半導體物理學劉恩科第七版第2章雜質和缺陷

1、第2章 半導體中雜質和缺陷2.1 硅鍺晶體中的雜質能級q原子并非在格點上靜止不動，而是在平衡位置附件振動；原子并非在格點上靜止不動，而是在平衡位置附件振動；q材料不是絕對純凈，含若干材料不是絕對純凈，含若干雜質雜質 (外來的外來的)；q半導體晶格不是絕對完美，存在缺陷半導體晶格不是絕對完美，存在缺陷 (內在的內在的)實際晶體與理想本征晶體的區(qū)別實際晶體與理想本征晶體的區(qū)別缺陷分類：缺陷分類： 點缺陷（空位，間隙原子）點缺陷（空位，間隙原子）線缺陷（位錯）線缺陷（位錯）面缺陷（層錯，晶粒間界）面缺陷（層錯，晶粒間界）一般的硅平面器件，要求位錯密度在一般的硅平面器件，要求位錯密度在103cm-2以

2、以下，超過該值，將影響半導體的電導率和劣化器下，超過該值，將影響半導體的電導率和劣化器件的性能。件的性能。極微量的雜質和缺陷，極大影響半導體的物理、化學極微量的雜質和缺陷，極大影響半導體的物理、化學性質。性質。例如：硅中，以例如：硅中，以105：1的比例摻如的比例摻如B雜質，電導率增加雜質，電導率增加103倍倍雜質的雜質的影響影響1、改變周期性排布的原子產(chǎn)生的周期性改變周期性排布的原子產(chǎn)生的周期性勢場，勢場，破壞了原有的能帶結構，但可視破壞了原有的能帶結構，但可視為微擾，引入新的能級為微擾，引入新的能級2、提供 導電用 的載流子（電子、空穴）雜質原子位置區(qū)分：雜質原子位置區(qū)分：替位式雜質替位式

3、雜質間隙式雜質間隙式雜質2.1硅和鍺晶體中的雜質能級硅和鍺晶體中的雜質能級2.1.1 雜質類型劃分雜質類型劃分間隙式雜質：雜質原子位于晶間隙式雜質：雜質原子位于晶格原子的間隙位置；格原子的間隙位置；替位式雜質：雜質原子位于晶替位式雜質：雜質原子位于晶格原子的格點位置。格原子的格點位置。n替位式雜質q雜質原子的大小大小與晶體原子相似，價電子的殼層結構比殼層結構比較相近較相近。qIIIIII、V V族元素在硅、鍺中均為替位式雜質族元素在硅、鍺中均為替位式雜質。兩類型雜質的特點：間隙式雜質：雜質原子較小，如離子鋰 (Li+)半徑為0.068nm雜質濃度：單位體積中的雜質原子數(shù)，表示半導體雜質的含量。

4、 根據(jù)導電類型區(qū)分根據(jù)導電類型區(qū)分受主雜質受主雜質施主雜質施主雜質2、雜質類型、雜質類型2通常關注的參量：電離能和能級的位置通常關注的參量：電離能和能級的位置雜質的類雜質的類型劃分型劃分所處位置：間隙、替位導電類型：施、受主能級位置：淺、深能級分析雜質移動分析雜質導電分析非平衡載流子情況2.1.22.1.2施主雜質施主雜質 （濃度：（濃度：ND）、施主能級）、施主能級V族元素在硅鍺中是體位式摻雜，如摻磷原子，形成共價鍵后，剩余一個價電子。磷原子很容易失去多余的一個電子而成為帶正電的磷離子(P+),磷離子稱為正電中心(不能移動)。雜質電離：多余的一個電子掙脫雜質原子的束縛稱為導電電子的過程稱為雜

