半導(dǎo)體物理學(xué)-半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)

1、第二章第二章 半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級(jí)半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級(jí)第二章第二章 半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級(jí)半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級(jí)第二章第二章 半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級(jí)半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級(jí)第二章第二章 半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級(jí)半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級(jí)實(shí)際晶體理想晶體原子在平衡位置附近振動(dòng)原子靜止在嚴(yán)格周期性的晶格格點(diǎn)位置不純凈，含有雜質(zhì)純凈存在點(diǎn)、線、面缺陷晶格結(jié)構(gòu)完整無缺雜質(zhì)：半導(dǎo)體晶格中存在的與組成半導(dǎo)體材料的元素不同的其他元素的原子。缺陷缺陷點(diǎn)缺陷，如空位、間隙原子、替位原子等線缺陷，如位錯(cuò)等面缺陷，如層錯(cuò)、晶粒間界等雜質(zhì)和缺陷雜質(zhì)和缺陷原子的周期性勢(shì)場(chǎng)受到破壞原子的周期性勢(shì)場(chǎng)受到破壞在禁

2、帶中引入能級(jí)在禁帶中引入能級(jí)決定半導(dǎo)體的物理和化學(xué)性質(zhì)決定半導(dǎo)體的物理和化學(xué)性質(zhì)金鋼石晶體結(jié)構(gòu)中的四面體間隙位置 內(nèi)部4個(gè)原子構(gòu)成T空隙金鋼石晶體結(jié)構(gòu)中的六角形間隙位置3個(gè)鄰位面心+3個(gè)內(nèi)部原子構(gòu)成H空隙SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiPSiSiSiSi 施施 主主 摻摻 雜（摻磷雜（摻磷）SiP+SiSiSiSiSiSiSi-磷替代硅，其效果是磷替代硅，其效果是形成一個(gè)正電中心形成一個(gè)正電中心P+和一個(gè)多余的價(jià)電子。和一個(gè)多余的價(jià)電子。這個(gè)多余的價(jià)電子就這個(gè)多余的價(jià)電子就束縛在正電中心束縛在正電中心P+的的周圍（弱束縛）。周圍（弱束縛）。 SiP對(duì)于對(duì)于Si中的中

3、的P原子，原子，剩余電子的運(yùn)動(dòng)剩余電子的運(yùn)動(dòng)半徑：半徑：r 65 Si的晶格常數(shù)為的晶格常數(shù)為 5.4對(duì)于Ge中的P原子，r 85 +4+4+5+4多余多余價(jià)電子價(jià)電子磷原子磷原子帶有分立的施主能級(jí)帶有分立的施主能級(jí)的能帶圖的能帶圖施主能級(jí)電離能帶圖施主能級(jí)電離能帶圖P 的濃度/Si 原子的濃度=10-6 Si 的原子濃度為 10221023/cm3 摻施主的半導(dǎo)體的導(dǎo)帶電子數(shù)主要由施摻施主的半導(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主決定，半導(dǎo)體導(dǎo)電的載流子主要是電子（電子數(shù)（電子數(shù)空穴數(shù)），對(duì)應(yīng)的半導(dǎo)體稱為空穴數(shù)），對(duì)應(yīng)的半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體。稱稱電子為多數(shù)載流

4、子電子為多數(shù)載流子，簡稱，簡稱多子多子，空穴為少空穴為少數(shù)載流子數(shù)載流子，簡稱，簡稱少子少子。 受受 主主 摻摻 雜（摻硼）雜（摻硼）SiB-SiSiSiSiSiSiSi+硼原子接受一個(gè)電子后，硼原子接受一個(gè)電子后，成為帶負(fù)電的硼離子，成為帶負(fù)電的硼離子，稱為負(fù)電中心（稱為負(fù)電中心（B- ） 。帶負(fù)電的硼離子和帶正帶負(fù)電的硼離子和帶正電的空穴間有靜電引力電的空穴間有靜電引力作用，這個(gè)空穴受到硼作用，這個(gè)空穴受到硼離子的束縛，在硼離子離子的束縛，在硼離子附近運(yùn)動(dòng)。附近運(yùn)動(dòng)。空穴空穴B-+4+4+3+4受主能級(jí)電離能帶圖受主能級(jí)電離能帶圖帶有分立的受主能級(jí)帶有分立的受主能級(jí)的能帶圖的能帶圖 被受主

