半導體物理第2章

第2章半導體中雜質和缺陷能級要求掌握鍺、硅晶體中的雜質能級，Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體的雜質能級。理解點缺陷。雜質(impurity)：在半導體晶體中引入的新的原子或離子缺陷(defect)：晶體按周期性排列的結構受到破壞

實際半導體晶體理想半導體晶體在平衡位置附近振動原子靜止在格點位置上純凈的含有雜質晶格結構完整無缺存在著各種缺陷實際晶體與理想晶體的區(qū)別Si能夠得到廣泛應用的重要原因：對其雜質實現可控操作，從而實現對半導體性能的精確控制雜質主要來源：無意摻入：制備半導體的原材料純度不夠，加工工藝有意摻入：為了控制半導體的某些性質，人為摻入某種原子。摻雜工藝在單晶生長過程中摻入雜質在高溫下通過雜質擴散的工藝摻入雜質離子注入雜質在薄膜外延工藝過程中摻入雜質用合金工藝將雜質摻入半導體中——為控制半導體的性質，人為摻入雜質的工藝過程雜質濃度：單位體積中雜質原子數

DiffusionProcess

IonImplantation摻雜濃度

(施主雜質ND，受主雜質NA)摻雜濃度：單位體積中摻入雜質的數目。1014~1020cm－3硅晶體中：5x1022cm－3個原子請估算雜質原子與Si原子的比例。為什么極微量的雜質和缺陷，能夠對半導體材料的物理、化學性質產生決定性影響？ 雜質和缺陷的存在，會使周期性勢場受到破壞，有可能在禁帶中引入允許電子具有的能量狀態(tài)（即能級），從而對半導體的性質產生決定性影響。雜質、缺陷能級位于禁帶之中雜質、缺陷能級Ec

Ev2.1.1替位式雜質、間隙式雜質替位式雜質:取代晶格原子雜質原子的大小與晶體原子相似III、V族元素在硅、鍺中均為替位式雜質間隙式雜質:位于晶格原子間隙位置雜質原子小于晶體原子雜質濃度：單位體積內的雜質原子數2.1硅、鍺晶體中的雜質能級元素周期表2.1.2施主雜質、施主能級施主雜質V族元素在硅、鍺中電離時能夠釋放電子而產生導電電子并形成正電中心，稱此類雜質為施主雜質或n型雜質。施主電離施主雜質釋放電子的過程。施主能級被施主雜質束縛的電子的能量狀態(tài)，記為ED，施主電離能量為ΔED。n型半導體依靠導帶電子導電的半導體。本征半導體結構示意圖本征半導體：純凈的、不含其它雜質的半導體。

N型半導體

晶體雜質

PAsSbSi0.0440.0490.039

Ge0.01260.01270.0096施主雜質的電離能小，在常溫下基本上電離。Si、Ge中Ⅴ族雜質的電離能△ED（eV）2.1.3受主雜質、受主能級受主雜質III族元素在硅、鍺中電離時能夠接受電子而產生導電空穴并形成負電中心，稱此類雜質為受主雜質或p型雜質。受主電離受主雜質釋放空穴的過程。受主能級被受主雜質束縛的空穴的能量狀態(tài)，記為EA。受主電離能量為ΔEAp型半導體依靠價帶空穴導電的半導體。P型半導體受主雜質的電離能小，在常溫下基本上電離。

Si、Ge中Ⅲ族雜質的電離能△EA（eV）

晶體雜質

BAlGaInSi0.0450.0570.0650.16

Ge0.010.010.0110.011雜質半導體的簡化表示法淺能級雜質電離能小的雜質稱為淺能級雜質。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，淺能級雜質幾乎可以全部電離。五價元素磷（P）、銻在硅、鍺中是淺施主雜質三價元素硼（B）、鋁、鎵、銦在硅、鍺中為淺受主雜質。淺能級雜質電離能比禁帶寬度小得多，雜質種類對半導體的導電性影響很大。在N型半導體中，電子濃度大于空穴濃度，電子稱為多數載流子，空穴稱為少數載流子。在P型半導體中，空穴濃度大于電子濃度，空穴稱為多數載流子，電子稱為少數載流子。施主雜質與受主雜質比較

