在自由空間運(yùn)動(dòng)，而是在晶格周期性勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，所、電子不是在自由空間運(yùn)動(dòng)，而是在晶格周期性勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，所 以電子的慣性質(zhì)量以電子的慣性質(zhì)量 要用有效質(zhì)量要用有效質(zhì)量 代替。代替。 v修

20、正后，施主雜質(zhì)電離能修正后，施主雜質(zhì)電離能 v受主雜質(zhì)的電離能受主雜質(zhì)的電離能 v計(jì)算得到：鍺中計(jì)算得到：鍺中 =0.0064eV，硅中，硅中 =0.025eV 與與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值具有同一數(shù)量級(jí)。實(shí)驗(yàn)測(cè)量值具有同一數(shù)量級(jí)。 淺能級(jí)雜質(zhì)電離能的簡(jiǎn)單計(jì)算淺能級(jí)雜質(zhì)電離能的簡(jiǎn)單計(jì)算 束縛電子或空穴的軌道半徑 v雜質(zhì)補(bǔ)償雜質(zhì)補(bǔ)償：施主和受主雜質(zhì)之間的互相抵消作用（在半導(dǎo)體中，：施主和受主雜質(zhì)之間的互相抵消作用（在半導(dǎo)體中， 同時(shí)存在著施主和受主雜質(zhì)）同時(shí)存在著施主和受主雜質(zhì)） v假設(shè)假設(shè)施主和受主施主和受主雜質(zhì)全部電離雜質(zhì)全部電離 ND ：施主雜質(zhì)濃度：施主雜質(zhì)濃度 NA ：受主雜質(zhì)濃度：受主雜質(zhì)濃度 n

21、 ：導(dǎo)帶中電子濃度：導(dǎo)帶中電子濃度 p ：價(jià)帶中空穴濃度：價(jià)帶中空穴濃度 v1、當(dāng)、當(dāng)ND NA時(shí)時(shí) 施主雜質(zhì)電子先躍遷到施主雜質(zhì)電子先躍遷到NA個(gè)受主能級(jí)上，個(gè)受主能級(jí)上， ND - NA個(gè)電子在施主能級(jí)，躍遷到導(dǎo)帶，個(gè)電子在施主能級(jí)，躍遷到導(dǎo)帶， 成為導(dǎo)電電子成為導(dǎo)電電子 n =ND NA ND 半導(dǎo)體是半導(dǎo)體是n型的型的 雜質(zhì)的補(bǔ)償作用雜質(zhì)的補(bǔ)償作用 v2、當(dāng)、當(dāng)NA ND時(shí)時(shí) 施主能級(jí)上的全部電子躍遷到受主施主能級(jí)上的全部電子躍遷到受主 能級(jí)后，受主能級(jí)上還有能級(jí)后，受主能級(jí)上還有NA - ND個(gè)個(gè) 空穴，它們可以躍遷入價(jià)帶成為導(dǎo)空穴，它們可以躍遷入價(jià)帶成為導(dǎo) 電空穴電空穴 p = N

22、AND NA 半導(dǎo)體是半導(dǎo)體是p型的型的 雜質(zhì)的補(bǔ)償作用雜質(zhì)的補(bǔ)償作用 v有效雜質(zhì)濃度：經(jīng)過(guò)補(bǔ)償之后，半導(dǎo)體中的凈雜質(zhì)濃度有效雜質(zhì)濃度：經(jīng)過(guò)補(bǔ)償之后，半導(dǎo)體中的凈雜質(zhì)濃度 雜質(zhì)的補(bǔ)償作用雜質(zhì)的補(bǔ)償作用 利用利用雜質(zhì)補(bǔ)償雜質(zhì)補(bǔ)償作用，就能根據(jù)需要用作用，就能根據(jù)需要用擴(kuò)散擴(kuò)散或或離子注入離子注入方法方法 來(lái)改變半導(dǎo)體中某一區(qū)域的來(lái)改變半導(dǎo)體中某一區(qū)域的導(dǎo)電類(lèi)型導(dǎo)電類(lèi)型，以制成各種器件。，以制成各種器件。 但是，若控制不當(dāng)，會(huì)出現(xiàn)但是，若控制不當(dāng)，會(huì)出現(xiàn) 的現(xiàn)象，這時(shí)，施主電的現(xiàn)象，這時(shí)，施主電 子剛好夠填充受主能級(jí)，雖然雜質(zhì)很多，但不能向?qū)Ш蛢r(jià)帶子剛好夠填充受主能級(jí)，雖然雜質(zhì)很多，但不能向?qū)?/p>

