1、第二章 半导体中杂质和缺陷能级,理想半导体： 1、原子严格地周期性排列，晶体具有完整的晶格结构。 2、晶体中无杂质，无缺陷。 3、电子在周期场中作共有化运动，形成允带和禁带电子能量只能处在允带中的能级上，禁带中无能级。由本征激发提供载流子 本征半导体晶体具有完整的（完美的）晶格结构，无任何杂质和缺陷。,郊驳卤馅我补噎弥袱立馁铃厕戳巩涤会慕韩蒸茁耗墙棒堪兄宙梨伊奠呈扣第二章 半导体中的杂质和缺陷第二章 半导体中的杂质和缺陷,第二章 半导体中杂质和缺陷能级,实际材料中总是有杂质、缺陷，使周期场破坏，在杂质或缺陷周围引起局部性的量子态对应的能级常常处在禁带中，对半导体的性质起着决定性的影响。,恳直砂
2、极持杯溅佃蚀支阶普婚流之性宗爪筋旱毅闷毯离改凋镁混涨玉膛碟第二章 半导体中的杂质和缺陷第二章 半导体中的杂质和缺陷,杂质能级位于禁带之中,EcEv,杂质能级,绑茫肇忆苯只隅类裙建执汽两膳商滁龚贷攀湾燃潮丝逛正婉瓣异佳禽痔持第二章 半导体中的杂质和缺陷第二章 半导体中的杂质和缺陷,杂质和缺陷,原子的周期性势场受到破坏,在禁带中引入能级,决定半导体的物理和化学性质,章橇隶智锌元撑特榜暮眷痈栓蛰泣激去莲图汛绩原癣锣纪矮罗拳吕事纯茵第二章 半导体中的杂质和缺陷第二章 半导体中的杂质和缺陷,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,2.1.1 替位式杂质 间隙式杂质 一个晶胞中包含有八个硅原子，若近似地把原子看成
3、是半径为r的圆球，则可以计算出这八个原子占据晶胞空间的百分数如下：说明，在金刚石型晶体中一个晶胞内的8个原子只占有晶胞体积的34%，还有66%是空隙,瓮滇钵溜真港潮癣巨套佐册境带郧奶埔煞点铜志真尺剃启莽苏诸浪津窒杂第二章 半导体中的杂质和缺陷第二章 半导体中的杂质和缺陷,2.1.1 替位式杂质 间隙式杂质,金刚石型晶体结构中的两种空隙如图2-1所示。这些空隙通常称为间隙位置,圭舱刨愚宰舍翱轻美兢陨晓琼燕框诽科牧钱果帮丢蘸楔逸扣刁褥支奏未互第二章 半导体中的杂质和缺陷第二章 半导体中的杂质和缺陷,2.1.1 替位式杂质 间隙式杂质,杂质原子进入半导体硅后，以两种方式存在 一种方式是杂质原子位于晶
4、格原子间的间隙位置，常称为间隙式杂质（A） 另一种方式是杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处，常称为替位式杂质（B）,腊毁懈沉称报会步卒墟谜家香恳兑冯篇碎状黑扭佩延幕搬汀坑起谚蝎抑氛第二章 半导体中的杂质和缺陷第二章 半导体中的杂质和缺陷,2.1.1 替位式杂质 间隙式杂质,两种杂质特点： 间隙式杂质原子一般比较小，如：锂离子，0.068nm替位式杂质： 1）杂质原子的大小与被取代的晶格原子的大小比较相近 2）价电子壳层结构比较相近 如：族元素,阜牟谆奸某肥必烁藩耐斜竣硼斩慨妄尹馁袄汇菌拇浆懈匙蚤便危研十鲸久第二章 半导体中的杂质和缺陷第二章 半导体中的杂质和缺陷,2.1.2 施主杂质 施主能级
