第二章_半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)(1)-王如剛

1、1第一章的主要內(nèi)容：第一章的主要內(nèi)容：1、固體的分類；、固體的分類；2、晶體的周期性決定了晶體中電子勢(shì)場(chǎng)的周期性，電子共、晶體的周期性決定了晶體中電子勢(shì)場(chǎng)的周期性，電子共有化的運(yùn)動(dòng)；有化的運(yùn)動(dòng)；3、晶體中的能帶形成，、晶體中的能帶形成，4、有效質(zhì)量、能帶寬度、速度、加速度等的概念及意義，、有效質(zhì)量、能帶寬度、速度、加速度等的概念及意義，晶體的導(dǎo)電性質(zhì)晶體的導(dǎo)電性質(zhì)2第二章第二章 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)理想半導(dǎo)體：理想半導(dǎo)體：1 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)。、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 2、晶體中無(wú)雜質(zhì)，無(wú)缺陷。、晶體中無(wú)雜質(zhì)，無(wú)

2、缺陷。3 3、電子在周期場(chǎng)中作共有化運(yùn)動(dòng)，形成允帶和禁帶、電子在周期場(chǎng)中作共有化運(yùn)動(dòng)，形成允帶和禁帶電子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)提供載流子供載流子本征半導(dǎo)體本征半導(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。雜質(zhì)和缺陷。實(shí)際半導(dǎo)體材料晶格中，總是存在偏離理想情況的各種復(fù)雜現(xiàn)象：實(shí)際半導(dǎo)體材料晶格中，總是存在偏離理想情況的各種復(fù)雜現(xiàn)象：1）原子并不是靜止；）原子并不是靜止；2）半導(dǎo)體材料并不是純凈的）半導(dǎo)體材料并不是純凈的3）晶體結(jié)構(gòu)不是完整無(wú)缺）晶體結(jié)構(gòu)不是完

3、整無(wú)缺能級(jí)接近導(dǎo)帶底Ec或價(jià)帶頂Ev；能級(jí)遠(yuǎn)離導(dǎo)帶底Ec或價(jià)帶頂Ev。點(diǎn)缺陷，如空位、間隙原子等線缺陷，如位錯(cuò)等面缺陷，如層錯(cuò)、晶粒間界等雜質(zhì)：半導(dǎo)體中存在的與本體元素不同的其它元素。雜質(zhì)：半導(dǎo)體中存在的與本體元素不同的其它元素。淺能級(jí)雜質(zhì)：淺能級(jí)雜質(zhì)：深能級(jí)雜質(zhì)：深能級(jí)雜質(zhì)：缺陷缺陷62.1.1 2.1.1 間隙式雜質(zhì)和替位式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì)和替位式雜質(zhì)2.1 Si、Ge晶體中的雜質(zhì)能級(jí)晶體中的雜質(zhì)能級(jí) 一般電子為晶體原子所束縛，同時(shí)，一般電子為晶體原子所束縛，同時(shí)，電子也可以受雜質(zhì)的束縛，電子也可以受雜質(zhì)的束縛，形成雜質(zhì)能級(jí)形成雜質(zhì)能級(jí)。電子也具有確定的能級(jí)，這種雜質(zhì)能級(jí)處于。電子也具有確定

4、的能級(jí)，這種雜質(zhì)能級(jí)處于禁帶禁帶（帶隙）之中（帶隙）之中，它們對(duì)實(shí)際半導(dǎo)體的性質(zhì)起著決定性作用。，它們對(duì)實(shí)際半導(dǎo)體的性質(zhì)起著決定性作用。硅原子間以硅原子間以共價(jià)鍵的方式結(jié)合成晶體共價(jià)鍵的方式結(jié)合成晶體，屬于金剛石型，每一個(gè)晶胞中包含，屬于金剛石型，每一個(gè)晶胞中包含有有8個(gè)硅原子個(gè)硅原子，若把原子近似地看成是半徑為，若把原子近似地看成是半徑為r的圓球，可以計(jì)算出這的圓球，可以計(jì)算出這8個(gè)個(gè)原子占據(jù)晶胞空間的百分?jǐn)?shù)。原子占據(jù)晶胞空間的百分?jǐn)?shù)。3348330.3416ra8個(gè)原子占據(jù)晶胞空間的百分?jǐn)?shù)個(gè)原子占據(jù)晶胞空間的百分?jǐn)?shù) 按照球形原子堆積模型，金剛石型晶體的一個(gè)原胞中的8個(gè)原子只占該晶胞體積的晶

