第二章 半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷.ppt

1、第二章半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級(jí)為理想的半導(dǎo)體： 1，原子嚴(yán)格周期性排列，晶體具有完整的晶格結(jié)構(gòu)。 2 .晶體中沒(méi)有雜質(zhì)，沒(méi)有缺陷。 3 .電子在周期場(chǎng)進(jìn)行共有化運(yùn)動(dòng)，與云帶形成禁帶的電子能量只在云帶中的能級(jí)，在禁帶中無(wú)力。 本征激勵(lì)提供的載流子本征半導(dǎo)體晶體具有完整的(完整的)晶格結(jié)構(gòu)，沒(méi)有雜質(zhì)或缺陷。 第二章半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級(jí)，在實(shí)際材料中總是有雜質(zhì)、缺陷，破壞周期場(chǎng)，在雜質(zhì)或缺陷周圍引起局部量子態(tài)對(duì)應(yīng)的能級(jí)在禁帶，對(duì)半導(dǎo)體的性質(zhì)有決定性的影響。 雜質(zhì)能級(jí)在禁帶中，Ec Ev、雜質(zhì)能級(jí)、雜質(zhì)和缺陷、原子的周期性電位場(chǎng)被破壞，在禁帶中導(dǎo)入能級(jí)，決定半導(dǎo)體的物理和化學(xué)性質(zhì)，決定2.1硅、鍺

2、結(jié)晶中的雜質(zhì)能級(jí)， 2.1.1取代型雜質(zhì)間隙式雜質(zhì)之一關(guān)于這8個(gè)原子在單位單元空間中所占的比例，在金剛石型結(jié)晶中，單位單元內(nèi)的8個(gè)原子僅占單位單元體積的34%，66%為空隙，為2.1.1取代型雜質(zhì)間隙雜質(zhì)這些空隙一般稱為間隙位置，2.1.1取代型雜質(zhì)間隙雜質(zhì)、雜質(zhì)原子進(jìn)入半導(dǎo)體硅后，以兩種方式存在，一種在晶格原子之間的間隙位置有雜質(zhì)原子，另一種在晶格點(diǎn)而不是晶格原子，常稱為取代型雜質(zhì)(b ) 所謂的間隙型雜質(zhì)原子通常比較小，例如鋰離子、0.068nm取代型雜質(zhì)：1)雜質(zhì)原子的大小與取代晶格原子的大小比較接近2 )價(jià)電子殼層結(jié)構(gòu)比較接近，例如族元素、2.1.2施主雜質(zhì)能級(jí)、族雜質(zhì)其中4個(gè)價(jià)電子與

3、周圍的4個(gè)硅形成共價(jià)鍵，還剩下1個(gè)價(jià)電子。 這個(gè)雄辯的價(jià)電子被限制在正電中心p的周圍。 價(jià)電子只要有很少的能量就可以擺脫束縛，當(dāng)導(dǎo)電性電子在晶格中自由運(yùn)動(dòng)時(shí)，磷原子成為少了一個(gè)價(jià)電子的磷離子p，是不能移動(dòng)的正電中心。 在Si單晶中，v族施主取代雜質(zhì)兩個(gè)帶電狀態(tài)的價(jià)鍵圖、2.1.2施主雜質(zhì)施主能級(jí)， 上述電子從雜質(zhì)原子的束縛變成導(dǎo)電電子的過(guò)程稱為雜質(zhì)電離，將多馀的價(jià)電子變成導(dǎo)電電子所需要的能量稱為雜質(zhì)電離能施主雜質(zhì)電離后不能移動(dòng)的帶正電的施主離子，稱為施主電離能： ED=EC-ED、ED=EC-ED、Eg 2.1.2施主雜質(zhì)能級(jí)、2.1.2施主雜質(zhì)能級(jí)、受施主雜質(zhì)約束的電子能級(jí)稱為施主能級(jí)，因此

