半導(dǎo)體物理學(xué)第二章ppt課件

.,半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布半導(dǎo)體的導(dǎo)電性非平衡載流子pn結(jié)金屬和半導(dǎo)體的接觸半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié),半導(dǎo)體物理學(xué),.,第二章半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí),半導(dǎo)體偏離理想的情況：,2)材料含雜質(zhì)，不純凈,1)晶格原子在平衡位置附近振動(dòng)，不靜止在格點(diǎn)上,3)晶格中存在缺陷(點(diǎn)缺陷（空位、間隙原子）線缺陷（位錯(cuò)）面缺陷（層錯(cuò)）),主要討論雜質(zhì)和缺陷：極微量的雜質(zhì)和缺陷，會(huì)對(duì)半導(dǎo)體材料的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生決定性的影響，同時(shí)也嚴(yán)重影響半導(dǎo)體器件的質(zhì)量,雜質(zhì)的影響：105個(gè)硅原子中有一個(gè)雜質(zhì)硼原子，室溫電導(dǎo)率增加103個(gè)數(shù)量級(jí)。,缺陷的影響：硅平面器件要求位錯(cuò)密度控制在103cm2以下。,原因1.破壞了周期性勢(shì)場(chǎng)；2.在禁帶中引入了雜質(zhì)能級(jí)。允許電子在禁帶中存在，從而使半導(dǎo)體的性質(zhì)發(fā)生改變。,.,第2章半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí),2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)2.2-族化合物中的雜質(zhì)能級(jí)2.3氮化鎵、氮化鋁、碳化硅中的雜質(zhì)能級(jí)2.4缺陷、位錯(cuò)能級(jí),.,2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)2.1.1替位式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì),晶體有間隙：金剛石晶體中，原子占全部的34%，空隙占66%?？障?間隙位置，如金剛石原胞中央的位置T和三個(gè)面心、三個(gè)體心原子的中央H。,.,金剛石結(jié)構(gòu)（DiamondStructure）,.,硅、鍺晶體中的間隙,例：如圖所示為一晶格常數(shù)為a的Si晶胞，求：（a）Si原子半徑（b）晶胞中所有Si原子占據(jù)晶胞的百分比,解：（a）,（b）,.,間隙式雜質(zhì)、替位式雜質(zhì),雜質(zhì)原子位于晶格原子間的間隙位置，該雜質(zhì)稱為間隙式雜質(zhì)。間隙式雜質(zhì)原子一般比較小，如Si、Ge、GaAs材料中的離子鋰（0.068nm）。雜質(zhì)原子取代晶格原子而位于晶格點(diǎn)處，該雜質(zhì)稱為替位式雜質(zhì)。替位式雜質(zhì)原子的大小和價(jià)電子殼層結(jié)構(gòu)要求與被取代的晶格原子相近。如、族元素在Si、Ge晶體中都為替位式雜質(zhì)。,.,間隙式雜質(zhì)、替位式雜質(zhì),單位體積中的雜質(zhì)原子數(shù)稱為雜質(zhì)濃度單位cm-3,.,2.1.2施主雜質(zhì)、施主能級(jí),在純硅中摻入5價(jià)的磷P，磷的5個(gè)價(jià)電子中的4個(gè)形成了共價(jià)鍵，剩余一個(gè)價(jià)電子+多余一個(gè)正電荷中心P+。