半導(dǎo)體物理與器件基礎(chǔ)-第2章

雷天民西Ⅱ-206leitianmin@163.com半導(dǎo)體物理與器件基礎(chǔ)第二章半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷

硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)Ⅲ-Ⅴ族化合物中的雜質(zhì)能級(jí)缺陷位錯(cuò)能級(jí)半導(dǎo)體中存在雜質(zhì)原子或缺陷時(shí)，它們產(chǎn)生的附加勢(shì)場(chǎng)使嚴(yán)格的周期勢(shì)場(chǎng)被破壞，導(dǎo)致電子束縛在雜質(zhì)原子或缺陷周圍，相應(yīng)的能級(jí)位于禁帶之中，稱為雜質(zhì)或缺陷能級(jí)。由于被束縛的電子態(tài)，其波函數(shù)遍及范圍只在雜質(zhì)附近局部范圍內(nèi)，又稱此為局域化電子態(tài)。雜質(zhì)和缺陷對(duì)半導(dǎo)體性質(zhì)的影響極大，其在半導(dǎo)體中的作用與它們引入的能級(jí)有密切關(guān)系。2023/2/62Prof.LEI§2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)本節(jié)要點(diǎn)：

雜質(zhì)與雜質(zhì)能級(jí)

施主雜質(zhì)施主能級(jí)

受主雜質(zhì)受主能級(jí)

淺能級(jí)雜質(zhì)電離能的簡(jiǎn)單計(jì)算

雜質(zhì)的補(bǔ)償作用

深能級(jí)雜質(zhì)2023/2/63Prof.LEI一、雜質(zhì)與雜質(zhì)能級(jí)雜質(zhì):半導(dǎo)體中存在的與本體元素不同的其它元素。替位式雜質(zhì)與間隙式雜質(zhì)雜質(zhì)能級(jí)位于禁帶中EvEc雜質(zhì)能級(jí)§2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)2023/2/64Prof.LEI二、施主（Donor）與受主（Acceptor）施主：摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電電子，并成為帶正電的離子。如Si中摻P、As、Sb

受主：摻入的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電空穴，并成為帶負(fù)電的離子。如Si中摻的Al、B、Ga、In

電離施主Sb+電離受主B－§2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)2023/2/65Prof.LEI雜質(zhì)電離：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，所需能量為雜質(zhì)電離能ΔE。施主電離：施主雜質(zhì)釋放電子的過程稱為施主電離，對(duì)應(yīng)的電離能稱為施主電離能ΔED。受主電離：空穴掙脫受主雜質(zhì)束縛的過程稱為受主電離，對(duì)應(yīng)的電離能稱受主電離能ΔEA。１、雜質(zhì)的電離很小的能量就能使電子（空穴）掙脫雜質(zhì)能級(jí)的束縛，成為導(dǎo)電電子或?qū)щ娍昭ǎ诰Ц裰凶杂蛇\(yùn)動(dòng)，這時(shí)的雜質(zhì)原子就成為少（多）了一個(gè)價(jià)電子的正、負(fù)離子，它是一個(gè)不能移動(dòng)的正（負(fù)）電中心?！?.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)2023/2/66Prof.LEI