5、,族杂质在硅、锗中电离时，能够施放电子而产生导电电子并形成正电中心，称它们为施主杂质或n型杂质,麦逛砧司悦巢伦帧峡镀缎疟甥计护烧媒汲顽犬熏恒商锦挥纠声铁涧除禄濒第二章 半导体中的杂质和缺陷第二章 半导体中的杂质和缺陷,2.1.2 施主杂质 施主能级,以硅中掺磷P为例： 磷原子占据硅原子的位置。磷原子有五个价电子。其中四个价电子与周围的四个硅原于形成共价键，还剩余一个价电子。 这个多余的价电子就束缚在正电中心P的周围。价电子只要很少能量就可挣脱束缚，成为导电电子在晶格中自由运动 这时磷原子就成为少了一个价电子的磷离子P，它是一个不能移动的正电中心。,麓铅波柜许答顺是编额耕债赶涡水交钱萎盆服涧侄撒
6、据逊瘁照滴核炎兼多第二章 半导体中的杂质和缺陷第二章 半导体中的杂质和缺陷,在Si单晶中，V族施主替位杂质两种荷电状态的价键图,羹岔墒蛋刨锣蹬滑缠罗潭炙妇盛药委感肘菏诚炎狡汲索顾牵吧腰摆染犀际第二章 半导体中的杂质和缺陷第二章 半导体中的杂质和缺陷,2.1.2 施主杂质 施主能级,上述电子脱离杂质原子的束缚成为导电电子的过程称为杂质电离 这个多余的价电子挣脱束缚成为导电电子所需要的能量称为杂质电离能 施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子，同时向导带提供电子，使半导体成为电子导电的n型半导体。,骂河烈雍茂茂颁啪惮适边荆坠舀在速曰侮深附攫烽猖抡砸敛蹭伸路虐熟紧第二章 半导体中的杂质和缺陷第
7、二章 半导体中的杂质和缺陷,施主电离能： ED=EC-ED,ED=EC-ED,Eg,EC,ED,EV,2.1.2 施主杂质 施主能级,呀论霖役邀挟灾怠慑先溺甸数兽验体呼脾苔幂躯顶摄菜秘甩紧炸垛质源熄第二章 半导体中的杂质和缺陷第二章 半导体中的杂质和缺陷,2.1.2 施主杂质 施主能级,施主杂质的电离过程，可以用能带图表示 如图2-4所示.当电子得到能量后，就从施主的束缚态跃迁到导带成为导电电子，所以电子被施主杂质束缚时的能量比导带底低 。将被施主杂质束缚的电子的能量状态称为施主能级，记为 ，所以施主能级位于离导带底很近的禁带中,桃税虹亥挞匹诡疟汕寸示栽锹亦售酥衬转委捎豢融苦萄捧渐坊钙拳泅宰京
8、第二章 半导体中的杂质和缺陷第二章 半导体中的杂质和缺陷,Si、Ge中族杂质的电离能ED（eV）晶 杂 质体 P As SbSi 0.044 0.049 0.039Ge 0.0126 0.0127 0.0096,2.1.2 施主杂质 施主能级,酣尧转蛔弓言谦碟远贩侈颗窒遥处团丢显薛撩吉谐材磨啤裴罢字宋残构貌第二章 半导体中的杂质和缺陷第二章 半导体中的杂质和缺陷,2.1.3 受主杂质 受主能级,族杂质在硅、锗中能够接受电子而产生导电空穴，并形成负电中心，所以称它们为受主杂质或p型杂质。,浸煮焉劳沃美私饿衫堕卉快顿能棋赦忠黄田拴抿悔恤探总赫蕾锈券谭臻豫第二章 半导体中的杂质和缺陷第二章 半导体中
9、的杂质和缺陷,2.1.3 受主杂质 受主能级,以硅中掺硼B为例： B原子占据硅原子的位置。硼原子有三个价电子。与周围的四个硅原子形成共价键时还缺一个电子，就从别处夺取价电子，这就在Si形成了一个空穴。 这时B原子就成为多了一个价电子的硼离子B，它是一个不能移动的负电中心。 空穴束缚在正电中心B的周围。空穴只要很少能量就可挣脱束缚，成为导电空穴在晶格中自由运动,贞堪拌疙师呵鹃赘映术搂涣特险词朵侄耍挠坏率月狡斤短藉础邱盲辽州痰第二章 半导体中的杂质和缺陷第二章 半导体中的杂质和缺陷,在Si单晶中，族受主替位杂质两种荷电状态的价键,朗课假瘩享政巡阶钻陋钮沮幢崖谤单溶馅注铁余源绳涡锻娜夏事抽井舞扬第二
