半導(dǎo)體能級缺陷習(xí)題

第2章小結(jié)

半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級§2.1摻雜晶體

理想半導(dǎo)體材料原子靜止在具有嚴(yán)格周期性晶格的格點(diǎn)位置上晶體是純凈的，即不含雜質(zhì)

(沒有與組成晶體材料的元素不同的其它化學(xué)元素)晶格結(jié)構(gòu)是完整的，即具有嚴(yán)格的周期性實(shí)際半導(dǎo)體材料原子在平衡位置附近振動含有雜質(zhì)；晶格結(jié)構(gòu)不完整，存在缺陷點(diǎn)缺陷，線缺陷，面缺陷雜質(zhì)與組成晶體材料的元素不同的其他化學(xué)元素形成原因原材料純度不夠制作過程中有玷污人為的摻入分類(1)：按雜質(zhì)原子在晶格中所處位置分間隙式雜質(zhì)替位式雜質(zhì)雜質(zhì)原子位于晶格原子的間隙位置要求雜質(zhì)原子比較小雜質(zhì)原子取代晶格原子而位于格點(diǎn)處要求雜質(zhì)原子的大小、價(jià)電子殼層結(jié)構(gòu)等均與晶格原子相近兩種類型的雜質(zhì)可以同時(shí)存在這里主要介紹替位式雜質(zhì)分類(2)：按雜質(zhì)所提供載流子的類型分施主雜質(zhì)受主雜質(zhì)第V族雜質(zhì)原子替代第IV族晶體材料原子能夠施放(Discharge)電子而產(chǎn)生導(dǎo)電電子，并形成正電中心的雜質(zhì)（n型雜質(zhì)）n型半導(dǎo)體

第III族雜質(zhì)原子替代第IV族晶體材料原子能夠接受(Accept)電子而產(chǎn)生導(dǎo)電空穴，并形成負(fù)電中心的雜質(zhì)（p型雜質(zhì)）p型半導(dǎo)體施主雜質(zhì)受主雜質(zhì)本征半導(dǎo)體施主雜質(zhì)(IV->V)提供載流子：導(dǎo)帶電子電離的結(jié)果：導(dǎo)帶中的電子數(shù)增加了，這即是摻施主的意義所在受主雜質(zhì)(IV->III)提供載流子：價(jià)帶空穴電離的結(jié)果：價(jià)帶中的空穴數(shù)增加了，這即是摻受主的意義所在分類(3)：按雜質(zhì)原子所提供的能級分淺能級雜質(zhì)深能級雜質(zhì)如第IV族材料中加入第III或V族雜質(zhì)雜質(zhì)能級離導(dǎo)帶或者價(jià)帶很近晶格中原子熱振動的能量就足以將淺能級雜質(zhì)電離影響半導(dǎo)體載流子濃度，從而改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型如第IV族材料中加入非III、V族雜質(zhì)雜質(zhì)能級離導(dǎo)帶或者價(jià)帶很遠(yuǎn)常規(guī)條件下不易電離起一定的雜質(zhì)補(bǔ)償作用；對載流子的復(fù)合作用非常重要，是很好的復(fù)合中心雜質(zhì)淺能級的簡單計(jì)算類氫原子模型的計(jì)算氫原子基態(tài)電子的電離能:施主雜質(zhì)電子的電離能:施主雜質(zhì)電子的玻爾半徑:氫原子基態(tài)電子的玻爾半徑室溫kBT~26meV~幾十個meV~25A硅-硅間距～5.4A鍺，硅的介電常數(shù)為16，12施主雜質(zhì)電子的玻爾半徑修正（A）ND>NA時(shí)：

n型半導(dǎo)體

有效的施主濃度

ND*=ND-NAEA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。雜質(zhì)的補(bǔ)償作用NA>>ND經(jīng)補(bǔ)償后，導(dǎo)帶中空穴濃度為NA-ND≈NA半導(dǎo)體為p型半導(dǎo)體（B）NA>ND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。

ED

有效的受主濃度

NA*=NA-ND（C）

NA≌ND時(shí)