23、和價(jià)帶 提供電子和空穴，這種現(xiàn)象稱(chēng)為提供電子和空穴，這種現(xiàn)象稱(chēng)為雜質(zhì)的高度補(bǔ)償雜質(zhì)的高度補(bǔ)償。 這種材料容易被誤認(rèn)為高純半導(dǎo)體，實(shí)際上含雜質(zhì)很多，這種材料容易被誤認(rèn)為高純半導(dǎo)體，實(shí)際上含雜質(zhì)很多， 性能很差，不能用來(lái)制造半導(dǎo)體器件。性能很差，不能用來(lái)制造半導(dǎo)體器件。 v在半導(dǎo)體硅、鍺中，除了在半導(dǎo)體硅、鍺中，除了III 、V族雜質(zhì)在禁帶中產(chǎn)族雜質(zhì)在禁帶中產(chǎn) 生淺能級(jí)以外，摻入其它各族元素也會(huì)在禁帶中產(chǎn)生生淺能級(jí)以外，摻入其它各族元素也會(huì)在禁帶中產(chǎn)生 能級(jí)。能級(jí)。 深能級(jí)雜質(zhì)深能級(jí)雜質(zhì) 深能級(jí)雜質(zhì)深能級(jí)雜質(zhì) 深能級(jí)雜質(zhì)深能級(jí)雜質(zhì) v非非III 、V族雜質(zhì)在硅、鍺中產(chǎn)生能級(jí)的特點(diǎn)：族雜質(zhì)在硅、鍺中

24、產(chǎn)生能級(jí)的特點(diǎn)： 深能級(jí)雜質(zhì)深能級(jí)雜質(zhì) 深能級(jí)雜質(zhì)深能級(jí)雜質(zhì) 深能級(jí)雜質(zhì)深能級(jí)雜質(zhì) 深能級(jí)雜質(zhì)深能級(jí)雜質(zhì) 深能級(jí)雜質(zhì)深能級(jí)雜質(zhì) v深能級(jí)雜質(zhì)深能級(jí)雜質(zhì)在在Si,GeSi,Ge中的非中的非,族雜質(zhì)屬于深能級(jí)雜質(zhì)族雜質(zhì)屬于深能級(jí)雜質(zhì) 產(chǎn)生的電子能級(jí)距離導(dǎo)帶底產(chǎn)生的電子能級(jí)距離導(dǎo)帶底, ,價(jià)帶頂都比較遠(yuǎn)價(jià)帶頂都比較遠(yuǎn) 大多能在大多能在Si,GeSi,Ge中產(chǎn)生多重能級(jí)中產(chǎn)生多重能級(jí) v一些雜質(zhì)一些雜質(zhì), ,在同一半導(dǎo)體中在同一半導(dǎo)體中, ,既可起施主作用既可起施主作用, ,又可起受主作用又可起受主作用 兩性雜質(zhì)兩性雜質(zhì) 例如例如,Au,Au在在GeGe中中, ,除形成三重受主能級(jí)外除形成三重受主能級(jí)

25、外, ,還產(chǎn)生一個(gè)施主能級(jí)還產(chǎn)生一個(gè)施主能級(jí) v在Ge中摻Au Au的電子組態(tài)是：5s25p65d106s1： Ge Ge Au Ge Ge v1、Au失去一個(gè)電子施主 p 電離過(guò)程為 Au = Au+ +(e) Ge Ge Au + Ge Ge ED=Ev+0.04ev Ec Ev ED v2.Au獲得一個(gè)電子獲得一個(gè)電子受主受主 pAu + (e) = Au EA1= Ev + 0.15ev Ec Ev ED EA1 v3.Au獲得第二個(gè)電子獲得第二個(gè)電子 Ge Ge = Au - Ge Ge Au - + (e)=Au- - EA2=Ec0.2ev Ec Ev ED EA1 EA2 4

26、4. .A Au u 獲獲得得第第三三個(gè)個(gè)電電子子 Ge Ge = Au - = Ge Ge EA3=Ec0.04ev Ec Ev ED EA1 EA2 EA3 深能級(jí)雜質(zhì)，一般情況下含量極少，且能級(jí)較深， 對(duì)半導(dǎo)體的載流子濃度（導(dǎo)電電子濃度、導(dǎo)電空穴 濃度)和導(dǎo)電類(lèi)型的影響比淺能級(jí)雜質(zhì)小。 深能級(jí)雜質(zhì)，對(duì)于載流子的復(fù)合作用比淺能級(jí)雜質(zhì) 強(qiáng)，也稱(chēng)為復(fù)合中心。 金是一種典型的復(fù)合中心，在制造高速開(kāi)關(guān)器件時(shí)， 常摻入金以提高器件的速度。 2.2 III-V族化合物中的雜質(zhì)能級(jí)族化合物中的雜質(zhì)能級(jí) vIIIV族化合物族化合物: IIIA族元素硼、鋁、鎵、銦、鉈族元素硼、鋁、鎵、銦、鉈 VA族元素氮、