價(jià)電子束縛在正電中心P+周圍，此價(jià)電子很容易掙脫束縛，成為導(dǎo)電電子在晶格中運(yùn)動(dòng)，因磷離子為不動(dòng)的正電荷中心，基本不參與導(dǎo)電。這種電子脫離雜質(zhì)束縛的過(guò)程稱為“雜質(zhì)電離”。電子脫離束縛所需要的能量為“雜質(zhì)電離能ED”。V族雜質(zhì)能夠施放(提供)導(dǎo)帶電子被稱為“施主雜質(zhì)”或n型雜質(zhì)。將施主束縛電子的能量狀態(tài)稱為“施主能級(jí)”記為ED。施主能級(jí)離導(dǎo)帶底Ec的距離為ED。結(jié)論：摻磷(5價(jià))，施主，電子導(dǎo)電，n型半導(dǎo)體。,.,施主：摻入在半導(dǎo)體中的雜質(zhì)原子，能夠向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的電子，并成為帶正電的離子。如Si中的P和As,N型半導(dǎo)體,半導(dǎo)體的摻雜,施主能級(jí),.,2.1.3受主雜質(zhì)受主能級(jí),在硅中摻入3價(jià)的硼B(yǎng)，硼原子有3個(gè)價(jià)電子，與周圍四個(gè)硅原子形成共價(jià)鍵，缺少一個(gè)電子，必須從周圍獲得一個(gè)電子，成為負(fù)電中心B-。硼的能級(jí)距價(jià)帶能級(jí)頂部很近，容易得到電子。負(fù)電中心B-不能移動(dòng)；而價(jià)帶頂?shù)目昭ㄒ子诒恢車娮犹畛洌纬煽昭ǖ囊苿?dòng)，即“導(dǎo)電空穴”。這種能夠接受電子的雜質(zhì)稱之為“受主雜質(zhì)”，或P型雜質(zhì)。受主雜質(zhì)獲得電子的過(guò)程稱之為“受主電離”；受主束縛電子的能量狀態(tài)稱之為“受主能級(jí)EA”；受主能級(jí)比價(jià)帶頂EV高“電離能EA”。,.,受主：摻入在半導(dǎo)體中的雜質(zhì)原子，能夠向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的空穴，并成為帶負(fù)電的離子。如Si中的B,P型半導(dǎo)體,半導(dǎo)體的摻雜,受主能級(jí),.,半導(dǎo)體的摻雜,、族雜質(zhì)在Si、Ge晶體中分別為受主和施主雜質(zhì)，它們?cè)诮麕е幸肓四芗?jí)；受主能級(jí)比價(jià)帶頂高，施主能級(jí)比導(dǎo)帶底低，均為淺能級(jí)，這兩種雜質(zhì)稱為淺能級(jí)雜質(zhì)。雜質(zhì)處于兩種狀態(tài)：中性態(tài)和離化態(tài)。當(dāng)處于離化態(tài)時(shí)，施主雜質(zhì)向?qū)峁╇娮映蔀檎娭行模皇苤麟s質(zhì)向價(jià)帶提供空穴成為負(fù)電中心。,.,電離能的大小：,硅中摻磷為0.044，摻硼為0.045(eV)。鍺中摻磷為0.0126，摻硼為0.01(eV)。這種電離能很小，雜質(zhì)可以在很低的溫度下電離。故稱之為“淺能級(jí)雜質(zhì)”，在室溫幾乎全部電離。雜質(zhì)能級(jí)用短線表示，因雜質(zhì)濃度與硅相比很低，雜質(zhì)原子相互之間幾乎無(wú)作用，雜質(zhì)能級(jí)相同，量子的排斥原理對(duì)低濃度的雜質(zhì)摻雜不起作用。,.,2.1.4淺能級(jí)雜質(zhì)電離能的簡(jiǎn)單計(jì)算,氫原子替換類氫雜質(zhì),E0=13.6eV(氫基態(tài))，m0電子慣性質(zhì)量，r相對(duì)介電常數(shù),.,氫原子玻爾軌道半徑為，根據(jù)雜質(zhì)類氫模型將代替，以代替，可得雜質(zhì)等效玻爾半徑，,.,受主電離能,同理,.,例題,硅中摻入某種施主雜質(zhì)，設(shè)其電子有效質(zhì)量,計(jì)算電離能為多少？