第二章半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷

1、1 1、來源、來源: :（1 1）沾污）沾污 可動離子可動離子鈉離子鈉離子、鉀離子、氫離子、鉀離子、氫離子 化學(xué)試劑、玻璃器皿、高溫器材、人體玷化學(xué)試劑、玻璃器皿、高溫器材、人體玷污污（2 2）人為控制摻雜）人為控制摻雜2 2 雜質(zhì)晶格位置雜質(zhì)晶格位置 （1 1）間隙式間隙式(interstitial) (interstitial) 雜質(zhì)原子位于晶格原子之間雜質(zhì)原子位于晶格原子之間的間隙位置的間隙位置 金剛石型晶胞內(nèi)原子占有體積金剛石型晶胞內(nèi)原子占有體積34%34%，空隙，空隙66%66%TH四面體間隙位置四面體間隙位置六角形間隙位置六角形間隙位置 （2）替位式替位式(substitution

2、al)-雜質(zhì)原子取代晶格雜質(zhì)原子取代晶格原子而位于格點位置原子而位于格點位置SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi替位式雜質(zhì)要求替位式雜質(zhì)要求 原子大小相近原子大小相近 價電子殼層結(jié)構(gòu)價電子殼層結(jié)構(gòu)接近接近 Si：r=0.117nm B：r=0.089nm P：r=0.11nm 間隙式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì)Li、H 原子半徑很小原子半徑很小 Li：r=0.068nmB B-1 -1（1 1）受主雜質(zhì)受主雜質(zhì)：雜質(zhì)電離時能夠在半導(dǎo)體中：雜質(zhì)電離時能夠在半導(dǎo)體中接受電子而產(chǎn)生導(dǎo)電空穴，并形成負電中接受電子而產(chǎn)生導(dǎo)電空穴，并形成負電中心。心。3 3 雜質(zhì)對電學(xué)性質(zhì)的影響

3、雜質(zhì)對電學(xué)性質(zhì)的影響 例如：例如：Si 室溫下室溫下 本征載流子濃度為本征載流子濃度為1010/cm3 摻入摻入B (NA=1016/cm3)Si的原子濃度為的原子濃度為10221023/cm3B原子的濃度原子的濃度/Si原子的濃度原子的濃度=10-6受主向價帶提供的載流子受主向價帶提供的載流子 10161017/cm31010/cm3百萬分之一百萬分之一百萬倍百萬倍EAEAEgEcEv （2 2）施主雜質(zhì)）施主雜質(zhì)：雜質(zhì)電離時能夠釋放電子：雜質(zhì)電離時能夠釋放電子而產(chǎn)生導(dǎo)電電子并形成正電中心。而產(chǎn)生導(dǎo)電電子并形成正電中心。P+1ED+EDEgEcEv概念匯總概念匯總 施主、施主電離、施主、施主

4、電離、n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 施主施主-能夠向半導(dǎo)體提供導(dǎo)帶電子的雜質(zhì)能夠向半導(dǎo)體提供導(dǎo)帶電子的雜質(zhì) 施主電離施主電離-施主雜質(zhì)上多余的一個價電子擺施主雜質(zhì)上多余的一個價電子擺脫束縛脫束縛,成為導(dǎo)帶電子成為導(dǎo)帶電子 n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體主要依靠導(dǎo)帶電子導(dǎo)電的半導(dǎo)主要依靠導(dǎo)帶電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體體 雜質(zhì)向?qū)Ш蛢r帶提供電子和空穴的過程雜質(zhì)向?qū)Ш蛢r帶提供電子和空穴的過程（電子從施主能級向?qū)У能S遷或空穴從受（電子從施主能級向?qū)У能S遷或空穴從受主能級向價帶的躍遷）稱為主能級向價帶的躍遷）稱為雜質(zhì)電離或雜質(zhì)雜質(zhì)電離或雜質(zhì)激發(fā)激發(fā)。所需要的能量稱為雜質(zhì)的電離能。所需要的能量稱為雜質(zhì)的電離能。 電子從價帶直接向