1）雜質的帶電性?未電離：?電離后：2）雜質能級的電子占據?未電離：?電離后：3）對載流子數的影響?摻入施主后：?摻入受主后：均為電中性施主失去電子帶正電，受主得到電子帶負電施主能級滿，受主能級空施主能級空，受主能級滿電子數大于空穴數電子數小于空穴數2.1.4淺能級雜質電離能簡單計算類氫模型氫原子中電子能量n=1,2,3……，為主量子數，當n=1和無窮時氫原子基態(tài)電子的電離能考慮到

1、正、負電荷處于介電常數ε=ε0εr的介質中

2、電子不在空間運動，而是處于晶格周期性勢場中運動施主雜質電離能受主雜質電離能估算結果與實際測量值有相同數量級Ge：△ED

～0.0064eVSi:△ED

～0.025eV2.1.5雜質的補償作用假如半導體中，同時存在著施主和受主雜質，半導體是n型還是p型呢？這要看哪一種雜質濃度大，因為施主和受主雜質之間有互相抵消的作用通常稱為雜質的補償作用雜質的補償作用雜質的補償作用當ND>NA時

ND-NA為有效施主濃度當ND<NA時

NA-ND為有效受主濃度當ND>>NA時

n=ND-NA≈

ND，半導體是n型的當ND<<NA時

p=NA-ND≈

NA，半導體是p型的當ND≈NA時雜質的高度補償有效雜質濃度補償后半導體中的凈雜質濃度。雜質的補償作用的應用利用雜質的補償作用，根據擴散或離子注入的方法來改變半導體某一區(qū)域的導電類型，制成各種器件。在一塊n型半導體基片的一側摻入較高濃度的受主雜質，由于雜質的補償作用，該區(qū)就成為ｐ型半導體。

2.1.6深能級雜質非III、V族元素在硅、鍺的禁帶中產生的施主能級距離導帶底和價帶頂較遠，形成深能級，稱為深能級雜質。特點不容易電離，對載流子濃度影響不大深能級雜質能夠產生多次電離，每次電離均對應一個能級。能起到復合中心作用，使少數載流子壽命降低

2.2III-V族化合物中的雜質能級III族元素：硼(B)、鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In)、鉈(Tl)V族元素：氮(N)、磷(P)、砷(As)、銻(Sb)、鉍(Bi)和硅、鍺晶體一樣，當雜質進入III-V族化合物后，或者是處于晶格原子間隙中的間隙式雜質，或者成為取代晶格原子的替位式雜質，不過具體情況比硅、鍺更復雜。1、I族元素一般在砷化鎵中引入受主能級。如：鋰。2、II族元素如：鈹、鎂、鋅、鎘、汞。它們的價電子比III族元素少一個，有獲得一個電子形成共價鍵的傾向，表現為受主雜質，引入淺受主能級。常用摻鋅或鎘以獲得III-V族化合物的p型材料。3、III、V族元素（1）等電子雜質特征：

a、與基體原子同族另外原子如：III硼、鋁V磷、銻。

b、以替位形式存在于晶體中（2）等電子陷阱等電子雜質（如N或Bi

）占據本征原子位置（如GaP中的P位置）后，由于原子序數的變化，原子的半徑和電負性有差別，因而它們能俘獲某種載流子而成為帶電中心。這個帶電中心就稱為等電子陷阱（電子陷阱或空穴陷阱）。是否周期表中同族元素均能形成等電子陷阱呢?只有當摻入原子與基質晶體原子在電負性、共價半徑方面具有較大差別時，才能形成等電子陷阱。一般來說，同族元素原子序數越小，電負性越大，共價半徑越小。等電子雜質電負性大于基質晶體原子的電負性時，取代后，它便能俘獲電子成為負電中心；反之，它能俘獲空穴成為正電中心。GaPN(共價半徑和電負性分別為0.070nm和3.0)P(磷的共價半徑和電負性分別為0.11nm和2.1)Bi(共價半徑和電負性分別為0.146nm和1.9)ED＝0.008eVEA＝0.038eV正電中心，空穴陷阱負電中心，電子陷阱例：等電子陷阱（3）束縛激子