27、磷、砷、銻、鉍族元素氮、磷、砷、銻、鉍 組成組成 二元化合物，成分化學(xué)比都是二元化合物，成分化學(xué)比都是1：1 v由鋁、鎵、銦和磷、砷、銻形成的由鋁、鎵、銦和磷、砷、銻形成的九種化合物九種化合物(AlP， AlSb，AlAs，GaP，GaAs，GaSb，InP, InAs, InSb) 都結(jié)晶成都結(jié)晶成閃鋅礦型閃鋅礦型結(jié)構(gòu)，與硅、鍺的金剛石型結(jié)構(gòu)很結(jié)構(gòu)，與硅、鍺的金剛石型結(jié)構(gòu)很 相似。相似。 每個(gè)原子有四個(gè)最近鄰原子，該原于處于正四面每個(gè)原子有四個(gè)最近鄰原子，該原于處于正四面 體中心時(shí)，四面體四個(gè)頂角為其最近鄰的四個(gè)另一類(lèi)體中心時(shí)，四面體四個(gè)頂角為其最近鄰的四個(gè)另一類(lèi) 原于所占有。原于所占有。

28、即閃鋅礦型結(jié)構(gòu)與金剛石型結(jié)構(gòu)不同處：金剛石即閃鋅礦型結(jié)構(gòu)與金剛石型結(jié)構(gòu)不同處：金剛石 型結(jié)構(gòu)中全由一種原子組成，閃鋅礦型結(jié)構(gòu)中由兩種型結(jié)構(gòu)中全由一種原子組成，閃鋅礦型結(jié)構(gòu)中由兩種 不同的原子交替占據(jù)晶格點(diǎn)位置。不同的原子交替占據(jù)晶格點(diǎn)位置。 vIII-V族化合物中的雜質(zhì)，可以是族化合物中的雜質(zhì)，可以是間隙式間隙式，也可以是，也可以是替位替位 式式，情況比硅、鍺，情況比硅、鍺復(fù)雜復(fù)雜 v例如，例如，替位式雜質(zhì)替位式雜質(zhì)可能可能取代取代III族族原子，也可能原子，也可能取代取代V族族 原子原子 v間隙式雜質(zhì)如果進(jìn)入四面體間隙位置，則雜質(zhì)原子周?chē)g隙式雜質(zhì)如果進(jìn)入四面體間隙位置，則雜質(zhì)原子周?chē)?可能

29、是四個(gè)可能是四個(gè)III族原子或四個(gè)族原子或四個(gè)V族原子族原子 III-V族化合物中的雜質(zhì)族化合物中的雜質(zhì) III-V族化合物中的雜質(zhì)能級(jí)族化合物中的雜質(zhì)能級(jí) III-V族化合物中的雜質(zhì)能級(jí)族化合物中的雜質(zhì)能級(jí) 以以GaAs中的雜質(zhì)為例中的雜質(zhì)為例,一般而言一般而言: 族族元素元素-傾向于傾向于占據(jù)占據(jù)Ga的位置的位置,是是受主受主 族族元素元素-傾向于傾向于占據(jù)占據(jù)As的位置的位置,是是施主施主 族族元素元素-占據(jù)占據(jù)As的位置的位置,是是受主受主 占據(jù)占據(jù)Ga的位置的位置,是是施施主主 III-V族化合物中的雜質(zhì)能級(jí)族化合物中的雜質(zhì)能級(jí) 1. I族元素 一般在砷化鎵中引入受主能級(jí)， 起受主作

30、用 銀受主能級(jí) (Ev+0.11)eV 金受主能級(jí) (Ev+0. 09)eV 鋰受主能級(jí) (Ev+0. 023)eV (Ev+0. 05)eV 銅五個(gè)受主能級(jí) (Ev+0. 23)eV (Ev+0. 14)eV (Ev+0. 19)eV (Ev+0. 24)eV (Ev+0. 44)eV III-V族化合物中的雜質(zhì)能級(jí)族化合物中的雜質(zhì)能級(jí) III-V族化合物中的雜質(zhì)能級(jí)族化合物中的雜質(zhì)能級(jí) v等電子陷阱俘獲載流子后成為帶電中心，這等電子陷阱俘獲載流子后成為帶電中心，這 一帶電中心由于庫(kù)侖作用又能俘獲另一種相一帶電中心由于庫(kù)侖作用又能俘獲另一種相 反符號(hào)的載流子，形成反符號(hào)的載流子，形成束縛激子