5、胞體積的34，還有66是空隙。910半導(dǎo)體中間隙式雜質(zhì)和替位式雜質(zhì)A間隙式雜質(zhì)原子間隙式雜質(zhì)原子：原子半徑比較小，：原子半徑比較小，如：鋰離子，如：鋰離子，0.068nm雜質(zhì)濃度：?jiǎn)挝惑w積中的雜質(zhì)原子數(shù)雜質(zhì)濃度：?jiǎn)挝惑w積中的雜質(zhì)原子數(shù) 兩種雜質(zhì)特點(diǎn)：兩種雜質(zhì)特點(diǎn)：B替位式雜質(zhì)原子替位式雜質(zhì)原子：原子的大小與被：原子的大小與被 取代的晶體原子大小比較相近，價(jià)取代的晶體原子大小比較相近，價(jià) 電子電子 殼層結(jié)構(gòu)比較相近殼層結(jié)構(gòu)比較相近112.1.2 2.1.2 施主雜質(zhì)施主雜質(zhì) 施主能級(jí)施主能級(jí)12雜質(zhì)電離：雜質(zhì)電離：雜質(zhì)電離能：雜質(zhì)電離能： 施主雜質(zhì)未電離時(shí)是中性的，施主雜質(zhì)未電離時(shí)是中性的，稱為

6、稱為束縛態(tài)或者中性態(tài)束縛態(tài)或者中性態(tài)，電離后成，電離后成為正電中心，稱為為正電中心，稱為離化態(tài)離化態(tài)。13施主能級(jí)ED被施主雜質(zhì)束縛的多余的一個(gè)價(jià)電子狀態(tài)對(duì)應(yīng)的能量。142.1.3 2.1.3 受主雜質(zhì)、受主能級(jí)受主雜質(zhì)、受主能級(jí)p 硼摻入硅中硼摻入硅中, , 硼只有三個(gè)價(jià)電子硼只有三個(gè)價(jià)電子, ,與周圍的四個(gè)硅原子成鍵與周圍的四個(gè)硅原子成鍵時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)空穴。其它成鍵電子很容易來(lái)填補(bǔ)這個(gè)空穴。填時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)空穴。其它成鍵電子很容易來(lái)填補(bǔ)這個(gè)空穴。填補(bǔ)時(shí)，空穴激發(fā)到價(jià)帶（空穴電離，能量升高），同時(shí)硼原子補(bǔ)時(shí)，空穴激發(fā)到價(jià)帶（空穴電離，能量升高），同時(shí)硼原子成為負(fù)電中心。這一過(guò)程很容易發(fā)生，意味著

7、空穴電離能較小。成為負(fù)電中心。這一過(guò)程很容易發(fā)生，意味著空穴電離能較小。152.1.3 2.1.3 受主雜質(zhì)、受主能級(jí)受主雜質(zhì)、受主能級(jí)等價(jià)表述等價(jià)表述受主雜質(zhì)受主雜質(zhì)電離能電離能受主雜質(zhì)受主雜質(zhì)電離電離硼原子看成是一個(gè)負(fù)電中心束縛著一個(gè)空穴, 空穴很容易電離到價(jià)帶, 同時(shí)在硼原子處成為一個(gè)負(fù)電中心?？昭⊕昝撌苤麟s質(zhì)束縛的過(guò)程。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。P型半導(dǎo)體 在在SiSi、GeGe元素半導(dǎo)體和元素半導(dǎo)體和族化合物半導(dǎo)體等最重要的族化合物半導(dǎo)體等最重要的半導(dǎo)體材料中發(fā)現(xiàn)：半導(dǎo)體材料中發(fā)現(xiàn)： 加入多一個(gè)價(jià)電子的元素，如在加入多一個(gè)價(jià)電子的元素，如在Si Si 、GeGe