5、雜質(zhì)束縛的空穴的能量狀態(tài)稱為受主能級(jí)EA。 施主能級(jí)位于離價(jià)帶頂很近的禁帶中 雜質(zhì)原子間的相互作用可忽略，某一種雜質(zhì)的受主能級(jí)是一些具有相同能量的孤立能級(jí)。表2-2 硅、鍺晶體中III族雜質(zhì)的電離能(eV) 摻受主的半導(dǎo)體的價(jià)帶空穴數(shù)由受摻受主的半導(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主決定，半導(dǎo)體導(dǎo)電的載流子主要是空穴（空穴數(shù)穴（空穴數(shù)電子數(shù)），對(duì)應(yīng)的半導(dǎo)體電子數(shù)），對(duì)應(yīng)的半導(dǎo)體稱為稱為P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體?？昭槎嘧?，電子為少子?？昭槎嘧?，電子為少子。 施主和受主濃度：施主和受主濃度：ND、NA施主：施主：Donor，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半

6、導(dǎo)體中 提供導(dǎo)電的電子，并成為帶正電的離子。如提供導(dǎo)電的電子，并成為帶正電的離子。如 Si中摻的中摻的P 和和As受主：受主：Acceptor，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中 提供導(dǎo)電的空穴，并成為帶負(fù)電的離子。如提供導(dǎo)電的空穴，并成為帶負(fù)電的離子。如 Si中摻的中摻的B 總結(jié) 淺能級(jí)雜質(zhì)：引入能級(jí)接近導(dǎo)帶底Ec的施主雜質(zhì)或引入能級(jí)接近價(jià)帶頂Ev的受主雜質(zhì)。其作用是改變半導(dǎo)體導(dǎo)電類型和調(diào)節(jié)導(dǎo)電能力，例如室溫下，硅、鍺中III、V族雜質(zhì)幾乎全部電離。 深能級(jí)雜質(zhì)：引入能級(jí)遠(yuǎn)離導(dǎo)帶底Ec 的施主雜質(zhì)或引入能級(jí)遠(yuǎn)離價(jià)帶頂Ev的受主雜質(zhì)。一般作為復(fù)合中心，它對(duì)載流子和導(dǎo)

7、電類型影響較小。2220408nhqmEnn=1時(shí),基態(tài)電子能量eVhqmE6 .138220401n=時(shí)，氫原子電離E=0氫原子的電離能eVEEE6 .1310eVEEE6 .131020*200*22024*6 .138rnrnrnDmmEmmhqmE0*26. 0mmn12reVED025. 00*12. 0mmn0*12. 0mmn0*12. 0mmn16reVED0064. 020*200*22024*6 .138rPrPrPAmmEmmhqmE0*02*20202020rmmnmqhrmqhrnrnr基態(tài)下（n=1），氫原子的軌道半徑：nmr05301.n在半導(dǎo)體中，若同時(shí)存在著在

8、半導(dǎo)體中，若同時(shí)存在著施主施主和和受主受主雜質(zhì)，施雜質(zhì)，施受主雜質(zhì)之間有受主雜質(zhì)之間有互相抵消互相抵消的作用，通常稱為的作用，通常稱為雜質(zhì)雜質(zhì)的補(bǔ)償作用的補(bǔ)償作用。一共有如下三種情況：。一共有如下三種情況：NDNANANDNANDNDNA因?yàn)槭苤髂芗?jí)低于施主能級(jí)，所以施主雜質(zhì)的電子首先躍遷到NA個(gè)受主能級(jí)上，還有ND-NA個(gè)電子在施主能級(jí)上，雜質(zhì)全部電離時(shí)，躍遷到導(dǎo)帶中的導(dǎo)電電子的濃度為n= ND-NA。即則有效施主濃度為NDeff ND-NAECEVEDEA2、 當(dāng)當(dāng)NAND 施主能級(jí)上的全部電子躍遷到受主能級(jí)上，施主能級(jí)上的全部電子躍遷到受主能級(jí)上，受主能級(jí)上還有受主能級(jí)上還有NA-ND個(gè)