5、導(dǎo)帶激發(fā)，成為導(dǎo)帶的自電子從價帶直接向?qū)Ъぐl(fā)，成為導(dǎo)帶的自由電子，這種激發(fā)稱為由電子，這種激發(fā)稱為本征激發(fā)本征激發(fā)，只有本征，只有本征激發(fā)的半導(dǎo)體稱為激發(fā)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體。 受主受主, ,受主電離和受主電離和p p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 受主受主- -能接受電子而產(chǎn)生導(dǎo)電空穴的雜質(zhì)能接受電子而產(chǎn)生導(dǎo)電空穴的雜質(zhì). . 受主電離受主電離 受主雜質(zhì)上的空穴擺脫束縛受主雜質(zhì)上的空穴擺脫束縛, ,成為成為價帶空穴價帶空穴 ( (即價帶電子激發(fā)到受主能級上即價帶電子激發(fā)到受主能級上) ) p p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 -主要依靠價帶空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體主要依靠價帶空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體 摻施主的半導(dǎo)體的導(dǎo)帶

6、電子數(shù)主要由施主決定，半摻施主的半導(dǎo)體的導(dǎo)帶電子數(shù)主要由施主決定，半導(dǎo)體導(dǎo)電的載流子主要是電子（電子數(shù)導(dǎo)體導(dǎo)電的載流子主要是電子（電子數(shù)空穴數(shù)），空穴數(shù)），對應(yīng)的半導(dǎo)體稱為對應(yīng)的半導(dǎo)體稱為n n型型半導(dǎo)體。稱電子為多數(shù)載流半導(dǎo)體。稱電子為多數(shù)載流子，簡稱多子，空穴為少數(shù)載流子，簡稱少子。子，簡稱多子，空穴為少數(shù)載流子，簡稱少子。 摻受主的半導(dǎo)體的價帶空穴數(shù)由受主決定，半導(dǎo)體摻受主的半導(dǎo)體的價帶空穴數(shù)由受主決定，半導(dǎo)體導(dǎo)電的載流子主要是空穴（空穴數(shù)導(dǎo)電的載流子主要是空穴（空穴數(shù)電子數(shù)），對電子數(shù)），對應(yīng)的半導(dǎo)體稱為應(yīng)的半導(dǎo)體稱為p p型型半導(dǎo)體。空穴為多子，電子為半導(dǎo)體?？昭槎嘧?，電子為少子。

7、少子。 n n型和型和p p型半導(dǎo)體都稱為極性半導(dǎo)體型半導(dǎo)體都稱為極性半導(dǎo)體 例：例：n型半導(dǎo)體（低溫弱電離型半導(dǎo)體（低溫弱電離區(qū)）區(qū)）TkENNnDcD0022ln21ln1/Tlnn0-ED/(2k0)lnn0 常數(shù)常數(shù) ED/(2k0T)可以通過實驗，可以通過實驗，計算出雜質(zhì)電離能計算出雜質(zhì)電離能（3）利用電學(xué)性質(zhì)計算雜質(zhì)電離能）利用電學(xué)性質(zhì)計算雜質(zhì)電離能問題：問題：如果在半導(dǎo)體中摻入施主雜質(zhì)后，又繼續(xù)摻入如果在半導(dǎo)體中摻入施主雜質(zhì)后，又繼續(xù)摻入等量受主雜質(zhì)，則導(dǎo)電性會產(chǎn)生什么樣的變化？等量受主雜質(zhì)，則導(dǎo)電性會產(chǎn)生什么樣的變化？（4 4）雜質(zhì)補償雜質(zhì)補償：半導(dǎo)體中同時存在著施主和：半導(dǎo)體

8、中同時存在著施主和受主雜質(zhì)，兩種雜質(zhì)之間相互抵消的作用。受主雜質(zhì)，兩種雜質(zhì)之間相互抵消的作用。E Eg gE ED DE Ec cE Ev vE EA A雜質(zhì)補償應(yīng)用：根據(jù)需要用擴散或離子注入方法雜質(zhì)補償應(yīng)用：根據(jù)需要用擴散或離子注入方法來改變半導(dǎo)體某一區(qū)域的導(dǎo)電類型，以制成各種來改變半導(dǎo)體某一區(qū)域的導(dǎo)電類型，以制成各種器件。器件。p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體（5 5）等電子雜質(zhì)等電子雜質(zhì)：雜質(zhì)原子與半導(dǎo)體原子具有同數(shù)量價電子。雜質(zhì)原子與半導(dǎo)體原子具有同數(shù)量價電子。 電負性相差較大電負性相差較大俘獲電子俘獲電子負電中負電中心心俘獲空穴俘獲空穴正電中心正電中心等電子雜質(zhì)等電子雜質(zhì)帶電中心