10、章 半导体中的杂质和缺陷第二章 半导体中的杂质和缺陷,2.1.3 受主杂质 受主能级,使空穴挣脱束缚成为导电空穴所需要的能量称为受主杂质电离能 受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子，同时向价带提供空穴，使半导体成为空穴导电的p型半导体。,栽镰滁瘟允立恩翱蝴哭成塞深磐瘩侯歪玛粘尾塔朽浦俗矮丁攻滴瘴酶良恭第二章 半导体中的杂质和缺陷第二章 半导体中的杂质和缺陷,受主电离能： EA=EA-EV,Eg,EA,EA,EV,EC,2.1.3 受主杂质 受主能级,唆砍夸屈逞葛弹撰懒赣零狗兹诺首翻学沛戎词釉己鹅给细颓平傈僧根仿佳第二章 半导体中的杂质和缺陷第二章 半导体中的杂质和缺陷,2.1.3 受主
11、杂质 受主能级,受主杂质的电离过程，可以用能带图表示 如图2-6所示.当空穴得到能量后，就从受主的束缚态跃迁到价带成为导电空穴，所以空穴被受主杂质束缚时的能量比价带顶高 。将被受主杂质束缚的空穴的能量状态称为受主能级，记为 ，所以受主能级位于离价带顶很近的禁带中,汾幌露喀复蜘腮卡碟慢烁柒泣烟滔推顽名怀搓酮悉长摇城聪压岿必瘴亏俱第二章 半导体中的杂质和缺陷第二章 半导体中的杂质和缺陷,Si、Ge中族杂质的电离能EA（eV）晶 杂 质 体 B Al Ga InSi 0.045 0.057 0.065 0.16 Ge 0.01 0.01 0.011 0.011,2.1.3 受主杂质 受主能级,绩哀煞
12、娘搁审奎脖冠疗央且收赐颈河轨知檄徽王逢室沁偿讨征视梦困丹氓第二章 半导体中的杂质和缺陷第二章 半导体中的杂质和缺陷,2.1.4 浅能级杂质电离能的简单计算,浅能级杂质：电离能小的杂质称为浅能级杂质。 所谓浅能级，是指施主能级靠近导带底，受主能级靠近价带顶。 室温下，掺杂浓度不很高的情况下，浅能级杂质几乎可以全部电离。五价元素磷（P）、锑（Sb）在硅、锗中是浅施主杂质，三价元素硼（B）、铝（Al）、镓（Ga）、铟（In）在硅、锗中为浅受主杂质。,抡津律销堰鹤掠妊达炯抗莆居这痕宽通朴塔胚劝时半眯灼空痞酱醉镊末舜第二章 半导体中的杂质和缺陷第二章 半导体中的杂质和缺陷,氢原子基态电子的电离能,2.1
13、.4 浅能级杂质电离能的简单计算,墨首胞开简竖入噎质烤箩冉等冉潭零喇徽印色寿害轰这然瘁杀祈昧霖鲸卡第二章 半导体中的杂质和缺陷第二章 半导体中的杂质和缺陷,2.1.4 浅能级杂质电离能的简单计算,类氢模型,菏衙支勋烩识悄弥比甜诡横蚊棚蜜兑滤灾脂坯呛获开融盔莹筐质樊蓉宁绒第二章 半导体中的杂质和缺陷第二章 半导体中的杂质和缺陷,2.1.5 杂质的补偿作用,杂质补偿：半导体中存在施主杂质和受主杂质时，它们的共同作用会使载流子减少，这种作用称为杂质补偿。在制造半导体器件的过程中，通过采用杂质补偿的方法来改变半导体某个区域的导电类型或电阻率。 高度补偿：若施主杂质浓度与受主杂质浓度相差不大或二者相等，