9、空穴，它們可接受價(jià)個(gè)空穴，它們可接受價(jià)帶上的帶上的NA-ND個(gè)電子，在價(jià)帶中形成的空穴濃個(gè)電子，在價(jià)帶中形成的空穴濃度度p= NA-ND. 即有效受主濃度為即有效受主濃度為NAeff NA-NDECEVEDEA3、當(dāng)NAND時(shí)， 不能向?qū)Ш蛢r(jià)帶提供電子和空穴，稱為雜質(zhì)的高度補(bǔ)償。 這種材料容易被誤認(rèn)高純半導(dǎo)體，實(shí)際上含雜質(zhì)很多，性能很差， 不能用來制造半導(dǎo)體器件。 雜質(zhì)補(bǔ)償作用是制造各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。雜質(zhì)補(bǔ)償作用是制造各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。 如能根據(jù)需要用擴(kuò)散或離子注人方法來改變半導(dǎo)如能根據(jù)需要用擴(kuò)散或離子注人方法來改變半導(dǎo)體中某一區(qū)域的導(dǎo)電類型，以制成各種器件體中某一區(qū)域的導(dǎo)電類型，以

10、制成各種器件. 晶體管制造過程中的雜質(zhì)補(bǔ)償晶體管制造過程中的雜質(zhì)補(bǔ)償n型型Si外延層外延層PN硼磷NN金在鍺中產(chǎn)生的能級(jí)金在鍺中產(chǎn)生的能級(jí)中性金原子Au0只有一個(gè)價(jià)電子，它取代鍺原子后，金的這一價(jià)電子可以電離躍遷到導(dǎo)帶，形成深施主能級(jí)ED。它也可以從價(jià)帶接受13個(gè)電子，形成三個(gè)深受主能級(jí)。所以，在鍺中金有5種荷電狀態(tài)， Au+, Au0, Au-, Au, AuECEVEDEA1EiEA2EA30.040.200.150.04金在鍺中的能級(jí)金在鍺中的能級(jí)金在鍺中產(chǎn)生的能級(jí)金在鍺中產(chǎn)生的能級(jí)金在鍺中產(chǎn)生的 ED是深施主能級(jí)，EA1、EA2和EA3是Au0依次接受1個(gè)、2個(gè)、3個(gè)電子后形成的深受主

11、能級(jí)， 由于電子間的庫侖排斥作用，接受2個(gè)電子比接受1個(gè)電子所需電離能大，而接受3個(gè)電子比接受2個(gè)電子所需電離能還大，Au-，Au，Au能級(jí)逐漸升高。ECEVEDEA1EiEA2EA30.040.200.150.04金在鍺中的能級(jí)金在鍺中的能級(jí)金在硅中產(chǎn)生的深能級(jí)金在硅中產(chǎn)生的深能級(jí)金在硅中只觀測(cè)1個(gè)深施主能級(jí)和1個(gè)深受主能級(jí)，這可能是由于其他施主態(tài)和受主態(tài)的電離能大于禁帶寬度，相應(yīng)的施主能級(jí)和受主能級(jí)進(jìn)入了價(jià)帶和導(dǎo)帶，所以在禁帶中已經(jīng)測(cè)不到了?，F(xiàn)在常用深能級(jí)瞬態(tài)譜測(cè)量雜質(zhì)的深能級(jí)。金是一種典型的復(fù)合中心，在制造高速開關(guān)器件時(shí)，常有意摻入金以提高器件的響應(yīng)速度。深能級(jí)雜質(zhì)的電離能常采用類氦模型?？偨Y(jié)：深能級(jí)雜質(zhì)能夠產(chǎn)生多次電離，在禁帶中引入多個(gè)能級(jí)。深能級(jí)雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型和載流子濃度影響較小，但是它們對(duì)于載流子的復(fù)合作用很強(qiáng)，稱為復(fù)合中心。晶體雜質(zhì)GaAsGaPGaAs、GaP晶體中受主雜質(zhì)的電離能晶體中受主雜質(zhì)的電離能GaAs電子濃度和硅雜質(zhì)濃度的關(guān)系電子濃度和硅雜質(zhì)濃度的關(guān)系晶體雜質(zhì)GaAsGaPGaAs、GaP晶體中受主雜質(zhì)的電離能晶體中受主雜質(zhì)的電離能 (eV) 間隙原子缺陷：間隙原子缺陷：只有間隙原子而無原子空位只有間隙原子而無原子空位肖特基缺陷：肖特基缺陷：n2.3.2