Sb原子中這個(gè)多余的電子的運(yùn)動(dòng)半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其余四個(gè)電子，所受到的束縛最小，極易擺脫束縛成為自由電子。設(shè)施主能級(jí)為ED，則ED=EC-ED。ECED△ED2、施主雜質(zhì)與施主能級(jí)§2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)2023/2/67Prof.LEI晶體雜質(zhì)PAsSbSi0.0440.0490.039Ge0.01260.01270.0096施主雜質(zhì)的電離能小，在常溫下基本上電離?！?.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)2023/2/68Prof.LEI3、受主雜質(zhì)與受主能級(jí)EcEvEA§2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)2023/2/69Prof.LEI晶體雜質(zhì)BAlGaInSi0.045eV0.057eV0.065eV0.16eVGe0.01eV0.01eV0.011eV0.011eV受主雜質(zhì)的電離能小，在常溫下基本上為價(jià)帶激發(fā)的電子所占據(jù)（空穴由受主能級(jí)向價(jià)帶激發(fā)）?！?.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)2023/2/610Prof.LEI4、雜質(zhì)能級(jí)的表示+++ECEVED---EAECEV§2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)雜質(zhì)向?qū)Ш蛢r(jià)帶提供電子和空穴的過程（電子從施主能級(jí)向?qū)У能S遷或空穴從受主能級(jí)向價(jià)帶的躍遷）稱為雜質(zhì)電離或雜質(zhì)激發(fā)。所需要的能量稱為雜質(zhì)的電離能。2023/2/611Prof.LEI電子從價(jià)帶直接向?qū)Ъぐl(fā)，成為導(dǎo)帶的自由電子，這種激發(fā)稱為本征激發(fā)，只有本征激發(fā)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。摻受主的半導(dǎo)體的價(jià)帶空穴數(shù)由受主決定，半導(dǎo)體導(dǎo)電的載流子主要是空穴（空穴數(shù)>>電子數(shù)），對(duì)應(yīng)的半導(dǎo)體稱為P型半導(dǎo)體?？昭槎嘧樱娮訛樯僮?。摻施主的半導(dǎo)體的導(dǎo)帶電子數(shù)主要由施主決定，半導(dǎo)體導(dǎo)電的載流子主要是電子（電子數(shù)>>空穴數(shù)），對(duì)應(yīng)的半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體。稱電子為多數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱多子，空穴為少數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱少子。§2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)2023/2/612Prof.LEI三、淺能級(jí)雜質(zhì)電離能的簡(jiǎn)單計(jì)算§2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)2023/2/613Prof.LEI四、雜質(zhì)的補(bǔ)償作用1、ND>>NA半導(dǎo)體中同時(shí)存在施主和受主雜質(zhì)，施主和受主之間有互相抵消的作用。此時(shí)半導(dǎo)體為n型半導(dǎo)體EcED電離施主電離受主Evn=ND-NA§2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)2023/2/614Prof.LEI2、ND<<NAEcEDEAEv電離施主電離受主半導(dǎo)體為p型半導(dǎo)體p=NA-ND3、ND≈NA雜質(zhì)的高度補(bǔ)償！§2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)利用雜質(zhì)補(bǔ)償作用，就能根據(jù)需要用擴(kuò)散或離子注入方法來改變半導(dǎo)體中某一區(qū)域的導(dǎo)電類型，以制成各種器件。2023/2/615Prof.LEI五、半導(dǎo)體中的深能級(jí)雜質(zhì)除Ⅲ、Ⅴ族元素可在鍺、硅等Ⅳ族元素半導(dǎo)體中引入雜質(zhì)能級(jí)外，其它族元素也可在鍺、硅中產(chǎn)生雜質(zhì)能級(jí)。而且，能級(jí)通常有如下特點(diǎn)：1）它們產(chǎn)生的施主（受主）能級(jí)距導(dǎo)帶底（價(jià)帶頂）較遠(yuǎn)，電離能大！通常稱這些能級(jí)為深能級(jí)，產(chǎn)生這些深能級(jí)的雜質(zhì)稱為深能級(jí)雜質(zhì)；2）這些雜質(zhì)在硅、鍺的禁帶中往往可以引入若干個(gè)能級(jí)，有的屬于兩性雜質(zhì)（施主能級(jí)或受主能級(jí)）；3）主要以替位形式存在；4）深能級(jí)雜質(zhì)的行為與雜質(zhì)原子的電子殼層結(jié)構(gòu)、原子大小、雜質(zhì)在半導(dǎo)體晶格中的位置等因素有關(guān)?！?.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)2023/2/616Prof.LEI§2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)2023/2/617Prof.LEI§2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)深能級(jí)產(chǎn)生的定性解釋：深能級(jí)雜質(zhì)由于其電子殼層結(jié)構(gòu)的不同，能夠產(chǎn)生多次電離，每一次電離相應(yīng)地有—個(gè)能級(jí)。深能級(jí)的作用：Au的電子組態(tài)是：5s25p65d106s1如在Ge中摻Au:對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電類型和載流子數(shù)量的影響沒有淺能級(jí)雜質(zhì)顯著，但在載流子的復(fù)合過程中主要起復(fù)合中心作用或陷阱作用。2023/2/618Prof.LEI§2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)1）Au失去一個(gè)電子——施主Au＋EcEvEDED=Ev+0.04eVAu－2）Au獲得一個(gè)電子——受主EcEvEDEA1EA1=Ev+0.15eV2023/2/619Prof.LEI§2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)3）Au獲得第二個(gè)電子、第三個(gè)電子EcEvEDEA1EA2=Ec-0.2eVEA2Au2－EcEvEDEA1EA3=Ec-0.04eVEA2EA3Au3－2023/2/620Prof.LEI§2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物中的雜質(zhì)能級(jí)周期表中的ⅢA族元素硼、鋁、鎵、銦、鉈和ⅤA族元素氮、磷、砷、銻、鉍組成的二元化合物，稱為Ⅲ-Ⅴ族化合物。成分化學(xué)比都是11，具有閃鋅礦型晶體結(jié)構(gòu)。2023/2/621Prof.LEI施主雜質(zhì)：周期表中的Ⅵ族元素(Se、S、Te)在GaAs中通常都替代Ⅴ族元素As原子的晶格位置，由于Ⅵ族原子比Ⅴ族原子多一個(gè)價(jià)電子，因此Ⅵ族雜質(zhì)在GaAs中一般起施主作用，為淺施主雜質(zhì)；受主雜質(zhì)：Ⅱ族元素（Zn、Be、Mg、Cd、Hg）在GaAs中通常都取代Ⅲ族元素Ga原子的晶格位置，由于Ⅱ族原子比Ⅲ族原子少一個(gè)價(jià)電子，因此Ⅱ族元素雜質(zhì)在GaAs中通常起受主作用，均為淺受主；§2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物中的雜質(zhì)能級(jí)2023/2/622Prof.LEI兩性雜質(zhì)：