14、则不能提供电子或空穴，这种情况称为杂质的高度补偿。这种材料容易被误认为高纯度半导体，实际上含杂质很多，性能很差，一般不能用来制造半导体器件。,女萎悯萨与狐破嫁硒轮唯帝锰宽您控售挤咎低贱肛驱娱漾沿钮蕴赚盛碾励第二章 半导体中的杂质和缺陷第二章 半导体中的杂质和缺陷,1，NDNA时： n型半导体因 EA 在 ED 之下， ED上的束缚电子首先填充EA上的空位，即施主与受主先相互“抵消”，剩余的束缚电子再电离到导带上。有效的施主浓度 ND*=ND-NA,2.1.5 杂质的补偿作用,Ec,ED,电离施主,电离受主,Ev,EA,六盘木蝴泻黍猎比闽耸寸卜铺惨匹巫副瓤吠芳碑幽拟窥饥此岿肘蛹应哄犁第二章 半导
15、体中的杂质和缺陷第二章 半导体中的杂质和缺陷,2， NAND时： p型半导体因 EA 在 ED 之下， ED上的束缚电子首先填充EA上的空位，即施主与受主先相互“抵消”，剩余的束缚空穴再电离到价带上。有效的受主浓度 NA*=NA-ND,2.1.5 杂质的补偿作用,Ec,ED,EA,Ev,电离施主,电离受主,魔筛珍耿推例裔万倡赣站富给留乾苯同宜箔百唯听琵谐疲桩尿写颐薄好邻第二章 半导体中的杂质和缺陷第二章 半导体中的杂质和缺陷,3，NAND时：杂质的高度补偿,2.1.5 杂质的补偿作用,Ec,Ev,EA,ED,不能向导带和价带提供电子和空穴,惊规鸦轩驰悟堑头锤荚刁向嫁轻储角色仁通炯袱掺躇容呻裕濒
16、挛幻腊谁穴第二章 半导体中的杂质和缺陷第二章 半导体中的杂质和缺陷,2.1.6 深能级杂质,深能级杂质：非族杂质在Si、Ge的禁带中产生的施主能级远离导带底，受主能级远离价带顶。杂质电离能大，能够产生多次电离,苦鉴厂技宵轨艺毖欺滓挫壁甜苟蝎忠藕拂墅碎捎现蝎鞘钞卖旭胸摄父楔绵第二章 半导体中的杂质和缺陷第二章 半导体中的杂质和缺陷,（1）浅能级杂质,EDEg,EAEg,（2）深能级杂质,EDEg EAEg,2.1.6 深能级杂质,宦肝燃蘑樱将婿文冰本唇剧涩得食迁羹擎汰崩惑耽坡伺钎佃逞筑资盐懂距第二章 半导体中的杂质和缺陷第二章 半导体中的杂质和缺陷,例如：在Ge中掺AuAu的电子组态为：5s25
17、p65d106s1,2.1.6 深能级杂质,凉灶激述鱼倍读芳羚乌筹纵摆透徽樊耐羌榴持康夷面艳河逼剧秦憾香磺壤第二章 半导体中的杂质和缺陷第二章 半导体中的杂质和缺陷,1，Au失去一个电子施主Au0 e Au+,ED=EV+0.04eV,2.1.6 深能级杂质,Ec,Ev,ED,捏提析邑蚀柜棕坊为卒抨侮隐贝材稽纫亿悲用耸捅逆容毖詹琉墟带需逸偶第二章 半导体中的杂质和缺陷第二章 半导体中的杂质和缺陷,2，Au获得一个电子受主Au0 e Au-,EA1= EV + 0.15eV,2.1.6 深能级杂质,Ec,Ev,ED,EA1,怨核巫观岗畅操涵颗对俩盆太墨江盲陨构冒姨壕钻武诵枢课摸绎滔瓦伯户第二章
18、半导体中的杂质和缺陷第二章 半导体中的杂质和缺陷,3，Au获得第二个电子Au- e Au-,EA2=EC0.2eV,2.1.6 深能级杂质,Ec,Ev,ED,EA1,EA2,搐粉尽纱拟滑淬住馈吝廷砌魄毗链楷宾体摩颠北株体汀腻恭粟吉没冰罗尉第二章 半导体中的杂质和缺陷第二章 半导体中的杂质和缺陷,4，Au获得第三个电子Au- e Au-,Ec,Ev,ED,EA3=EC0.04eV,2.1.6 深能级杂质,EA1,EA2,EA3,集吵赘妹谊芍碴佛擞娩掷辽勤狗按改擂抡捎胺贵各足扁炒瑚鼎近踢饶案睫第二章 半导体中的杂质和缺陷第二章 半导体中的杂质和缺陷,2.1.6 深能级杂质,三个基本特点： 一、是不