8、中加入中加入P P、AsAs、SbSb，或在，或在族化合物中加入族化合物中加入族元素，族元素，這些摻入的雜質(zhì)將成為施主這些摻入的雜質(zhì)將成為施主；2.1.4、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 如何計(jì)算、分析半導(dǎo)體中，雜質(zhì)的能級(jí)。介紹一種最簡(jiǎn)如何計(jì)算、分析半導(dǎo)體中，雜質(zhì)的能級(jí)。介紹一種最簡(jiǎn)單的一類雜質(zhì)能級(jí)單的一類雜質(zhì)能級(jí)類氫雜質(zhì)能級(jí)。類氫雜質(zhì)能級(jí)。 加入少一個(gè)價(jià)電子的元素，如在加入少一個(gè)價(jià)電子的元素，如在Si Si 、GeGe中加入中加入Al Al 、GaGa、InIn，或在，或在族化合物中加入族化合物中加入族元素，這些摻入的雜族元素，這些摻入的雜質(zhì)將成為受主質(zhì)將成為受主；

9、加入多一個(gè)價(jià)電子的替位式雜質(zhì)原子，在填滿價(jià)帶（飽加入多一個(gè)價(jià)電子的替位式雜質(zhì)原子，在填滿價(jià)帶（飽和周圍成鍵原子的共價(jià)鍵）之外和周圍成鍵原子的共價(jià)鍵）之外尚多余一個(gè)電子尚多余一個(gè)電子，同時(shí)，相，同時(shí)，相比原來(lái)的原子，比原來(lái)的原子，雜質(zhì)原子也多一個(gè)正電荷，雜質(zhì)原子也多一個(gè)正電荷，多余的正電荷正多余的正電荷正好束縛多余的電子，類似氫原子的情形。好束縛多余的電子，類似氫原子的情形。 加入加入少一個(gè)價(jià)電子的替位式雜質(zhì)原子少一個(gè)價(jià)電子的替位式雜質(zhì)原子，在與近鄰，在與近鄰4 4個(gè)原子形成共價(jià)鍵個(gè)原子形成共價(jià)鍵時(shí)，時(shí)，缺少了一個(gè)電子缺少了一個(gè)電子，這樣就使得此處的共價(jià)鍵中相比原來(lái)缺少了一個(gè)電，這樣就使得此處的

10、共價(jià)鍵中相比原來(lái)缺少了一個(gè)電子。其它價(jià)鍵中的電子很容易來(lái)填補(bǔ)這個(gè)空缺。這樣一來(lái)，雜質(zhì)處多了一子。其它價(jià)鍵中的電子很容易來(lái)填補(bǔ)這個(gè)空缺。這樣一來(lái)，雜質(zhì)處多了一個(gè)負(fù)電荷，個(gè)負(fù)電荷，同時(shí)滿帶處除去了一個(gè)電子，亦即多一個(gè)空穴。同時(shí)滿帶處除去了一個(gè)電子，亦即多一個(gè)空穴。如同這個(gè)空穴如同這個(gè)空穴可以被雜質(zhì)負(fù)電荷所束縛，并類似氫原子的情形，只有正負(fù)電荷對(duì)調(diào)了，可以被雜質(zhì)負(fù)電荷所束縛，并類似氫原子的情形，只有正負(fù)電荷對(duì)調(diào)了，這樣一個(gè)束縛的空穴相當(dāng)于一禁帶中一個(gè)空的受主能級(jí)。這樣一個(gè)束縛的空穴相當(dāng)于一禁帶中一個(gè)空的受主能級(jí)。192.1.4、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422202(4)

