半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)介紹

1、半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)介紹理想半導(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)實(shí)際材料中 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)半導(dǎo)體的性質(zhì)起著決定性的影響。雜質(zhì)能級(jí)位于禁帶之中 Ec Ev 雜質(zhì)能級(jí)雜質(zhì)和缺陷原子的周期性勢(shì)場(chǎng)受到破壞在禁帶中引入能級(jí)決定半導(dǎo)體的物理和化學(xué)性質(zhì)2.1 硅、鍺晶體中的雜

2、質(zhì)能級(jí) 替位式雜質(zhì) 間隙式雜質(zhì)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r的圓球，則可以計(jì)算出這八個(gè)原子占據(jù)晶胞空間的百分?jǐn)?shù)如下：說(shuō)明，在金剛石型晶體中一個(gè)晶胞內(nèi)的8個(gè)原子只占有晶胞體積的34%，還有66%是空隙2.1.1 替位式雜質(zhì) 間隙式雜質(zhì)金剛石型晶體結(jié)構(gòu)中的兩種空隙如圖2-1所示。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)體硅后，以兩種方式存在一種方式是雜質(zhì)原子位于晶格原子間的間隙位置，常稱為間隙式雜質(zhì)（A）另一種方式是雜質(zhì)原子取代晶格原子而位于晶格點(diǎn)處，常稱為替位式雜質(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)：間隙式雜質(zhì)原子

3、一般比較小，如：鋰離子，替位式雜質(zhì)：1）雜質(zhì)原子的大小與被取代的晶格原子的大小比較相近2）價(jià)電子殼層結(jié)構(gòu)比較相近如：族元素2.1.2 施主雜質(zhì) 施主能級(jí)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，稱它們?yōu)槭┲麟s質(zhì)或n型雜質(zhì)2.1.2 施主雜質(zhì) 施主能級(jí) 以硅中摻磷P為例：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。這個(gè)多余的價(jià)電子就束縛在正電中心P的周圍。價(jià)電子只要很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)這時(shí)磷原子就成為少了一個(gè)價(jià)電子的磷離子P，它是一個(gè)不能移動(dòng)的正電中心。 在Si單晶中，V族施主替位

4、雜質(zhì)兩種荷電狀態(tài)的價(jià)鍵圖2.1.2 施主雜質(zhì) 施主能級(jí)上述電子脫離雜質(zhì)原子的束縛成為導(dǎo)電電子的過(guò)程稱為雜質(zhì)電離這個(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雜質(zhì)電離能施主雜質(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)體成為電子導(dǎo)電的n型半導(dǎo)體。施主電離能：ED=EC-ED ED=EC-EDEgECEDEV2.1.2 施主雜質(zhì) 施主能級(jí)2.1.2 施主雜質(zhì) 施主能級(jí)施主雜質(zhì)的電離過(guò)程，可以用能帶圖表示如圖2-4所示.當(dāng)電子得到能量后，就從施主的束縛態(tài)躍遷到導(dǎo)帶成為導(dǎo)電電子，所以電子被施主雜質(zhì)束縛時(shí)的能量比導(dǎo)帶底 低 。將被施主雜質(zhì)束縛的電子的能量狀態(tài)稱為施主能級(jí)，記為

5、 ，所以施主能級(jí)位于離導(dǎo)帶底很近的禁帶中 Si、Ge中族雜質(zhì)的電離能ED（eV） 晶 雜 質(zhì) 體 P As Sb Si Ge2.1.2 施主雜質(zhì) 施主能級(jí)2.1.3 受主雜質(zhì) 受主能級(jí)族雜質(zhì)在硅、鍺中能夠接受電子而產(chǎn)生導(dǎo)電空穴，并形成負(fù)電中心，所以稱它們?yōu)槭苤麟s質(zhì)或p型雜質(zhì)。2.1.3 受主雜質(zhì) 受主能級(jí) 以硅中摻硼B(yǎng)為例：B原子占據(jù)硅原子的位置。硼原子有三個(gè)價(jià)電子。與周圍的四個(gè)硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)還缺一個(gè)電子，就從別處奪取價(jià)電子，這就在Si形成了一個(gè)空穴。這時(shí)B原子就成為多了一個(gè)價(jià)電子的硼離子B，它是一個(gè)不能移動(dòng)的負(fù)電中心。空穴束縛在正電中心B的周圍?？昭ㄖ灰苌倌芰烤涂蓲昝撌`，成為導(dǎo)電空穴