Ⅳ族元素雜質(zhì)（Si、Ge、Sn、Pb）在GaAs中的作用比較復(fù)雜，可以取代Ⅲ族的Ga，也可以取代Ⅴ族的As，甚至可以同時(shí)取代兩者，因此Ⅳ族雜質(zhì)不僅可以起施主作用和受主作用，還可以起中性雜質(zhì)作用?！?.2Ⅲ-Ⅴ族化合物中的雜質(zhì)能級(jí)摻Si濃度小于1018cm-3時(shí)，Si全部取代Ga位而起施主作用，這時(shí)摻Si濃度和電子濃度一致；而當(dāng)摻Si濃度大于1018cm-3時(shí)，部分Si原子開始取代As位，出現(xiàn)補(bǔ)償作用，使電子濃度逐漸偏低。2023/2/623Prof.LEI§2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物中的雜質(zhì)能級(jí)中性雜質(zhì)：Ⅲ族元素（B、Al、In）和Ⅴ族元素（P、Sb）在GaAs中通常分別替代Ga和As，雜質(zhì)在晶格位置上并不改變?cè)械膬r(jià)電子數(shù)，因此既不給出電子也不俘獲電子而呈電中性，對(duì)GaAs的電學(xué)性質(zhì)沒有明顯影響。

注意：

電負(fù)性、共價(jià)半徑相差很大的同族元素替代容易形成等電子陷阱！2023/2/624Prof.LEI§2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物中的雜質(zhì)能級(jí)2023/2/625Prof.LEI§2.3缺陷、位錯(cuò)能級(jí)半導(dǎo)體中的缺陷也能在半導(dǎo)體的禁帶中產(chǎn)生缺陷能級(jí)，它們可以與能帶能級(jí)發(fā)生電子交換，同樣可起施主作用或受主作用。一、元素半導(dǎo)體中的缺陷空位：當(dāng)鍺、硅中存在空位時(shí)，因鄰近的四個(gè)硅原子各有一個(gè)不成對(duì)的電子，它們傾向于接受電子，因此這些空位起受主作用。一般說來，正離子空位是負(fù)電中心，負(fù)離子空位是正電中心。2023/2/626Prof.LEI§2.3缺陷、位錯(cuò)能級(jí)當(dāng)鍺、硅中存在間隙原子時(shí)，因鄰近的四個(gè)硅原子均已成鍵，故間隙原子具有釋放電子的傾向，起施主作用。間隙原子：SiSiSiSiSiSiSiSiSiSi2023/2/627Prof.LEI§2.3缺陷、位錯(cuò)能級(jí)二、Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體中的缺陷當(dāng)T>0K時(shí)，GaAs晶體中的點(diǎn)缺陷主要有：空位：VGa、Vas

間隙原子：

GaI、AsI

反結(jié)構(gòu)缺陷：Ga原子占據(jù)As空位，或As原子占據(jù)Ga空位，記為GaAs和AsGa。

前兩類缺陷是起施主還是受主作用，需由實(shí)驗(yàn)決定。反結(jié)構(gòu)缺陷在離子性強(qiáng)的化合物中形成的概率很小，可以忽略。2023/2/628Prof.LEI§2.3缺陷、位錯(cuò)能級(jí)三、Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體的缺陷由于Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體是電負(fù)性差別較大的元素結(jié)合成的晶體，主要是離子鍵起作用，正負(fù)離子相間排列組成了非常穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。所以外界雜質(zhì)對(duì)它們性能的影響不顯著，決定其導(dǎo)電類型主要是它們自身結(jié)構(gòu)的缺陷（間隙離子或空格點(diǎn)）。2023/2/629Prof.LEI§2.3缺陷、位錯(cuò)能級(jí)間隙正離子和負(fù)離子空位處形成帶正電的中心；間隙負(fù)離子和正離子空位處則形成帶負(fù)電的中心。正電中心在中性態(tài)時(shí)束縛著電子，被束縛的電子很容易被激發(fā)成為導(dǎo)帶電子而留下固定的正電中心。因而正電中心起施主作用，在禁帶中引入施主能級(jí)。產(chǎn)生多重施主能級(jí)和多重受主能級(jí)。2023/2/630Prof.LEI§2.3缺陷、位錯(cuò)能級(jí)同理，負(fù)電中心在中性態(tài)時(shí)束縛著空穴，被束縛的空穴容易被激發(fā)至價(jià)帶而留下固定的負(fù)電中心。所以負(fù)電中心起受主作用，相應(yīng)在禁帶中引入受主能級(jí)。若正、負(fù)電中心帶有多個(gè)電子電荷，則可分別產(chǎn)生多重施主能級(jí)和多重受主能級(jí)。2023/2/631Prof.LEI§2.3缺陷、位錯(cuò)能級(jí)半導(dǎo)體中的缺陷類型和密度可以影響半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型和載流子數(shù)目。四、位錯(cuò)位錯(cuò)是半導(dǎo)體中的一種缺陷，它對(duì)半導(dǎo)體材料和器件的性能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。但是，目前僅對(duì)硅、鍺中的位錯(cuò)了解得稍多一些，對(duì)于其它半導(dǎo)體中的位錯(cuò)了解很