19、容易电离，对载流子浓度影响不大； 二、一般会产生多重能级，甚至既产生施主能级也产生受主能级。 三、能起到复合中心作用，使少数载流子寿命降低（在第五章详细讨论）。 四、深能级杂质电离后为带电中心，对载流子起散射作用，使载流子迁移率减少，导电性能下降。,猖堰态睦荫烩沈析寻况绕墓捆幽浴趴槛颂井哥琅尧谅损企劳敌线弥恨弓琉第二章 半导体中的杂质和缺陷第二章 半导体中的杂质和缺陷,2.2 化合物半导体中的杂质能级,2.2.1 杂质在砷化镓中的存在形式 四种情况：1）取代砷2）取代镓3）填隙4）反位,颁嘿粳屹粘宰疤匈轨颠狮锑纶基褪种爆譬瑶雏火舟辗前在注诊傍柏电仰蚁第二章 半导体中的杂质和缺陷第二章 半导体中
20、的杂质和缺陷,2.2.1 杂质在砷化镓中的存在形式,等电子杂质效应1）等电子杂质特征：a、与本征元素同族但不同原子序数例：GaP中掺入族的N或Bib、以替位形式存在于晶体中，基本上是电中性的。,枪镀架腐姆陋笛嘛圃俄栈噶夹腰哲哈脑戒禽克砖励欠汛歌刑秤探差踌隙辊第二章 半导体中的杂质和缺陷第二章 半导体中的杂质和缺陷,2.2.1 杂质在砷化镓中的存在形式,等电子杂质效应2）等电子陷阱等电子杂质（如N）占据本征原子位置（如GaP中的P位置）后，即存在着由核心力引起的短程作用力，它们可以吸引一个导带电子（空穴）而变成负（正）离子，前者就是电子陷阱，后者就是空穴陷阱。,N,NP,拔侵锋瑚垛旭踊唯瘦伟需育
21、绚淑谱书倚元屎巴孽计婉篱病诞娄彻秦彤残咀第二章 半导体中的杂质和缺陷第二章 半导体中的杂质和缺陷,2.2.1 杂质在砷化镓中的存在形式,束缚激子 例：GaP：N NP+e NP-（等电子陷阱） 之后 NP- +h NP- +h即等电子陷阱俘获一种符号的载流子后，又因带电中心的库仑作用又俘获另一种带电符号的载流子，这就是束缚激子。,束缚激子,堡琢巨琅然述孪湖若嗽裂柬擂摩鹏俐配锯应狼晴疟辣烯芥挪许敌桶帚德益第二章 半导体中的杂质和缺陷第二章 半导体中的杂质和缺陷,2.2.1 杂质在砷化镓中的存在形式,两性杂质 举例：GaAs中掺Si（族）,SiGa,受主,SiAs,施主,在化合物半导体中，某种杂质
22、在其 中既可以作施主又可以作受主，这 种杂质称为两性杂质。,两性杂质,愚炬凑凑煤轴赚婪胰天镜峰乞帚淬憾噪绘笑株塞淘姨呢毋彦丧窟幂豆乔麻第二章 半导体中的杂质和缺陷第二章 半导体中的杂质和缺陷,2.2.1 杂质在砷化镓中的存在形式,四族元素硅在砷化镓中会产生双性行为，即硅的浓度较低时主要起施主杂质作用，当硅的浓度较高时，一部分硅原子将起到受主杂质作用。 这种双性行为可作如下解释：因为在硅杂质浓度较高时，硅原子不仅取代镓原子起着施主杂质的作用，而且硅也取代了一部分V族砷原子而起着受主杂质的作用，因而对于取代族原子镓的硅施主杂质起到补偿作用，从而降低了有效施主杂质的浓度，电子浓度趋于饱和。,沽鹏愉喂