6、在晶格中自由運(yùn)動(dòng) 在Si單晶中，族受主替位雜質(zhì)兩種荷電狀態(tài)的價(jià)鍵2.1.3 受主雜質(zhì) 受主能級(jí)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)體成為空穴導(dǎo)電的p型半導(dǎo)體。受主電離能： EA=EA-EVEgEAEAEVEC2.1.3 受主雜質(zhì) 受主能級(jí)2.1.3 受主雜質(zhì) 受主能級(jí)受主雜質(zhì)的電離過(guò)程，可以用能帶圖表示如圖2-6所示.當(dāng)空穴得到能量后，就從受主的束縛態(tài)躍遷到價(jià)帶成為導(dǎo)電空穴，所以空穴被受主雜質(zhì)束縛時(shí)的能量比價(jià)帶頂 高 。將被受主雜質(zhì)束縛的空穴的能量狀態(tài)稱為受主能級(jí)，記為 ，所以受主能級(jí)位于離價(jià)帶頂很近的

7、禁帶中Si、Ge中族雜質(zhì)的電離能EA（eV） 晶 雜 質(zhì)體 B Al Ga In Si 0.045 0.057 0.065 0.16 Ge 2.1.3 受主雜質(zhì) 受主能級(jí)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)：電離能小的雜質(zhì)稱為淺能級(jí)雜質(zhì)。所謂淺能級(jí)，是指施主能級(jí)靠近導(dǎo)帶底，受主能級(jí)靠近價(jià)帶頂。室溫下，摻雜濃度不很高的情況下，淺能級(jí)雜質(zhì)幾乎可以全部電離。五價(jià)元素磷（P）、銻（Sb）在硅、鍺中是淺施主雜質(zhì)，三價(jià)元素硼（B）、鋁（Al）、鎵（Ga）、銦（In）在硅、鍺中為淺受主雜質(zhì)。氫原子基態(tài)電子的電離能2.1.4 淺能級(jí)雜質(zhì)電離能的簡(jiǎn)單計(jì)算2.1.4 淺能級(jí)雜質(zhì)電離能的簡(jiǎn)單計(jì)算類氫模型

8、2.1.5 雜質(zhì)的補(bǔ)償作用雜質(zhì)補(bǔ)償：半導(dǎo)體中存在施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)時(shí)，它們的共同作用會(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)體器件的過(guò)程中，通過(guò)采用雜質(zhì)補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)改變半導(dǎo)體某個(gè)區(qū)域的導(dǎo)電類型或電阻率。 高度補(bǔ)償：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，這種情況稱為雜質(zhì)的高度補(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，一般不能用來(lái)制造半導(dǎo)體器件。 1，NDNA時(shí)： n型半導(dǎo)體 因 EA 在 ED 之下， ED上的束縛電子首先填充EA上的空位，即施主與受主先相互“抵消”，剩余的束縛電子再電離到導(dǎo)帶上。有效的施主濃度 ND*=ND-NA

9、2.1.5 雜質(zhì)的補(bǔ)償作用EcED電離施主電離受主EvEA2， NAND時(shí)： p型半導(dǎo)體 因 EA 在 ED 之下， ED上的束縛電子首先填充EA上的空位，即施主與受主先相互“抵消”，剩余的束縛空穴再電離到價(jià)帶上。有效的受主濃度 NA*=NA-ND2.1.5 雜質(zhì)的補(bǔ)償作用EcEDEAEv電離施主電離受主3，NAND時(shí)：雜質(zhì)的高度補(bǔ)償2.1.5 雜質(zhì)的補(bǔ)償作用EcEvEAED不能向?qū)Ш蛢r(jià)帶提供電子和空穴2.1.6 深能級(jí)雜質(zhì)深能級(jí)雜質(zhì)：非族雜質(zhì)在Si、Ge的禁帶中產(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)帶頂。雜質(zhì)電離能大，能夠產(chǎn)生多次電離（1）淺能級(jí)雜質(zhì)EDEgEAEg（2）深能級(jí)雜質(zhì)EDE