若，其電離能又為多少？這兩種值中哪一種更接近實(shí)驗(yàn)值？解答：利用類氫原子模型：,.,由實(shí)驗(yàn)知，Si中施主電離能在，所以后者接近實(shí)驗(yàn)值。,.,2.1.5雜質(zhì)的補(bǔ)償作用,同時(shí)摻入P型和n型兩種雜質(zhì)，它們會(huì)相互抵消。若NDNA,則為n型半導(dǎo)體，n=ND-NA；反之為P型，p=NA-ND。其凈雜質(zhì)濃度稱之為“有效雜質(zhì)濃度”。（有效施主濃度；有效受主濃度）值得注意的是，雜質(zhì)的高度補(bǔ)償（）即當(dāng)兩種雜質(zhì)的含量均較高且濃度基本相同時(shí)，材料容易被誤認(rèn)為是“高純半導(dǎo)體”，實(shí)際上，過(guò)多的雜質(zhì)含量會(huì)使半導(dǎo)體的性能變差，不能用于制造器件。,.,半導(dǎo)體中同時(shí)存在施主和受主雜質(zhì)，且。,N型半導(dǎo)體,N型半導(dǎo)體,.,半導(dǎo)體中同時(shí)存在施主和受主雜質(zhì)，且。,P型半導(dǎo)體,P型半導(dǎo)體,.,半導(dǎo)體器件和集成電路生產(chǎn)中就是利用雜質(zhì)補(bǔ)償作用，在n型Si外延層上的特定區(qū)域摻入比原先n型外延層濃度更高的受主雜質(zhì)，通過(guò)雜質(zhì)補(bǔ)償作用就形成了p型區(qū)，而在n型區(qū)與p型區(qū)的交界處就形成了pn結(jié)。如果再次摻入比p型區(qū)濃度更高的施主雜質(zhì)，在二次補(bǔ)償區(qū)域內(nèi)p型半導(dǎo)體就再次轉(zhuǎn)化為n型，從而形成雙極型晶體管的n-p-n結(jié)構(gòu)。,圖2.16晶體管制造過(guò)程中的雜質(zhì)補(bǔ)償,.,非、族雜質(zhì)在Si、Ge禁帶中也產(chǎn)生能級(jí)，其特點(diǎn)為：非、族元素在Si、Ge禁帶中產(chǎn)生的施主能級(jí)ED距導(dǎo)帶底Ec較遠(yuǎn)，產(chǎn)生的受主能級(jí)EA距價(jià)帶頂Ev較遠(yuǎn)，這種雜質(zhì)能級(jí)稱為深能級(jí)，對(duì)應(yīng)的雜質(zhì)稱為深能級(jí)雜質(zhì)。深能級(jí)雜質(zhì)可以多次電離，每一次電離相應(yīng)有一個(gè)能級(jí)，有的雜質(zhì)既引入施主能級(jí)又引入受主能級(jí)。所以，一個(gè)深能級(jí)雜質(zhì)能產(chǎn)生多個(gè)雜質(zhì)能級(jí)。如I族的銅、銀、金能產(chǎn)生三個(gè)受主能級(jí)；II族元素鋅、鎘、汞在硅、鍺中各產(chǎn)生兩個(gè)受主能級(jí)。,2.1.6深能級(jí)雜質(zhì),.,金在鍺中的多能級(jí),金是1價(jià)元素，中性的金有一個(gè)價(jià)電子。在鍺中，金的價(jià)電子若電離躍入導(dǎo)帶，則成為施主。然而，此價(jià)電子被多個(gè)共價(jià)鍵束縛，電離能很大，故為“深施主”。另一方面，金比鍺少三個(gè)電子。鍺的整體結(jié)構(gòu)要求每個(gè)原子為四價(jià)，因此，金有可能接受三個(gè)電子，形成EA1、EA2、EA3三個(gè)受主能級(jí)。當(dāng)金接受了一個(gè)電子后，成為Au-，再接受一個(gè)電子將受到負(fù)電中心的排斥作用，難度更大。因而受主能級(jí)EA2將更大。EA3最大，能級(jí)最深，非?？拷鼘?dǎo)帶。