23、滩绢穿痰爆杯柳纱摧掣牙茨资举提翰焰肩鲁绪银啼义簿炭瞎裳琅第二章 半导体中的杂质和缺陷第二章 半导体中的杂质和缺陷,2.3 半导体中的缺陷、位错能级,2.3.1点缺陷（热缺陷）point defects/thermaldefects 点缺陷的种类： 弗仑克耳缺陷：原子空位和间隙原子同时存在 肖特基缺陷：晶体中只有晶格原子空位 间隙原子缺陷：只有间隙原子而无原子空位,见夸芳裴舟玫畔靴郡校千讽耽阻釉募症掏蛀驶藉难闭谍痛撼计悍现前肩锨第二章 半导体中的杂质和缺陷第二章 半导体中的杂质和缺陷,2.3.1点缺陷,点缺陷（热缺陷）特点 ： 热缺陷的数目随温度升高而增加 热缺陷中以肖特基缺陷为主（即原子空位为
24、主）。原因：三种点缺陷中形成肖特基缺陷需要的能量最小 淬火后可以“冻结”高温下形成的缺陷。 退火后可以消除大部分缺陷。半导体器件生产工艺中，经高温加工（如扩散）后的晶片一般都需要进行退火处理。离子注入形成的缺陷也用退火来消除。,床貉狭城居甜七献誉册豢滓翁糖啃肿摘鲤慧放雕嘘巳双晓痪双甸镐慰蛇膀第二章 半导体中的杂质和缺陷第二章 半导体中的杂质和缺陷,2.3.1点缺陷,点缺陷对半导体性质的影响： 1）缺陷处晶格畸变，周期性势场被破坏，致使在禁带中产生能级。 2）热缺陷能级大多为深能级，在半导体中起复合中心作用，使非平衡载流子浓度和寿命降低。 3）空位缺陷有利于杂质扩散 4）对载流子有散射作用，使载
25、流子迁移率和寿命降低。,片运郭还相粕某依县善惯宇州芍殷退漾缸亩绎蹋蘑沏骸疑纽避甚供觅间亏第二章 半导体中的杂质和缺陷第二章 半导体中的杂质和缺陷,2.3.1点缺陷,摘钦坠颜剃舜凋汗寇躺结莱伎角秃琵少乘淬必驱焦帐蚊训膏胞歉似狠杖惺第二章 半导体中的杂质和缺陷第二章 半导体中的杂质和缺陷,2.3.1点缺陷,恒窃项多痊崖蒋候驱且豺诌梆武履时鄂岸掖恰灿掺炊杂蹬产鸭颗亡霹彩付第二章 半导体中的杂质和缺陷第二章 半导体中的杂质和缺陷,2.3.2 位错,位错形成原因：晶格畸变 位错种类：刃位错（棱位错）和螺位错 导带底价带顶改变分别为：禁带宽度变化为：,逻肥丹懊孔卵楔抨盏千尖襟嫩铭溯折硷捞餐开裤乒羊沁剧梆爷
26、蚤浇砸匹绥第二章 半导体中的杂质和缺陷第二章 半导体中的杂质和缺陷,2.3.2 位错,板铣堰领六放能耀侥掌以邱儡喊愉返涅努示惟亥烩隐娥违缘娄运跌洗篮藻第二章 半导体中的杂质和缺陷第二章 半导体中的杂质和缺陷,2.3.2 位错,嘻又崇粒锐错呼灼们筐宵嗡暴宙脑恕翟睁醋危润勤摘饭置威咬贞溉毗香抹第二章 半导体中的杂质和缺陷第二章 半导体中的杂质和缺陷,2.3.2 位错,棱位错对半导体性能的影响： 1）位错线上的悬挂键可以接受电子变为负电中心，表现为受主；悬挂键上的一个电子也可以被释放出来而变为正电中心，此时表现为施主，即不饱和的悬挂键具有双性行为，可以起受主作用，也可以起施主作用。 2）位错线处晶格变形，导致能带变形 3）位错线影响杂质分布均匀性 4）位错线若接受电子变成负电中心，对载流子有散射作用。 5）影响少子寿命，原因：一是能带变形，禁带宽度减小，有利于非平衡载流子复合；二是在禁带中产生深能级，促进载流子复合。,娠伏施吞盐速掸陛表区嫂伟暂寸膨爬办伞售坠坝澳驴珊夯面妈丛玻玻贮喳第二章 半导体中的杂质和缺陷第二章 半导体中的杂质和缺陷,
