半導體中雜質(zhì)和缺陷能級介紹

1、半導體中雜質(zhì)和缺陷能級介紹理想半導體：1、原子嚴格地周期性排列，晶體具有完整的晶格 結(jié)構(gòu)。2、晶體中無雜質(zhì)，無缺陷。3、電子在周期場中作共有化運動，形成允帶和禁帶電子能量只能處在允帶中的能級上，禁帶中無能級。由本征激發(fā)提供載流子本征半導體晶體具有完整的（完美的）晶格結(jié)構(gòu)，無任何雜質(zhì)和缺陷。 第二章 半導體中雜質(zhì)和缺陷能級實際材料中 總是有雜質(zhì)、缺陷，使周期場破壞，在雜質(zhì)或缺陷周圍引起局部性的量子態(tài)對應的能級常常處在禁帶中，對半導體的性質(zhì)起著決定性的影響。雜質(zhì)能級位于禁帶之中 Ec Ev 雜質(zhì)能級雜質(zhì)和缺陷原子的周期性勢場受到破壞在禁帶中引入能級決定半導體的物理和化學性質(zhì)2.1 硅、鍺晶體中的雜

2、質(zhì)能級 替位式雜質(zhì) 間隙式雜質(zhì)一個晶胞中包含有八個硅原子，若近似地把原子看成是半徑為r的圓球，則可以計算出這八個原子占據(jù)晶胞空間的百分數(shù)如下：說明，在金剛石型晶體中一個晶胞內(nèi)的8個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)原子進入半導體硅后，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：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) 施主能級族雜質(zhì)在硅、鍺中電離時，能夠施放電子而產(chǎn)生導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 以硅中摻磷P為例：磷原子占據(jù)硅原子的位置。磷原子有五個價電子。其中四個價電子與周圍的四個硅原于形成共價鍵，還剩余一個價電子。這個多余的價電子就束縛在正電中心P的周圍。價電子只要很少能量就可掙脫束縛，成為導電電子在晶格中自由運動這時磷原子就成為少了一個價電子的磷離子P，它是一個不能移動的正電中心。 在Si單晶中，V族施主替位

4、雜質(zhì)兩種荷電狀態(tài)的價鍵圖2.1.2 施主雜質(zhì) 施主能級上述電子脫離雜質(zhì)原子的束縛成為導電電子的過程稱為雜質(zhì)電離這個多余的價電子掙脫束縛成為導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的帶正電的施主離子，同時向?qū)峁╇娮?，使半導體成為電子導電的n型半導體。施主電離能：ED=EC-ED ED=EC-EDEgECEDEV2.1.2 施主雜質(zhì) 施主能級2.1.2 施主雜質(zhì) 施主能級施主雜質(zhì)的電離過程，可以用能帶圖表示如圖2-4所示.當電子得到能量后，就從施主的束縛態(tài)躍遷到導帶成為導電電子，所以電子被施主雜質(zhì)束縛時的能量比導帶底 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，記為

5、 ，所以施主能級位于離導帶底很近的禁帶中 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2.1.3 受主雜質(zhì) 受主能級族雜質(zhì)在硅、鍺中能夠接受電子而產(chǎn)生導電空穴，并形成負電中心，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 以硅中摻硼B(yǎng)為例：B原子占據(jù)硅原子的位置。硼原子有三個價電子。與周圍的四個硅原子形成共價鍵時還缺一個電子，就從別處奪取價電子，這就在Si形成了一個空穴。這時B原子就成為多了一個價電子的硼離子B，它是一個不能移動的負電中心?？昭ㄊ`在正電中心B的周圍?？昭ㄖ灰苌倌芰烤涂蓲昝撌`，成為導電空穴

6、在晶格中自由運動 在Si單晶中，族受主替位雜質(zhì)兩種荷電狀態(tài)的價鍵2.1.3 受主雜質(zhì) 受主能級使空穴掙脫束縛成為導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的帶負電的受主離子，同時向價帶提供空穴，使半導體成為空穴導電的p型半導體。受主電離能： EA=EA-EVEgEAEAEVEC2.1.3 受主雜質(zhì) 受主能級2.1.3 受主雜質(zhì) 受主能級受主雜質(zhì)的電離過程，可以用能帶圖表示如圖2-6所示.當空穴得到能量后，就從受主的束縛態(tài)躍遷到價帶成為導電空穴，所以空穴被受主雜質(zhì)束縛時的能量比價帶頂 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，記為 ，所以受主能級位于離價帶頂很近的