等電子陷阱俘獲某種載流子后，又因帶電中心的庫侖力作用又俘獲另一種載流子，形成束縛激子。這種束縛激子在由間接帶隙半導體材料制造的發(fā)光器件中起主要作用。4、IV族元素碳、硅、鍺、錫、鉛當取代III族原子則起施主雜質作用，當取代V族原子則起受主作用。IV族元素還可以雜亂地分布在III族原子和V族原子的格點上，這時雜質的總效果是起施主作用還是受主作用，與摻雜濃度及摻雜時的外界條件有關。兩性雜質兩性雜質是指在半導體中既可作施主又可作受主的雜質。如Ⅲ-Ⅴ族GaAs中摻Ⅳ族Si。如果Si替位Ⅲ族Ga，則Si為施主；如果Si替位Ⅴ族As，則Si為受主。所摻入的雜質具體是起施主還是受主與工藝有關。5、VI族元素氧、硫、硒、碲與V族元素性質相近，常取代V族原子。因為它們比V族元素多一個價電子而且容易失去，所以表現為施主雜質，并引入施主能級。2.4缺陷能級缺陷的種類：點缺陷：空位、間隙原子等線缺陷：位錯等面缺陷：層錯、晶粒間界等在半導體晶體中的作用：受主施主深能級點缺陷的種類：2.4.1點缺陷熱缺陷偏離化學比缺陷替位原子

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弗侖克耳缺陷：原子空位和間隙原子同時存在熱缺陷：由于原子熱運動所形成的缺陷A、空位B、填隙原子SiSiSiSiSiSiSiSiSiSi熱缺陷特點：熱缺陷的數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。（可參閱葉良修《半導體物理學》p24和p94）淬火后可以“凍結”高溫下形成的缺陷。退火后可以消除大部分缺陷。半導體器件生產工藝中，經高溫加工（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退火來消除。在離子性強化合物的半導體，由于組成晶體的元素偏離正常化學比而形成的缺陷。偏離化學比缺陷：ABABABABBABABABABABABABABAABABABABAB(如PbS,ZnO)VAVB替位式原子（反結構缺陷）例如二元化合物AB中，替位原子可以有兩種，A取代B的稱為AB，B取代A的稱為BA。一般認為AB是受主，BA是施主。因為B的價電子比A的多，B取代A后，有把多余的價電子施放給導帶的趨勢；相反，A取代B后則有接受電子的傾向。例如在砷化鎵中，砷取代鎵原子為AsGa，起施主作用，而鎵取代砷原子為GaAs，起受主作用。這種點缺陷也稱為反結構缺陷。ABABABABBBABABABABABABABABAAABABABABBAAB點缺陷對半導體性質的影響：缺陷處晶格畸變，周期性勢場被破壞，致使在禁帶中產生能級。很多熱缺陷能級為深能級，在半導體中起復合中心作用，使非平衡載流子濃度和壽命降低?？瘴蝗毕萦欣陔s質擴散對載流子有散射作用，使載流子遷移率和壽命降低。思考題1、什么叫淺能級雜質？它們電離后有何特點？解：淺能級雜質是指其雜質電離能遠小于本征半導體的禁帶寬度的雜質。它們電離后將成為帶正電（電離施主）或帶負電（電離受主）的離子，并同時向導帶提供電子或向價帶提供空穴。2、什么叫施主？什么叫施主電離？施主電離前后有何帶電特征？試舉例說明之。解：半導體中摻入雜質，雜質電離后將成為帶正電離子，并同時向導帶提供電子，這種雜質就叫施主。施主向導帶提供電子，成為帶正電離子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P，P為Ⅴ族元素，本征半導體Si為Ⅳ族元素，P摻入Si中后