5、質電離。稱此類雜質為施主雜質或n型雜質。 硅、鍺硅、鍺中的n施主電離施主電離 qV族元素在硅、鍺中電離時能產(chǎn)生導電電子并形族元素在硅、鍺中電離時能產(chǎn)生導電電子并形成正電中心的雜質稱為成正電中心的雜質稱為施主雜質。n施主雜質未電離時是中性的，稱為束縛態(tài)或中施主雜質未電離時是中性的，稱為束縛態(tài)或中性態(tài)，電離后稱為離化態(tài)。性態(tài)，電離后稱為離化態(tài)。n雜質電離能：多余的價電子掙脫束縛稱為導電雜質電離能：多余的價電子掙脫束縛稱為導電電子所需要的能量。電子所需要的能量。n型半導體型半導體主要靠導帶電子導電的半導體。SiSi、GeGe而言，施主通常是而言，施主通常是V V族元素。電離能較小，族元素。電離能較小

6、，在在SiSi中約中約0.040.040.05eV0.05eV，GeGe中約中約0.01eV0.01eV。 施主雜質電子施主雜質電子導帶電子所需要的能量，稱為導帶電子所需要的能量，稱為施主雜質電電離能離能 ED ：施主能級施主能級：在半導體中引入施主雜質，將在帶隙中引入施主：在半導體中引入施主雜質，將在帶隙中引入施主能級。能級。 即被施主雜質束縛的電子的能量狀態(tài)。記為即被施主雜質束縛的電子的能量狀態(tài)。記為 E ED D。2.1.32.1.3受主雜質受主雜質 (濃度：NA)受主電離：能夠接受電子而產(chǎn)受主電離：能夠接受電子而產(chǎn)生導電空穴，形成負電中心的生導電空穴，形成負電中心的過程。過程。受主能級

7、受主能級半導體中引入受主雜質，在帶隙內引入能級，即被受主雜質束縛的空穴的能量狀態(tài)，記為EA。p型半導體型半導體依靠價帶空穴導電的半導體。SiSi、GeGe而言，施主通常是而言，施主通常是IIIIII族元素。電離能較小，在族元素。電離能較小，在SiSi中中約約0.0450.0450.065eV0.065eV【InIn是唯一是唯一例外，達例外，達0.16eV0.16eV】，】，GeGe中約中約0.01eV0.01eV。 雜質空穴價帶空穴所需要的能量。受主雜質電離能電離能EA：3、雜質的劃分類型、雜質的劃分類型3淺能級雜質深能級雜質根據(jù)雜質能級位置劃分施主能級很接近導帶底，受主能級很接近價帶頂。施主

8、能級很接近導帶底，受主能級很接近價帶頂。稱為淺能級雜質。稱為淺能級雜質。室溫下，室溫下，、族雜質基本全部電離。族雜質基本全部電離。硅、鍺中摻入V族的磷原子雜質時，磷原子周圍比硅原子周圍多一個束縛著的價電子。好像在硅、鍺晶體中多加了一個“氫原子”。雜質原子氫原子多余的價電子氫外層電子4 4、淺能級雜質電離能簡單計算、淺能級雜質電離能簡單計算類氫模型類氫模型氫原子電離后，電子位于無窮遠處，受束縛力很弱，也是準自由電子。雜質離化后，雜質電子進入導帶，成準自由電子；401220m qE, E08h 42022208nm q ZEh n q氫原子中的電子能量：氫原子中的電子能量：qn=1,2,3，為主量

9、子數(shù)，eVhqmEEE6 .1382204010n氫原子基態(tài)電子的電離能q當n=1和無窮時n考慮到晶體中正、負電荷處于介電常數(shù)介電常數(shù)=0r的介質中，且在周期勢場周期勢場中運動，電子的質量要用有效質量所以有22024*8hqmErnD200*22024*8rprpAEmmhqmE施主雜質電離能：受主雜質電離能：(2.2)(2.3)2204008hqmE200*rnDEmmE1、沒反映出雜質原子的影響。2、本身是一個近似模型。類氫模型的不足：類氫模型的不足：Si: r=12, ED=0.1mn*/m0，小于0.1eV. mn*=0.26 m0， ED=0.025 eV.Ge:r=16, ED=0