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2.1.4 淺能級雜質(zhì)電離能的簡單計算淺能級雜質(zhì)：電離能小的雜質(zhì)稱為淺能級雜質(zhì)。所謂淺能級，是指施主能級靠近導帶底，受主能級靠近價帶頂。室溫下，摻雜濃度不很高的情況下，淺能級雜質(zhì)幾乎可以全部電離。五價元素磷（P）、銻（Sb）在硅、鍺中是淺施主雜質(zhì)，三價元素硼（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 淺能級雜質(zhì)電離能的簡單計算2.1.4 淺能級雜質(zhì)電離能的簡單計算類氫模型

8、2.1.5 雜質(zhì)的補償作用雜質(zhì)補償：半導體中存在施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)時，它們的共同作用會使載流子減少，這種作用稱為雜質(zhì)補償。在制造半導體器件的過程中，通過采用雜質(zhì)補償?shù)姆椒▉砀淖儼雽w某個區(qū)域的導電類型或電阻率。 高度補償：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)的高度補償。這種材料容易被誤認為高純度半導體，實際上含雜質(zhì)很多，性能很差，一般不能用來制造半導體器件。 1，NDNA時： n型半導體 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帶上。有效的施主濃度 ND*=ND-NA

9、2.1.5 雜質(zhì)的補償作用EcED電離施主電離受主EvEA2， NAND時： p型半導體 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帶上。有效的受主濃度 NA*=NA-ND2.1.5 雜質(zhì)的補償作用EcEDEAEv電離施主電離受主3，NAND時：雜質(zhì)的高度補償2.1.5 雜質(zhì)的補償作用EcEvEAED不能向?qū)Ш蛢r帶提供電子和空穴2.1.6 深能級雜質(zhì)深能級雜質(zhì)：非族雜質(zhì)在Si、Ge的禁帶中產(chǎn)生的施主能級遠離導帶底，受主能級遠離價帶頂。雜質(zhì)電離能大，能夠產(chǎn)生多次電離（1）淺能級雜質(zhì)EDEgEAEg（2）深能級雜質(zhì)EDE

10、gEAEg2.1.6 深能級雜質(zhì)例如：在Ge中摻Au Au的電子組態(tài)為：5s25p65d106s12.1.6 深能級雜質(zhì)1，Au失去一個電子施主 Au0 e Au+ED=EV2.1.6 深能級雜質(zhì)EcEvED2，Au獲得一個電子受主 Au0 e Au-EA1= EV2.1.6 深能級雜質(zhì)EcEvEDEA13，Au獲得第二個電子 Au- e Au-EA2=EC2.1.6 深能級雜質(zhì)EcEvEDEA1EA24，Au獲得第三個電子 Au- e Au-EcEvEDEA3=EC2.1.6 深能級雜質(zhì)EA1EA2EA32.1.6 深能級雜質(zhì)三個基本特點：一、是不容易電離，對載流子濃度影響不大；二、一般會產(chǎn)

11、生多重能級，甚至既產(chǎn)生施主能級也產(chǎn)生受主能級。三、能起到復合中心作用，使少數(shù)載流子壽命降低（在第五章詳細討論）。四、深能級雜質(zhì)電離后為帶電中心，對載流子起散射作用，使載流子遷移率減少，導電性能下降。2.2 化合物半導體中的雜質(zhì)能級 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 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 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，它們可以吸引一個導帶電子（空穴）而變成負（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的載流子后，又因帶電中心的庫侖作用又俘獲另一種帶電符號的載流子，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產(chǎn)生雙性行為，即硅的濃度較低時主要起施主雜質(zhì)作用，當硅的濃度較高時，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： 因為在硅雜質(zhì)濃度較高時，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，因而對于取代族原子鎵的硅施主雜質(zhì)起到補償作用，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 半導體中的缺陷、位錯能級 點缺陷（熱缺陷）point defects/thermaldefects 點缺陷的種類：弗侖克耳缺陷：原子空位和間隙原子同時存在肖特基缺陷：晶體中只有晶格原子空位間隙原子缺陷：只有間隙原子而無原子空位點缺陷點缺陷（熱缺陷）特點 ：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。半導體器件生產(chǎn)工藝中， 經(jīng)高溫加工（如擴散）后的晶片一般都需要進行退火處 理。離子注入形成的缺陷也用