半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)講解課件

1、2.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)2.2 -族化合物半導(dǎo)體的雜質(zhì)能級(jí)2.3 氮化鎵的雜質(zhì)能級(jí)2.4 缺陷和位錯(cuò)的能級(jí)第二章半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級(jí)2.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)2.1.1 替位式雜質(zhì) 間隙式雜質(zhì)Si和Ge都具有金鋼石結(jié)構(gòu)，一個(gè)原胞含有8個(gè)原子。原胞內(nèi)8個(gè)原子的體積與立方原胞體積之比為34%，原胞內(nèi)存在66%的空隙。金鋼石晶體結(jié)構(gòu)中的四面體間隙位置金鋼石晶體結(jié)構(gòu)中的六角形間隙位置雜質(zhì)原子進(jìn)入半導(dǎo)體硅后，只可能以兩種方式存在。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)；間隙式雜質(zhì)原子一般較小，如離子鋰（Li+）。另一種方式是雜質(zhì)原子取代晶格原子而位于晶格格點(diǎn)處，常稱為

2、替位式雜質(zhì)。替位式雜質(zhì)原子通常與被取代的晶格原子大小比較接近而且電子殼層結(jié)構(gòu)也相似。 用單位體積中的雜質(zhì)原子數(shù)，也就是雜質(zhì)濃度來定量描述雜質(zhì)含量多少，雜質(zhì)濃度的單位為1/cm3SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiPSiSiSiSi 施 主 摻 雜（摻磷）2.1.2 施主雜質(zhì)、施主能級(jí)SiP+SiSiSiSiSiSiSi- 磷替代硅，其效果是形成一個(gè)正電中心P+和一個(gè)多余的價(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（弱束縛）。+4+4+5+4多余價(jià)電子磷原子族元素有5個(gè)價(jià)電子，其中的四個(gè)價(jià)電子與周圍的四個(gè)硅原子形成共價(jià)鍵，還剩余一個(gè)電子，同時(shí)族原子所在處也多余一個(gè)

3、正電荷，稱為正離子中心，所以，一個(gè)族原子取代一個(gè)硅原子，其效果是形成一個(gè)正電中心和一個(gè)多余的電子。 電子脫離雜質(zhì)原子的束縛成為導(dǎo)電電子的過程稱為雜質(zhì)電離。 多余的電子束縛在正電中心，但這種束縛很弱 很小的能量就可使電子擺脫束縛，成為在晶格中導(dǎo)電的自由電子，而族原子形成一個(gè)不能移動(dòng)的正電中心。 硅、鍺中的族雜質(zhì)，能夠釋放電子而產(chǎn)生導(dǎo)電電子并形成正電中心，稱為施主雜質(zhì)或N型雜質(zhì)，摻有N型雜質(zhì)的半導(dǎo)體叫N型半導(dǎo)體。施主雜質(zhì)未電離時(shí)是中性的，電離后成為正電中心。帶有分立的施主能級(jí)的能帶圖施主能級(jí)電離能帶圖被施主雜質(zhì)束縛的電子的能量狀態(tài)稱為施主能級(jí)ED。施主能級(jí)位于離導(dǎo)帶低很近的禁帶中雜質(zhì)原子間的相互作

4、用可忽略，某一種雜質(zhì)的施主能級(jí)是一些具有相同能量的孤立能級(jí)。表2-1 硅、鍺晶體中族雜質(zhì)的電離能(eV)2.1.3 受主雜質(zhì) 受主能級(jí) 受 主 摻 雜（摻硼）SiB-SiSiSiSiSiSiSi+ 硼原子接受一個(gè)電子后，成為帶負(fù)電的硼離子，稱為負(fù)電中心（B- ） 。帶負(fù)電的硼離子和帶正電的空穴間有靜電引力作用，這個(gè)空穴受到硼離子的束縛，在硼離子附近運(yùn)動(dòng)?？昭˙-+4+4+3+4族元素占據(jù)了硅原子的位置： 族元素有3個(gè)價(jià)電子，它與周圍的四個(gè)硅原子形成共價(jià)鍵，還缺少一個(gè)電子，于是在硅晶體的共價(jià)鍵中產(chǎn)生了一個(gè)空穴，而族原子接受一個(gè)電子后所在處形成一個(gè)負(fù)離子中心，所以，一個(gè)族原子取代一個(gè)硅原子，其效果

