1、半导体中杂质和缺陷能级,理想半导体： 原子严格地周期性排列，晶体具有完整的晶格结构。 晶体中无杂质，无缺陷。 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。,杂质：与组成半导体材料元素不同的其它化学元素。如硅中掺磷、掺硼等。 杂质半导体：掺杂后的半导体。掺杂后半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。 杂质来源： a 有意掺入 b 污染,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。,缺陷：实际半导体晶格结构不是完整无缺的，存在各种形式的缺陷。 缺陷可分为三类： （）点缺陷（空位、
2、间隙原子等）； （）线缺陷（位错等）； （）面缺陷（层错、多晶体中的晶粒间界等）,引入杂质和缺陷的意义 半导体材料独特的性质，取决于杂质影响极微量的杂质和缺陷，能够对半导体材料的理化性质产生决定性的影响（半导体器件的质量） 可通过适当掺杂制造形形色色的器件,半导体中的杂质和缺陷起什么样作用？为什么会起这样的作用？,根据杂质在半导体中位置不同，可分为： 替位式杂质和间隙式杂质(interstitial),替位式杂质较大，而间隙式杂质较小 杂质浓度：描述杂质的含量多少 1/cm3 引入的杂质能级位于禁带中,形成替位式杂质，对替位杂质原子的要求： 大小与被取代的晶格原子的大小比较相近，价电壳层结构比
3、较相近如：、是IV族元素，与III、V族元素相近所以III、V族元素在硅、锗晶体中都是替位杂质。,施主杂质、施主能级,一、施主杂质： 在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。,施主杂质、施主能级,掺入施主杂质磷 P,硅、锗中晶体中的杂质能级,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,如何用能带理论解释施主杂质？,硅、锗中晶体中的杂质能级,杂质能级,硅、锗中晶体
4、中的杂质能级,施主能级,杂质电离能,施主电离能：ED = EC- ED,硅、锗中晶体中的杂质能级,ED,得到能量,Si、Ge中族杂质的电离能ED（eV） 晶体 杂质电离能ED 禁带宽度EgP As Sb Si 0.044 0.049 0.039 1.12Ge 0.0126 0.0127 0.0096 0.67,硅、锗中晶体中的杂质能级,掺入受主杂质硼（B）,硅、锗中晶体中的杂质能级,如何用能带理论解释受主杂质？,硅、锗中晶体中的杂质能级,硅、锗中晶体中的杂质能级,EA,得到能量,浅能级杂质 = 杂质离子 + 束缚电子（空穴）,硅、锗中晶体中的杂质能级,特点：施主电离能 ED Eg受主电离能 E
5、A Eg 即所谓的浅能级杂质,硅、锗中晶体中的杂质能级,杂质的补偿：既掺有施主杂质又掺有受主杂质杂质补偿作用分为三种情况考虑： ND 施主杂质浓度，NA 受主杂质浓度 （A） NDNA时 （B） NAND时 （C） NDNA时,硅、锗中晶体中的杂质能级,（A）NDNA时因 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。 所以：有效的施主浓度 ND*=ND-NA,硅、锗中晶体中的杂质能级, n型半导体,（B）NAND时因 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
6、穴再电离到价带上。 所以：有效的施主浓度 NA*=NA-ND,硅、锗中晶体中的杂质能级, P型半导体,（C） NAND时 杂质的高度补偿本征激发的导带电子 本征激发的价带空穴,Ev,Ec,EA,ED,硅、锗中晶体中的杂质能级,（1）浅能级杂质 ED、EA远小于Eg,（2）深能级杂质 ED、EA和Eg相当,硅、锗中晶体中的杂质能级,例：Au（族）在Ge中 Au在Ge中共有五种可能的状态： （1）Au+（2）Au0 （3）Au- （4）Au2-（5）Au3-,硅、锗中晶体中的杂质能级,Ec,Ev,ED,Ei,EA1,EA2,EA3,缺陷和位错,尘埃粒子所造成的不同腐蚀的影响,在IC制造中必须要求洁
7、净的厂房，因为尘埃可能会粘附于晶片或掩模版上造成器件的缺陷从而使电路失效。,缺陷？,颗粒引起的缺陷,颗粒的大小要小于器件上最小特征图形尺寸的1/10。（就是说直径为0.03微米的颗粒将会损坏0.3微米线宽大小的特征图形）否则会造成器件功能的致命伤害。,颗粒引起的缺陷,缺陷、位错能级,缺陷对材料性能有重要的影响理想晶体：质点严格按照空间点阵排列实际晶体：存在各种各样的结构不完整性,形成原因：1、热缺陷（晶格位置缺陷)2、杂质缺陷(组成缺陷 ）,（1）弗伦克尔缺陷（Frenkel） 原子进入晶格的间隙位置，空位和间隙原子同时出现，晶体体积不发生变化，晶体不会因为出现空位而产生密度变化。,1、热缺陷
8、（晶格位置缺陷),特点：空位与间隙粒子成对出现，数量相等，晶体体积不发生变化。,缺陷、位错能级,（2）肖特基缺陷（Schottky） 表面层原子获得较大能量，离开原来格点位跑到表面外新的格点位，原来位置形成空位这样晶格深处的原子就依次填入，结果表面上的空位逐渐转移到内部去。 特点：晶体表面增加了新的原子层，晶体内部只有空位缺陷。晶体体积膨胀，密度下降。,1、热缺陷（晶格位置缺陷),缺陷、位错能级,2、杂质缺陷(组成缺陷 ）,外来原子进入主晶格产生的缺陷。在原晶体结构中进入了杂质原子，它与固有原子性质不同，破坏了原子排列的周期性，杂质原子在晶体中占据两种位置：,（2） 替位式杂质,（1） 间隙式杂质,缺陷、位错能级,点缺陷和位错点缺陷：在三维尺寸均很小，只在某些位置发生，只影响邻近几个原子。是处于原子大小数量级上的缺陷 线缺陷（位错)：缺陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短。在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷。这种线缺陷又称位错。,缺陷、位错能级,总结与复习,施主杂质、施主能级 受主杂质、受主能级 如何用能带理论解释什么是施主杂质、施主杂质 杂质的补偿作用 深能级杂质,