11、nmqEn )()(4202202rErrqmhn氫原子電子滿足薛定諤方程：可以解出能量本征值：可以解出能量本征值：基態(tài)氫原子的電離能基態(tài)氫原子的電離能E0:4122013.62(4)mqEeV n1時(shí)，得到基態(tài)能量， 時(shí)，是氫原子的電離態(tài)，n 0E01EEE422013.62(4)mqeV2.1.4、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r0 如果考慮晶體內(nèi)存在的雜質(zhì)原子，正負(fù)電荷是處于介電常如果考慮晶體內(nèi)存在的雜質(zhì)原子，正負(fù)電荷是處于介電常數(shù)為數(shù)為 的介質(zhì)中，那么電子受到的引力將減弱的介質(zhì)中，那么電子受到的引力將減弱 倍，倍，束縛能量將減弱束縛能量將減弱r2r*422202

12、(4)nDnrm qEn *42202(4)nDrm qE 修正后，施主雜質(zhì)電離能可以表示為：修正后，施主雜質(zhì)電離能可以表示為：*020nrm Em*42202(4)pDrm qE 修正后，受主雜質(zhì)電離能可以表示為：修正后，受主雜質(zhì)電離能可以表示為：*020prmEm估算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量值有相同數(shù)量級(jí) Ge： ED 0.0064 eV Si: ED 0.025 eV 按照以上方式所形成的施主和受主，稱為按照以上方式所形成的施主和受主，稱為類氫雜質(zhì)能級(jí)類氫雜質(zhì)能級(jí)，它，它們的束縛能很小，因此對(duì)產(chǎn)生導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴特別有效，們的束縛能很小，因此對(duì)產(chǎn)生導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴特別有效，它們往往在這些材料中

13、是決定導(dǎo)電性的主要雜質(zhì)。由于這類它們往往在這些材料中是決定導(dǎo)電性的主要雜質(zhì)。由于這類雜質(zhì)的束縛能很小，施主雜質(zhì)的束縛能很小，施主( (受主受主) )能級(jí)很靠近導(dǎo)帶能級(jí)很靠近導(dǎo)帶( (價(jià)帶價(jià)帶) )，又，又稱為稱為淺能級(jí)雜質(zhì)淺能級(jí)雜質(zhì)。 Si中幾種中幾種族施主電離能如下：族施主電離能如下： Si中幾種中幾種族受主電離能如下：族受主電離能如下：242.1.5 2.1.5 雜質(zhì)的補(bǔ)償作用雜質(zhì)的補(bǔ)償作用p 當(dāng)同一塊半導(dǎo)體中同時(shí)存在施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)時(shí)，這種兩種不同類型的雜質(zhì)有相互抵償?shù)淖饔?，稱為雜質(zhì)補(bǔ)償作用雜質(zhì)補(bǔ)償作用。p 補(bǔ)償后半導(dǎo)體中的凈雜質(zhì)濃度為有效雜質(zhì)濃度有效雜質(zhì)濃度，只有有效只有有效的雜質(zhì)濃

14、度才能有效地提供載流子濃度。的雜質(zhì)濃度才能有效地提供載流子濃度?？臻g角度的理解空間角度的理解：施主周圍有多余的價(jià)電子，受主周圍缺少價(jià)電子，施主多余的價(jià)電子正好填充受主周圍空缺的價(jià)鍵電子，使價(jià)鍵飽和，使系統(tǒng)能量降低，穩(wěn)定狀態(tài)。252.1.5 2.1.5 雜質(zhì)的補(bǔ)償作用雜質(zhì)的補(bǔ)償作用（a a）N ND DNNA ADADNNNnl ND NA時(shí),由于受主能級(jí)低于施主能級(jí), 施主雜質(zhì)的電子首先跳到受主雜質(zhì)的能級(jí)上，此時(shí)還有ND- NA個(gè)電子在施主能級(jí)上。l 在雜質(zhì)全部電離時(shí),它們躍遷到導(dǎo)帶成為導(dǎo)電電子,有ND- NA個(gè)導(dǎo)帶電子,半導(dǎo)體是n型的。能帶角度的理解：能帶角度的理解：262.1.5 2.1.