雜質(zhì)的高度補(bǔ)償本征激發(fā)的導(dǎo)帶電子

EcED

EA

Ev本征激發(fā)的價(jià)帶空穴雜質(zhì)的高度補(bǔ)償控制不當(dāng)，使得ND≈NA施主電子剛好夠填滿受主能級雖然雜質(zhì)很多，但不能給半導(dǎo)體材料提供更多的電子和空穴一般不能用來制造半導(dǎo)體器件（易被誤認(rèn)為純度很高，實(shí)質(zhì)上含雜質(zhì)很多，性能很差）深能級雜質(zhì)非III，V族雜質(zhì)在硅、鍺的禁帶中產(chǎn)生的施主能級距離導(dǎo)帶底較遠(yuǎn)，他們產(chǎn)生的受主能級距離價(jià)帶頂也較遠(yuǎn)，成為深能級，深能級雜質(zhì)。深能級雜質(zhì)通常能產(chǎn)生多次電離，每次電離對應(yīng)一個能級。EcEvEDEA1EA2EA3Au摻入SiEA3>EA2>EA1

電子的庫倫排斥力0.04III-V族化合物半導(dǎo)體中的淺能級雜質(zhì)在III-V族化合物中摻入不同類型雜質(zhì)：II族元素GaAs:鈹(Be),鎂(Mg),鋅(zn),鎘(Cd)EA=Ev+0.02-0.03eVVI族元素GaAs:硫(S),硒(Se)ED=Ec-0.006eVIV族元素GaAs:硅(Si)Ev+0.03eV,Ec-0.006eV（雜質(zhì)的雙性行為）

鍺(Ge)Ev+0.03eV,Ec-0.006eV等電子雜質(zhì)GaP:氮(N)Ec-0.01eV(等電子陷阱引起）等電子雜質(zhì)與基質(zhì)晶體原子具有同數(shù)量價(jià)電子的雜質(zhì)原子稱為等電子雜質(zhì)（同族原子雜質(zhì)）等電子陷阱形成條件等電子雜質(zhì)替代格點(diǎn)上的同族原子后，基本仍是電中性的。但是，摻入原子與基質(zhì)晶體原子在電負(fù)性、共價(jià)半徑等方面有較大差別，等電子雜質(zhì)電負(fù)性大于基質(zhì)晶體原子的電負(fù)性時(shí)，替代后，它能俘獲電子成為負(fù)電中心，這個帶電中心就成為等電子陷阱。雜質(zhì)的雙性行為硅在砷化鎵中既能取代鎵而表現(xiàn)出施主雜質(zhì)，又能取代砷表現(xiàn)出受主雜質(zhì)缺陷：晶格周期的不完整分為三類點(diǎn)缺陷（點(diǎn)的不完整）：空位、間隙原子線缺陷（線的不完整）：位錯面缺陷（面的不完整）：層錯大多由熱振動引起由晶體內(nèi)部的應(yīng)力引起的，導(dǎo)致晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生扭曲§2.2缺陷、位錯能級點(diǎn)缺陷在一定溫度下，晶格原子不僅在平衡位置附近做振動，而且有一部分原子會獲得足夠的能量，克服周圍原子對它的束縛，擠入晶格原子間的間隙，形成間隙原子，原來的位置空出來，成為空位。（熱缺陷）

Frenkel缺陷：間隙原子和空位成對出現(xiàn)

Schottky缺陷：只在晶體內(nèi)形成空位，而無間隙原子反結(jié)構(gòu)缺陷（化合物、替位原子）有兩種替位方式：A取替B，記為AB；B取替A，記為BA位錯：位錯是近完整晶體中的一個缺陷，它是晶體中以滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界刃型位錯結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：周圍有畸變、上半部壓應(yīng)力、下半部張應(yīng)力、中心有最大畸變、范圍局限于2-3個原子間距的管道區(qū)域。

位錯對半導(dǎo)體材料和器件的性能會產(chǎn)生嚴(yán)重影響！目前對位錯的了解還不太充分。第二章習(xí)題理想半導(dǎo)體材料原子靜止在具有嚴(yán)格周期性晶格的格點(diǎn)位置上晶體是純凈的，即不含雜質(zhì)