,.,以Ge中摻Au為例：,圖中Ei表示禁帶中線位置，Ei以上注明的是雜質(zhì)能級(jí)距導(dǎo)帶底Ec的距離，Ei以下標(biāo)出的是雜質(zhì)能級(jí)距價(jià)帶頂Ev的距離。,圖2.17Au在Ge中的能級(jí),.,解釋：多次電離中性Au0的一個(gè)價(jià)電子可以電離釋放到導(dǎo)帶，形成施主能級(jí)ED,其電離能為(Ec-ED)，從而成為帶一個(gè)正電荷的單重電施主離化態(tài)Au+。這個(gè)價(jià)電子因受共價(jià)鍵束縛，它的電離能僅略小于禁帶寬度Eg，所以施主能級(jí)ED很接近Ev。中性Au0為與周圍四個(gè)Ge原子形成共價(jià)鍵，還可以依次由價(jià)帶再接受三個(gè)電子，分別形成EA1，EA2，EA3三個(gè)受主能級(jí)。價(jià)帶激發(fā)一個(gè)電子給Au0，使之成為單重電受主離化態(tài)Au-，電離能為EA1-Ev；從價(jià)帶再激發(fā)一個(gè)電子給Au-使之成為二重電受主離化態(tài)，所需能量為EA2-Ev；從價(jià)帶激發(fā)第三個(gè)電子給使之成為三重電受主離化態(tài)，所需能量為EA3-Ev。由于電子間存在庫(kù)侖斥力，EA3EA2EA1。,.,Si、Ge中其它一些深能級(jí)雜質(zhì)引入的深能級(jí)也可以類似地做出解釋。深能級(jí)雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體中載流子濃度和導(dǎo)電類型的影響不像淺能級(jí)雜質(zhì)那樣顯著，其濃度通常也較低，主要起復(fù)合中心的作用。含量很少。作用是捕獲電子，即電子陷阱。由于它能夠消除積累的空間電荷，減少電容，故可提高器件速度。采用摻金工藝能夠提高高速半導(dǎo)體器件的工作速度。,.,第2章半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí),2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)2.2-族化合物中的雜質(zhì)能級(jí)2.3氮化鎵、氮化鋁、碳化硅中的雜質(zhì)能級(jí)2.4缺陷、位錯(cuò)能級(jí),.,2.2IIIV族化合物中的雜質(zhì)能級(jí),III-V族化合物是兩種元素1:1構(gòu)成的物質(zhì)。雜質(zhì)進(jìn)入后，可以成為間隙或替位式雜質(zhì)。當(dāng)III族雜質(zhì)和V族雜質(zhì)摻入III-V族化合物中時(shí)，實(shí)驗(yàn)中測(cè)不到雜質(zhì)的影響，因?yàn)樗鼈儧](méi)有在禁帶中引入能級(jí)。但有些V族元素的取代會(huì)產(chǎn)生能級(jí)，此能級(jí)為等電子能級(jí)，效應(yīng)稱之為“等電子雜質(zhì)效應(yīng)”：雜質(zhì)電子與基質(zhì)原子的價(jià)電子數(shù)量相等。替代格點(diǎn)原子后，仍為電中性。但是，原子序數(shù)不同導(dǎo)致了原子的“共價(jià)半徑”和“電負(fù)性”不同，即對(duì)電子的束縛能力不同于格點(diǎn)原子，能俘獲電荷成為帶電中心，形成電子陷阱或正電荷陷阱。該陷阱俘獲載流子后，又能俘獲相反符號(hào)的電荷，形成“束縛激子”。這種束縛激子在間接帶隙半導(dǎo)體制成了發(fā)光器件中起主要作用。,.,雜質(zhì)在GaAs中的位置,替代族時(shí)，周圍是四個(gè)族原子替代族時(shí)，周圍是四個(gè)族原子,.,IV族元素碳、硅、鍺等摻入III-V族化合物中，若取代III族元素起施主作用；若取代V族元素起受主作用?？