15、5 雜質(zhì)的補(bǔ)償作用雜質(zhì)的補(bǔ)償作用（b b）N ND D N NA AADANNNpl ND NA時(shí),由于受主能級(jí)低于施主能級(jí), 施主雜質(zhì)的電子首先跳到受主雜質(zhì)的能級(jí)上,此時(shí)還有NA- ND個(gè)空穴在受主能級(jí)上。l 在空穴全部電離時(shí)躍遷到價(jià)帶時(shí),有NA- ND個(gè)價(jià)帶空穴,半導(dǎo)體是p型的。272.1.6 2.1.6 深能級(jí)雜質(zhì)深能級(jí)雜質(zhì)淺能級(jí)雜質(zhì)淺能級(jí)雜質(zhì)通常情況下，半導(dǎo)體中些施主能級(jí)距離導(dǎo)帶底較近；或受主能能級(jí)距離價(jià)帶頂較近。深能級(jí)雜質(zhì)深能級(jí)雜質(zhì)若雜質(zhì)提供的施主能級(jí)距離導(dǎo)帶底較遠(yuǎn)；或提供的受主能能級(jí)距離價(jià)帶頂較遠(yuǎn)。l 許多深雜質(zhì)能級(jí)是由于雜質(zhì)的多次電離產(chǎn)生的.每一次電離相應(yīng)地有一個(gè)能級(jí)，這些雜質(zhì)在

16、硅或鍺的禁帶中往往引入若干個(gè)能級(jí)，而且有些雜質(zhì)還可以引入施主能級(jí)，又能引入受主能級(jí)。如：Au在Ge中產(chǎn)生四個(gè)深雜質(zhì)能級(jí),其中三個(gè)為受主能級(jí)，一個(gè)為施主能級(jí)。2.1.6 2.1.6 深能級(jí)雜質(zhì)深能級(jí)雜質(zhì)深能級(jí)雜質(zhì)的作用1. ED，EA 較大，雜質(zhì)電離作用較弱，對(duì)載流子（導(dǎo)電電子和空穴）濃度影響較??；2. 對(duì)載流子的復(fù)合作用較大（復(fù)合中心），降低非平衡載流子的壽命。作業(yè)：1、半導(dǎo)體硅單晶的介電常數(shù) ，電子和空穴的有效質(zhì)量各為 和 利用類氫模型估計(jì)：1）施主和受主電離能2）基態(tài)電子軌道半徑3）相鄰雜質(zhì)原子的電子軌道明顯交疊時(shí)，施主和受主濃度各為何值。11.8r1000.97,0.19nntmm mm

17、1000.16,0.53pptmm mm2、試解釋重?fù)诫s半導(dǎo)體使禁帶寬度變窄的原因。、試解釋重?fù)诫s半導(dǎo)體使禁帶寬度變窄的原因。作業(yè)作業(yè)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)2.2.1 GaAs中的雜質(zhì)等電子雜質(zhì)：是等價(jià)電子，與所取代的基體原子具有相同等電子雜質(zhì)：是等價(jià)電子，與所取代的基體原子具有相同價(jià)電子數(shù)的雜質(zhì)。價(jià)電子數(shù)的雜質(zhì)。 GaP中參入中參入N或或Bi，分別在禁帶中產(chǎn)生，分別在禁帶中產(chǎn)生Ec=-0.008eV，Ev= +0.038eV能級(jí)處。能級(jí)處。 N取代取代P后，比后，比P有更強(qiáng)的獲得電子的能力，常可吸引一個(gè)有更強(qiáng)的獲得電子的能力，?？晌粋€(gè)導(dǎo)帶中的電子變成帶負(fù)電的離子。導(dǎo)帶中的電子變成帶負(fù)電的離子。 Bi取代取代P后，比后，比P有更強(qiáng)的獲得空穴的能力，常可吸引一個(gè)有更強(qiáng)的獲得空穴的能力，常可吸引一個(gè)價(jià)帶中的空穴變成帶正電的離子。價(jià)帶中的空穴變成帶正電的離子。等電子雜質(zhì)等電子雜質(zhì) (等電子陷阱）等電子陷阱）2.2.1 GaAs中的雜質(zhì)362.3 2.3 缺陷和