5、是形成一個(gè)負(fù)電中心和一個(gè)空穴空穴束縛在族原子附近，但這種束縛很弱 很小的能量就可使空穴擺脫束縛，成為在晶格中自由運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)電空穴，而族原子形成一個(gè)不能移動(dòng)的負(fù)電中心。 硅、鍺中的族雜質(zhì)，能夠接受電子而在價(jià)帶中產(chǎn)生空穴， 并形成負(fù)電中心的雜質(zhì)，稱為受主雜質(zhì)或P型雜質(zhì)，摻有P 型雜質(zhì)的半導(dǎo)體叫P型半導(dǎo)體。受主雜質(zhì)未電離時(shí)是中性的，電離后成為負(fù)電中心。受主能級(jí)電離能帶圖帶有分立的受主能級(jí)的能帶圖被受主雜質(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)施

6、主和受主濃度：ND、NA施主：Donor，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中 提供導(dǎo)電的電子，并成為帶正電的離子。如 Si中摻的P 和As受主：Acceptor，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 Si中摻的B 總結(jié)總結(jié)2.1.4 淺能級(jí)雜質(zhì)電離能的簡單計(jì)算采用類氫原子模型估算施主和受主雜質(zhì)的電離能氫原子中電子的能量：n=1時(shí),基態(tài)電子能量n=時(shí)，氫原子電離E=0氫原子的電離能晶體內(nèi)雜質(zhì)原子束縛的電子： m0mn*, mp*; 0 r0 施主雜質(zhì)的電離能： Si: Ge:受主雜質(zhì)的電離能氫原子半徑：施主雜質(zhì)半徑：基態(tài)下（n=1），氫原子的軌道半徑：作業(yè)：第二章習(xí)

7、題7第二章習(xí)題8兩題都加上第三小問 請(qǐng)畫出雜質(zhì)能級(jí)的能帶圖2.1.5 雜質(zhì)的補(bǔ)償作用當(dāng)半導(dǎo)體中同時(shí)存在施主和受主雜質(zhì)時(shí)，半導(dǎo)體是n型還是p型呢？在半導(dǎo)體中，若同時(shí)存在著施主和受主雜質(zhì)，施受主雜質(zhì)之間有互相抵消的作用，通常稱為雜質(zhì)的補(bǔ)償作用。NDNANANDNAND1、當(dāng) NDNA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NAeff ND-NAECEVEDEA2、 當(dāng)NAND 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NA-ND個(gè)空穴，它們可

8、接受價(jià)帶上的NA-ND個(gè)電子，在價(jià)帶中形成的空穴濃度p= NA-ND. 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， 不能用采制造半導(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) 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. 晶體管制造過程中的雜質(zhì)補(bǔ)償n型Si外延層PN硼磷NN2.1.6 深能級(jí)雜質(zhì) 在半導(dǎo)體硅、鍺中，除、族雜質(zhì)在禁帶中形成淺能級(jí)外，其它各族元素?fù)饺牍?、鍺中也會(huì)在禁帶中產(chǎn)生能級(jí)特點(diǎn)：1、施主雜質(zhì)能

9、級(jí)距離導(dǎo)帶底較遠(yuǎn)，受主雜質(zhì)能級(jí)距離價(jià)帶頂較遠(yuǎn)，這種能級(jí)稱為深能級(jí)，相應(yīng)的雜質(zhì)稱為深能級(jí)雜質(zhì)。2、深能級(jí)雜質(zhì)能夠產(chǎn)生多次電離，每次電離對(duì)應(yīng)有一個(gè)能級(jí)。有的雜質(zhì)既能引入施主能級(jí)，又能引入受主能級(jí)。金在鍺中產(chǎn)生的能級(jí)金在鍺中產(chǎn)生4個(gè)能級(jí)， ED是施主能級(jí)，EA1、EA2和EA3是受主能級(jí)。中性金原子只有一個(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，形成施主能級(jí)ED。它也可以從價(jià)帶接受3個(gè)電子，形成三個(gè)受主能級(jí)。金有5種荷電狀態(tài)，Au+, Au0, Au-, Au-,Au-ECEVEDEA1EiEA2EA30.040.200.150.04金在鍺中的能級(jí)2.2 -族化合物半導(dǎo)體的雜質(zhì)能級(jí)