4、施主能級(jí)位于接近傳導(dǎo)帶底的禁帶中，Si、Ge中族雜質(zhì)的電離能ED(eV ) 晶體雜質(zhì)pass BSI0. 0440.0490.039 ge0. 01260.01270.00962.1. 2施主雜質(zhì)施主能級(jí)、2.1.3受主雜質(zhì)受主能級(jí)、族雜質(zhì)在硅、鍺中接受電子而形成導(dǎo)電空穴2.1.3受主雜質(zhì)的受主能級(jí)，以在硅中摻雜硼的b為例，b原子占硅原子的位置。 硼原子有三價(jià)電子。與周圍的4個(gè)硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，1個(gè)電子不足，從其他地方奪取價(jià)電子，這在Si上形成空穴。 此時(shí)，b原子成為1價(jià)電子變多的硼離子b，成為不能移動(dòng)的負(fù)中心。 空穴被限制在正電中心b的周圍。 空穴只要有微小的能量就可以擺脫束縛，導(dǎo)電空穴在

5、晶格中自由運(yùn)動(dòng)，在Si單晶中，族受主位雜質(zhì)的兩個(gè)帶電狀態(tài)的價(jià)鍵，2.1.3受主能級(jí)， 從束縛中脫離空穴所需要的能量被稱為受主雜質(zhì)電離而不能移動(dòng)的負(fù)的受主離子，受主電離能： EA=EA-EV、Eg、EA、EA、EV、EC、2.1.3受主雜質(zhì)受主準(zhǔn)受主雜質(zhì)的電離過(guò)程受主雜質(zhì)約束的空穴能級(jí)稱為受主能級(jí)，受主能級(jí)位于接近價(jià)帶頂?shù)慕麕?，Si、Ge中族雜質(zhì)的電離能EA(eV ) 晶體雜質(zhì)balgainsi0. 0450.0570.16ge0. 010.01102.1. 3受主雜質(zhì)受主能級(jí)、2.1.4淺能級(jí)雜質(zhì)電離能的簡(jiǎn)單修正算法、淺能級(jí)雜質(zhì)：將電離能小的雜質(zhì)與淺能級(jí)雜質(zhì)淺能級(jí)是指施主能級(jí)接近傳導(dǎo)帶的底部，

6、受主能級(jí)接近價(jià)格帶的頂部。 室溫下?lián)诫s濃度不太高時(shí)，淺能級(jí)雜質(zhì)幾乎可以電離。 5價(jià)元素磷(p )、銻(Sb )在硅、鍺中是淺的施主雜質(zhì)，3價(jià)元素的硼(b )、鋁(Al )、鎵(Ga )、銦(In )在硅、鍺中是淺的受主雜質(zhì)，水2.1.4淺能級(jí)雜質(zhì)電離能的簡(jiǎn)單修正、2.1.4淺能級(jí)雜質(zhì)電離能的簡(jiǎn)單修正、類氫模型、2.1.5雜質(zhì)的補(bǔ)償作用、雜質(zhì)補(bǔ)償：當(dāng)半導(dǎo)體中存在施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)時(shí)，在這些半導(dǎo)體器件的制造過(guò)程中高度補(bǔ)償：當(dāng)施主雜質(zhì)濃度與受主雜質(zhì)濃度之差不大，或者兩者相等時(shí)，無(wú)法供給電子或空位稱為雜質(zhì)的高度補(bǔ)償。 這種材料容易被誤解為高純度半導(dǎo)體，但實(shí)際上雜質(zhì)多，性能差，一般不能用于半導(dǎo)體器件的制

7、造。 1、NDNA時(shí)： n型半導(dǎo)體由于EA在ED之下，所以ED上的束縛電子首先在EA上的空穴，即施主和受主先相互“抵消”，剩馀的束縛電子電離為導(dǎo)帶。 有效的施主濃度ND*=ND-NA、2.1.5雜質(zhì)的補(bǔ)償作用、Ec、ED有效的受主濃度NA*=NA-ND、2.1.5雜質(zhì)的補(bǔ)償作用、Ec、ED、ED雜質(zhì)電離能大，能夠引起多次電離，(1)淺能級(jí)雜質(zhì)、EDEg、EAEg、(2)深能級(jí)雜質(zhì)、EDEg EAEg、2.1.6深能級(jí)雜質(zhì)，例如在Ge中摻雜了Au Au的電子結(jié)構(gòu)2.1.6深能級(jí)雜質(zhì)、EEG Au是電子受體Au0 e Au-，EA1=EV 0.15eV，2.1.6深能級(jí)雜質(zhì)ED，EA1，ea 2，