(沒有與組成晶體材料的元素不同的其它化學(xué)元素)晶格結(jié)構(gòu)是完整的，即具有嚴(yán)格的周期性實(shí)際半導(dǎo)體材料原子在平衡位置附近振動含有雜質(zhì)；晶格結(jié)構(gòu)不完整，存在缺陷點(diǎn)缺陷，線缺陷，面缺陷2-1實(shí)際半導(dǎo)體和理想半導(dǎo)體的主要區(qū)別半導(dǎo)體中摻入施主雜質(zhì)后，施主電離后將成為帶正電離子，并同時(shí)向?qū)峁╇娮?，這種雜質(zhì)就叫施主雜質(zhì)。施主電離成為帶正電離子（中心）的過程就叫施主電離。施主電離前不帶電，電離后帶正電。例如，在Si中摻As，As為Ⅴ族元素，本征半導(dǎo)體Si為Ⅳ族元素，As摻入Si中后，As的最外層電子有四個與Si的最外層四個電子配對成為共價(jià)電子，而As的第五個外層電子將受到熱激發(fā)掙脫原子實(shí)的束縛進(jìn)入導(dǎo)帶成為自由電子。這個過程就是施主電離。n型半導(dǎo)體:電子的數(shù)目遠(yuǎn)大于空穴的數(shù)目的半導(dǎo)體（或者說以電子導(dǎo)電為主）2-2以As摻入Si為例說明施主雜質(zhì)，施主雜志電離過程和n型半導(dǎo)體半導(dǎo)體中摻入受主雜質(zhì)后，受主電離后將成為帶負(fù)電的離子，并同時(shí)向價(jià)帶提供空穴，這種雜質(zhì)就叫受主。

受主電離成為帶負(fù)電的離子（中心）的過程就叫受主電離。受主電離前帶不帶電，電離后帶負(fù)電。例如，在Si中摻Ga，Ga為Ⅲ族元素，而本征半導(dǎo)體Si為Ⅳ族元素，Ga摻入Si中后，Ga的最外層三個電子與Si的最外層四個電子配對成為共價(jià)電子，而Ga傾向于接受一個由價(jià)帶熱激發(fā)的電子,形成自由空穴。這個過程就是受主電離。p型半導(dǎo)體：空穴的數(shù)目遠(yuǎn)大于電子的數(shù)目的半導(dǎo)體（或者說以空穴導(dǎo)電為主）2-3以Ga摻入Si為例說明施主雜質(zhì)，施主雜志電離過程和n型半導(dǎo)體兩性雜質(zhì)是指在半導(dǎo)體中既可作施主又可作受主的雜質(zhì)。如Ⅲ-Ⅴ族GaAs中摻Ⅳ族Si。如果Si替位Ⅲ族As，則Si為施主；如果Si替位Ⅴ族Ga，則Si為受主。所摻入的雜質(zhì)具體是起施主還是受主與工藝有關(guān)。2-4以Si摻入GaAs為例說明雜質(zhì)的兩性行為當(dāng)半導(dǎo)體中既有施主又有受主時(shí)，施主和受主將先互相抵消，剩余的雜質(zhì)最后電離，這就是雜質(zhì)補(bǔ)償。利用雜質(zhì)補(bǔ)償效應(yīng)，可以根據(jù)需要改變半導(dǎo)體中某個區(qū)域的導(dǎo)電類型，制造各種器件。2-5舉例說明雜質(zhì)補(bǔ)償?shù)淖饔脙?yōu)點(diǎn)：基本上能夠解釋淺能級雜質(zhì)電離能的小的差異，計(jì)算簡單不足：類氫能級的雜質(zhì)原子除形成正或負(fù)電中心，在原子以外的空間等效于點(diǎn)電荷外，在原子內(nèi)的區(qū)域和原來的原子的勢能是有差別的，這樣就使類氫能級的基態(tài)在一定程度上偏離類氫的模型，稱為中心胞修正。只有電子軌道半徑較大時(shí)，該模型才較適用，對電子軌道半徑較小的，簡單的庫侖勢場不能計(jì)入引入雜質(zhì)中心帶來的全部影響。2-6說