10、.05mn*/m0，小于0.05eV mn*=0.12 m0， ED=0.0046 eV.與實驗結果很符合。n例3 半導體硅單晶的介電常數(shù)為11.8，電子和空穴的有效質量備為mn*=0.26m0,mp*=0.30m0，利用類氫模型估計：(1). 施主和受主的電離能；(2). 基態(tài)電子軌道半徑；(3). 相鄰雜質原子的電子軌道將發(fā)生明顯交迭時(假設基態(tài)半徑發(fā)生交疊)，試估算此時施主、受主濃度的數(shù)量級(此時可認為將形成雜質能帶)?問題： 若雜質原子濃度不斷增加，是否也會出現(xiàn)電子云交疊，即出現(xiàn)“共有化運動”？從而使孤立原子能級變成雜質能帶？n當當ND(施主雜質濃度施主雜質濃度)NA (受主雜質濃度受

11、主雜質濃度)q n(導帶中電子濃度)= ND-NA ND，半導體是n型的n當當NDNNA A, , 有效雜質濃度為有效雜質濃度為N ND D-NA-NA；反過來一樣。；反過來一樣。當當N ND DNNA A時：高度補償半導體，雜質很多，性能很差，不能時：高度補償半導體，雜質很多，性能很差，不能用來制造半導體用來制造半導體2.1.6、深能級雜質n深能級雜質特點：深能級雜質特點： 1、多為替位式雜質； 2、硅、鍺的禁帶中產(chǎn)生的施主能級距離導帶底和能級距離導帶底和 價帶頂較遠價帶頂較遠，形成深能級，稱為深能級雜質； n對Si、Ge而言，深能級雜質通常為非III、V族元素（圖2-9）。3、能多次電離多

12、次電離，每電離均產(chǎn)生一個對應能級。 4、含量少、含量少，且對載流子濃度影響較小【兩個原因】。復合作用明顯復合作用明顯，一般作為復合中心復合中心存在【非平衡時】 。n金是I族元素 (目前無完善的理論能夠說明，只能定性)q故可失去一個電子，施主能級略高于價帶頂；q也可得到三個電子，形成穩(wěn)定的共價鍵結構。 實際中，Au在Si：一受主、一施主能級。 在Ge中：三受主，一施主能級。 由于庫侖力的排斥庫侖力的排斥作用，后獲得電子的電離能大于先獲得電子的電離能。即EA3EA2EA1。金在Ge中ED、EA3、EA2、EA1四個孤立能級。2.2 III-V族化合物 （略）自習2.3.1點缺陷點缺陷1. 1. 熱

13、缺陷（由溫度決定）熱缺陷（由溫度決定） 晶格原子吸收熱能后擠入晶格間隙擠入晶格間隙，產(chǎn)生間隙原子,原來位置稱為空位。間隙原子與空位不斷產(chǎn)生與復合，最后達到熱平衡 (a).(a).弗倫克爾缺陷弗倫克爾缺陷 成對出現(xiàn)的間隙原子和空位。 (b).(b).肖特基缺陷肖特基缺陷 在晶體內只形成空位而沒有間隙原子。2.3缺陷、位錯能級3. 3. 替位原子替位原子( (反結構缺陷反結構缺陷) )： 對對ABAB化合物，化合物，A A取代取代B B寫為寫為A AB B, , 反過來，反過來，B B取代取代A A的位的位置為置為B BA A （小寫代表位置，大寫代表占據(jù)該位置的原子）。（小寫代表位置，大寫代表占據(jù)該位置的原子）?；匣衔锇胛锇雽w導體2. 2. 空位：空位： 由于偏離正常的化學成分比。位置上原子消失，形成點缺陷。點缺陷引入的能級類型間隙原子間隙原子有四個電子可以失去，所以傾向于表現(xiàn)出施主作用(也會起受主作用)。空位：空位：形成的鍵不飽和，易于接受電子，所以空位表現(xiàn)出受主作用；空位：空位：需要實際分析。GaAs中的鎵空位和砷空位均表現(xiàn)為受主作用；離子性強的化合物半導體（M,X），正離子空位是受主，負離子