8、4，Au得到第三個(gè)電子Au- e Au-，Ec，Ev，ED，EA3=EC0.04eV，2 .二，一般產(chǎn)生多能級(jí)三、起到復(fù)合中心的作用，可以降低少數(shù)載體的壽命(第5章詳細(xì)研究)。 四、深能級(jí)雜質(zhì)電離后成為帶電中心，對(duì)載氣發(fā)揮散射作用，減少載氣遷移率，降低導(dǎo)電性能。2.2化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí)、2.2.1雜質(zhì)在砷化鎵中的存在形態(tài)為4種的情況：1)砷的取代2 )鎵的取代3 )埋入4 )反轉(zhuǎn)、2.2.1雜質(zhì)在砷化鎵中的存在形態(tài)、等電子雜質(zhì)效應(yīng)1 )等電子雜質(zhì)的特征：2.2.1加等電子雜質(zhì)效應(yīng)2 )等電子陷阱等電子雜質(zhì)(例如n )占據(jù)本征原子位置(例如GaP中的p位置)，即，存在核心力產(chǎn)生的短距離作用

9、力，它們將一個(gè)傳導(dǎo)帶電子(空穴)吸引為負(fù)(。n、NP、2.2.1砷化鎵中雜質(zhì)的存在形態(tài)，激子例：在約束GaP:N NP e NP-(等電子陷阱)后，NPHNPH在等電子陷阱捕獲一個(gè)符號(hào)的載流子后，又通過(guò)帶電中心的庫(kù)侖作用捕獲另一個(gè)，約束激子， 2.2.1雜質(zhì)在砷化鎵中的存在形態(tài)，兩性雜質(zhì)的例子：在GaAs中摻雜Si (族)、SiGa、受主、SiAs、施主，在化合物半導(dǎo)體中，有的雜質(zhì)在其中能夠制作施主和受主兩者的兩性雜質(zhì)，2.2 四族元素硅在砷化鎵中產(chǎn)生雙重性行為，即硅濃度低時(shí)主要發(fā)揮施主雜質(zhì)的作用，硅濃度高時(shí)部分硅原子發(fā)揮受主雜質(zhì)的作用。 關(guān)于該二重性的行為，在硅雜質(zhì)濃度高的情況下，硅原子不僅

10、代替鎵原子而發(fā)揮施主雜質(zhì)的作用，硅也代替v族砷原子的一部分而發(fā)揮受主雜質(zhì)的作用，因此代替族原子鎵而發(fā)揮硅施主雜質(zhì)的作用2.3半導(dǎo)體中的缺陷位錯(cuò)能級(jí)、2.3.1點(diǎn)缺陷(熱缺陷) point defects/thermaldefects點(diǎn)缺陷的種類： flenk缺陷：原子空穴和間隙原子同時(shí)存在的肖特基缺陷：晶體中僅晶格原子空隙原子缺陷：原因： 3種點(diǎn)缺陷中肖特基缺陷退火后可以消除大部分缺陷。 在半導(dǎo)體器件的制造工藝中，高溫加工(例如擴(kuò)散)的晶片一般需要退火處理。 離子注入引起的缺陷也通過(guò)退火消除。 2.3.1點(diǎn)缺陷、點(diǎn)缺陷對(duì)半導(dǎo)體性質(zhì)的影響：1)缺陷導(dǎo)致晶格應(yīng)變、周期電勢(shì)場(chǎng)破壞，在禁帶產(chǎn)生能級(jí)。 2 )熱缺陷能級(jí)多為深能級(jí)，在半導(dǎo)體中起復(fù)合中心的作用，使非平衡載流子濃度和壽命降低。3 )空穴缺陷有利于雜質(zhì)擴(kuò)散4 )載氣具有散射作用，降低載氣的遷移率和壽命。 2.3.1點(diǎn)缺陷、2.3.1點(diǎn)缺陷、2.3.2位錯(cuò)、位錯(cuò)形成原因：晶格應(yīng)變位錯(cuò)的種類：刃位錯(cuò)(棱位錯(cuò))和螺