10、1、族元素為受主雜質(zhì) 鈹、鎂、鋅、鎘取代族原子而處于晶格格點(diǎn)上，引入淺受主能級(jí)晶體雜質(zhì)鈹鎂鋅鎘GaAs0.0300.0300.0240.021GaP0.0560.0540.0640.009GaAs、GaP晶體中受主雜質(zhì)的電離能2.2 -族化合物半導(dǎo)體的雜質(zhì)能級(jí)GaAs電子濃度和硅雜質(zhì)濃度的關(guān)系2、 族雜質(zhì)在-族化合物中是兩性摻雜劑 族元素取代族原子則起施主作用； 族元素取代族原子則起受主作用。 導(dǎo)帶中電子濃度隨硅雜質(zhì)濃度的增加而增加，當(dāng)硅雜質(zhì)濃度增加到一定程度時(shí)趨于飽和。硅先取代Ga原子起施主作用，隨著硅濃度的增加，硅取代As原子起受主作用。2.2 -族化合物半導(dǎo)體的雜質(zhì)能級(jí)3、族元素取代族原

11、子，引入施主能級(jí) 族元素氧、硫、硒、碲比族元素多一個(gè)價(jià)電子而且容易失去，所以表現(xiàn)為施主雜質(zhì)。晶體雜質(zhì)硫硒碲GaAs0.0060.0060.03GaP0.1040.1020.0895GaAs、GaP晶體中受主雜質(zhì)的電離能（eV)2.2 -族化合物半導(dǎo)體的雜質(zhì)能級(jí)4、摻過渡族元素，制備高電阻率的半絕緣GaAs5、 族的B、Al 取代Ga, 族的P，銻取代As既 不是施主也不是受主雜質(zhì)。 6、摻族元素 ，一般起受主作用。2.3 氮化鎵的雜質(zhì)能級(jí)目前常用硅作為GaN的n型摻雜，用鎂，鋅作為GaN的p型摻雜。硅作為施主的電離能：0.0120.02eV鎂作為受主的電離能：0.140.21eV2.4 缺陷、

12、位錯(cuò)能級(jí)2.4.1 點(diǎn)缺陷 間隙原子缺陷：只有間隙原子而無原子空位 肖特基缺陷：晶體內(nèi)形成空位而無間隙原子。 弗倉克耳缺陷：間隙原子和空位成對(duì)出現(xiàn)。 硅、鍺材料中空位表現(xiàn)為受主； 間隙原子表現(xiàn)為施主 2.4 缺陷、位錯(cuò)能級(jí) 化合物半導(dǎo)體中，利用成分偏離正常的化學(xué)比的現(xiàn)象來控制材料的導(dǎo)電類型 化合物中的替位原子，如Ga取代As的位置起受主作用；As取代Ga的位置起施主作用，這種點(diǎn)缺陷稱為反結(jié)構(gòu)缺陷2.4 缺陷、位錯(cuò)能級(jí)2.4.2 位錯(cuò) 線位錯(cuò)（在一條線附近原子的排列偏離了嚴(yán)格的周期性） 面位錯(cuò)（在一個(gè)面附近原子的排列偏離了嚴(yán)格的周期性） 根據(jù)實(shí)驗(yàn)測得： Si中位錯(cuò)能級(jí)在價(jià)帶頂上面0.030.09eV處 Ge中的位錯(cuò)能級(jí)在導(dǎo)帶底下面0.20.35eV處 都屬于深受主能級(jí) 當(dāng)位錯(cuò)密度較高時(shí)，由于它和雜質(zhì)之間的補(bǔ)償作用，能使淺施主雜質(zhì)的n型Si、Ge中的電子濃度降低，而對(duì)p型Si、Ge卻沒有這種影響。本章小結(jié)一 重要術(shù)語解釋1摻雜 2. 本征半導(dǎo)體3. 非本征半導(dǎo)體 4. 補(bǔ)償型半導(dǎo)體5.多數(shù)載流子 6. 少數(shù)載流子7. n型半導(dǎo)體 8. p型半導(dǎo)體9. 施主雜質(zhì)，施主能級(jí)，施主雜質(zhì)電離能 10. 受主雜質(zhì)，受主能級(jí)，受主雜質(zhì)電離能摻雜：通過在半導(dǎo)體材料中摻入雜質(zhì)以改變半導(dǎo)體材料的載流子濃