10、gEAEg2.1.6 深能級(jí)雜質(zhì)例如：在Ge中摻Au Au的電子組態(tài)為：5s25p65d106s12.1.6 深能級(jí)雜質(zhì)1，Au失去一個(gè)電子施主 Au0 e Au+ED=EV2.1.6 深能級(jí)雜質(zhì)EcEvED2，Au獲得一個(gè)電子受主 Au0 e Au-EA1= EV2.1.6 深能級(jí)雜質(zhì)EcEvEDEA13，Au獲得第二個(gè)電子 Au- e Au-EA2=EC2.1.6 深能級(jí)雜質(zhì)EcEvEDEA1EA24，Au獲得第三個(gè)電子 Au- e Au-EcEvEDEA3=EC2.1.6 深能級(jí)雜質(zhì)EA1EA2EA32.1.6 深能級(jí)雜質(zhì)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；二、一般會(huì)產(chǎn)

11、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)。三、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）。四、深能級(jí)雜質(zhì)電離后為帶電中心，對(duì)載流子起散射作用，使載流子遷移率減少，導(dǎo)電性能下降。2.2 化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí) 雜質(zhì)在砷化鎵中的存在形式 四種情況：1）取代砷2）取代鎵3）填隙4）反位2.2.1 雜質(zhì)在砷化鎵中的存在形式 等電子雜質(zhì)效應(yīng) 1）等電子雜質(zhì) 特征：a、與本征元素同族但不同原子序數(shù) 例：GaP中摻入族的N或Bi b、以替位形式存在于晶體中，基本上 是電中性的。2.2.1 雜質(zhì)在砷化鎵中的存在形式 等電子雜質(zhì)效應(yīng) 2）等電子陷阱 等電子雜質(zhì)（如N）占據(jù)本征原子位置（如

12、GaP中的P位置）后，即 存在著由核心力引起的短程作用力，它們可以吸引一個(gè)導(dǎo)帶電子（空穴）而變成負(fù)（正）離子，前者就是電子陷阱，后者就是空穴陷阱。 N NP2.2.1 雜質(zhì)在砷化鎵中的存在形式 束縛激子例：GaP：N NP+e NP-（等電子陷阱）之后 NP- +h NP- +h 即等電子陷阱俘獲一種符號(hào)的載流子后，又因帶電中心的庫(kù)侖作用又俘獲另一種帶電符號(hào)的載流子，這就是束縛激子。束縛激子2.2.1 雜質(zhì)在砷化鎵中的存在形式 兩性雜質(zhì)舉例：GaAs中摻Si（族）SiGa受主SiAs施主在化合物半導(dǎo)體中，某種雜質(zhì)在其中既可以作施主又可以作受主，這種雜質(zhì)稱為兩性雜質(zhì)。兩性雜質(zhì)2.2.1 雜質(zhì)在砷

13、化鎵中的存在形式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雜質(zhì)作用。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V族砷原子而起著受主雜質(zhì)的作用，因而對(duì)于取代族原子鎵的硅施主雜質(zhì)起到補(bǔ)償作用，從而降低了有效施主雜質(zhì)的濃度，電子濃度趨于飽和。 2.3 半導(dǎo)體中的缺陷、位錯(cuò)能級(jí) 點(diǎn)缺陷（熱缺陷）point defects/thermaldefects 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)存在肖特基缺陷：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)原子空位點(diǎn)缺陷點(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最小淬火后可以“凍結(jié)”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