傂Ч鞘┲鬟€是受主與摻雜條件有關(guān)。,例如，硅在砷化鎵中引入一個(gè)淺的施主能級(jí)，即硅起施主作用，向?qū)峁╇娮印．?dāng)硅雜質(zhì)濃度達(dá)到一定程度后，導(dǎo)帶電子濃度趨向飽和，雜質(zhì)的有效濃度反而降低。,總之，硅摻入砷化鎵不僅能取代III族的鎵起施主作用，而且還能取代V族的砷起受主的作用。其施主能級(jí)為c-0.002eV，受主能級(jí)為V+0.03eV。,.,第2章半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí),2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)2.2-族化合物中的雜質(zhì)能級(jí)2.3氮化鎵、氮化鋁、碳化硅中的雜質(zhì)能級(jí)2.4缺陷、位錯(cuò)能級(jí),.,2.4缺陷、位錯(cuò)能級(jí),1點(diǎn)缺陷因溫度導(dǎo)致了原子的熱振動(dòng)，造成了原子離開原有位置，形成空位，即晶格中出現(xiàn)了缺陷，稱之為點(diǎn)缺陷或熱缺陷。這種缺陷主要有兩種表現(xiàn)形式：肖特基缺陷或弗侖克爾缺陷。當(dāng)原子脫離晶格到達(dá)表面時(shí)，為肖特基缺陷或空位缺陷；（肖特基缺陷：只存在空位而無(wú)間隙原子）；而當(dāng)原子進(jìn)入間隙位置時(shí)，為弗侖克爾缺陷或間隙原子缺陷。（弗侖克爾缺陷：間隙原子和空位成對(duì)出現(xiàn)。）間隙原子和空位這兩種點(diǎn)缺陷受溫度影響較大，為熱缺陷，它們不斷產(chǎn)生和復(fù)合，直至達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，總是同時(shí)存在的。,.,.,元素半導(dǎo)體中的缺陷,空位缺陷的最近鄰有四個(gè)原子，每個(gè)原子有一個(gè)不成對(duì)的電子，為不飽和的共價(jià)鍵，有接受電子的傾向，表現(xiàn)出受主的作用。反之，間隙缺陷有四個(gè)可以失去的價(jià)電子，表現(xiàn)為施主。,.,化合物半導(dǎo)體的缺陷：主要三種,間隙原子正離子空位和負(fù)離子空位（離子晶體）替位原子,.,替位原子（化合物半導(dǎo)體）,.,2位錯(cuò),最著名的位錯(cuò)是刃位錯(cuò)或稱棱位錯(cuò)，從原子排列的狀況看如同垂直于滑移面插進(jìn)了一層原子,點(diǎn)原子一與周圍形成了3個(gè)共價(jià)鍵。當(dāng)原子E失去電子時(shí)，相當(dāng)于施主，變?yōu)檎娭行?；?dāng)原子俘獲電子時(shí)，相當(dāng)于受主，變?yōu)樨?fù)電中心。,.,位錯(cuò),位錯(cuò)是半導(dǎo)體中的一種缺陷，它嚴(yán)重影響材料和器件的性能。,.,位錯(cuò),施主情況受主情況,.,圖2-3-6晶體中的螺位錯(cuò),圖2-3-5晶體中的刃位錯(cuò),.,作業(yè),7題和8題,.,小結(jié),半導(dǎo)體工藝就是控制摻雜的工藝：雜質(zhì)工程間隙式雜質(zhì)，替代式雜質(zhì)淺能級(jí)雜質(zhì)：影響載流子濃度深能級(jí)雜質(zhì)：復(fù)合中心雜質(zhì)電離能施主，受主N型半導(dǎo)體，P型半導(dǎo)體人工晶體超晶格：能帶工程Ga1-xAlxAs,.,課堂練習(xí)2：判斷正誤,1、族雜質(zhì)在Si、Ge晶體中為深能級(jí)雜質(zhì)。（）2、受主雜質(zhì)向價(jià)帶提供空穴成為正電中心。（）3、硅晶體結(jié)構(gòu)是金剛石結(jié)構(gòu)，每