31、束縛激子。 v這種束縛激子在由間接帶隙半導(dǎo)體材料制造這種束縛激子在由間接帶隙半導(dǎo)體材料制造 的發(fā)光器件中起主要作用。的發(fā)光器件中起主要作用。 4. IV族元素族元素 v碳、硅、鍺、錫、鉛碳、硅、鍺、錫、鉛 v取代取代III族族原子原子, 起起施主施主雜質(zhì)作用。雜質(zhì)作用。 v取代取代V 族族原子原子, 起起受主受主作用。作用。 vIV族原子還可以雜亂地分布在族原子還可以雜亂地分布在III族原子族原子 和和V族原子的晶格點(diǎn)上，雜質(zhì)的總效果族原子的晶格點(diǎn)上，雜質(zhì)的總效果 是起施主作用還是受主作用，與摻雜濃是起施主作用還是受主作用，與摻雜濃 度及摻雜時(shí)外界條件有關(guān)。度及摻雜時(shí)外界條件有關(guān)。 v硅硅在砷

32、化鎵中既能在砷化鎵中既能取代鎵取代鎵，表現(xiàn)為，表現(xiàn)為施主施主雜質(zhì)；雜質(zhì)； 又能又能取代砷取代砷，表現(xiàn)為，表現(xiàn)為受主受主雜質(zhì)。雜質(zhì)。 這種性質(zhì)稱(chēng)為雜質(zhì)的這種性質(zhì)稱(chēng)為雜質(zhì)的雙性行為雙性行為。 v鍺、錫在砷化鎵中，表現(xiàn)出雙性行為鍺、錫在砷化鎵中，表現(xiàn)出雙性行為 。 v硅在磷化鎵中，表現(xiàn)出雙性行為。硅在磷化鎵中，表現(xiàn)出雙性行為。 vVI族原子氧、硫、硒、碲與族原子氧、硫、硒、碲與V族元素性質(zhì)相近，族元素性質(zhì)相近， 常取代族常取代族V原子，它們比族元素多一個(gè)價(jià)電子原子，它們比族元素多一個(gè)價(jià)電子 且容易失去，為施主雜質(zhì)，引入施主能級(jí)。且容易失去，為施主雜質(zhì)，引入施主能級(jí)。 v硫、硒、碲元素在砷化鎵中的能級(jí)

33、分別為硫、硒、碲元素在砷化鎵中的能級(jí)分別為 v硫、硒、碲在磷化鎵中的能級(jí)分別為硫、硒、碲在磷化鎵中的能級(jí)分別為 v氧在砷化鎵中，測(cè)得一個(gè)深施主能級(jí)為氧在砷化鎵中，測(cè)得一個(gè)深施主能級(jí)為 5. VI族元素族元素 2.3 2.3 缺陷、位錯(cuò)能級(jí)缺陷、位錯(cuò)能級(jí) v點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷 間隙原子間隙原子 空位空位 v位錯(cuò)位錯(cuò) v1、元素半導(dǎo)體中的點(diǎn)缺陷元素半導(dǎo)體中的點(diǎn)缺陷 空位 = Si = Si = Si = = Si Si = = Si = Si = Si = 原子的空位受主 一個(gè)空位和其四個(gè)近鄰原子的情況一個(gè)空位和其四個(gè)近鄰原子的情況 （a）產(chǎn)生一個(gè)空位而不考慮共價(jià)鍵重構(gòu)時(shí)的情形，）產(chǎn)生一個(gè)空位而不考慮共

34、價(jià)鍵重構(gòu)時(shí)的情形， 原胞保持正四面體對(duì)稱(chēng)；原胞保持正四面體對(duì)稱(chēng)； （b）共價(jià)鍵重）共價(jià)鍵重 構(gòu)的情形構(gòu)的情形,原子原子A趨向與原子趨向與原子B共價(jià)鍵共價(jià)鍵 合，原子合，原子C趨向與原子趨向與原子D共價(jià)鍵合，結(jié)果發(fā)生畸變。共價(jià)鍵合，結(jié)果發(fā)生畸變。 間隙原子 Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si 間隙原子缺陷起施主作用間隙原子缺陷起施主作用 v2、化合物半導(dǎo)體中的點(diǎn)缺陷、化合物半導(dǎo)體中的點(diǎn)缺陷 p空位空位VGa、VAs p間隙原子間隙原子GaI、AsI p反結(jié)構(gòu)缺陷反結(jié)構(gòu)缺陷 Ga原子占據(jù)原子占據(jù)As空位空位 As原子占據(jù)原子占據(jù)Ga空位空位 記為記為GaAs和和AsGa。 v當(dāng)Ga的位置被As取