9、帶電中心俘獲某種載流子俘獲某種載流子束縛激子束縛激子間接帶隙半導(dǎo)體發(fā)光器件間接帶隙半導(dǎo)體發(fā)光器件俘獲另一種相反俘獲另一種相反符號的載流子符號的載流子4 4 雜質(zhì)的能級特性雜質(zhì)的能級特性（1 1）淺能級淺能級：如果：如果受主能級受主能級很很接近價帶頂接近價帶頂，施主能級施主能級很很接近導(dǎo)帶底接近導(dǎo)帶底，這些雜質(zhì)能級稱，這些雜質(zhì)能級稱為淺能級，將產(chǎn)生淺能級的雜質(zhì)稱為淺能為淺能級，將產(chǎn)生淺能級的雜質(zhì)稱為淺能級雜質(zhì)。級雜質(zhì)。 將將、族雜質(zhì)摻入族雜質(zhì)摻入族半導(dǎo)體如族半導(dǎo)體如Si Si、GeGe中，中，則為淺能級雜質(zhì)。則為淺能級雜質(zhì)。EgEAEAEvEgED+EDEcEvEc淺能級雜質(zhì)電離能的計算淺能級雜

10、質(zhì)電離能的計算r0 帶電中心帶電中心+ +一個束縛于其上的載流一個束縛于其上的載流子子施主雜質(zhì)電離能施主雜質(zhì)電離能: :m mn n* * 電導(dǎo)有效質(zhì)量電導(dǎo)有效質(zhì)量“類氫原子類氫原子”P P+ +1 1氫原子基態(tài)電子電離能氫原子基態(tài)電子電離能: :半導(dǎo)體晶體中半導(dǎo)體晶體中介電常數(shù)為介電常數(shù)為電子質(zhì)量電子質(zhì)量22040042qmE *0nmm 2r00*nEmmDE和實際相比，類氫模型只是粗糙的近似和實際相比，類氫模型只是粗糙的近似Si 、 Ge中施主雜質(zhì)電離能中施主雜質(zhì)電離能0.025eV 、 0.006eV晶體晶體SiGe雜質(zhì)雜質(zhì)PAsSb0.0440.01260.0490.01270.03

11、90.0096硅、鍺中硅、鍺中族雜質(zhì)電離能（單位族雜質(zhì)電離能（單位eVeV）類氫模型不精確的原因類氫模型不精確的原因（1）原子實的極化和軌道的貫穿）原子實的極化和軌道的貫穿氫原子模型氫原子模型原子實的極化原子實的極化軌道的貫穿軌道的貫穿（2） 沒有考慮電導(dǎo)有效質(zhì)量的各向異性沒有考慮電導(dǎo)有效質(zhì)量的各向異性類氫模型類氫模型（2 2）深能級雜質(zhì)深能級雜質(zhì)：雜質(zhì)的：雜質(zhì)的施主能級施主能級距離距離導(dǎo)帶底較遠導(dǎo)帶底較遠， 或或受主能級受主能級距離距離價帶頂也較遠價帶頂也較遠， 這種能級為深能級，相應(yīng)雜質(zhì)為深能級雜質(zhì)。這種能級為深能級，相應(yīng)雜質(zhì)為深能級雜質(zhì)。特點特點：能夠產(chǎn)生多次電離，：能夠產(chǎn)生多次電離，

12、每次電離相應(yīng)地有一個能級。每次電離相應(yīng)地有一個能級。在Ge中摻入Au Au的電子組態(tài)是：5s25p65d106s1EcEvEDEA1EA2EA30.040.150.200.045 -族化合物中的族化合物中的雜質(zhì) 以以GaAsGaAs中的雜質(zhì)為例中的雜質(zhì)為例 族元素族元素- -傾向于占據(jù)傾向于占據(jù)GaGa的位置的位置, ,是受主是受主 族元素族元素- -傾向于占據(jù)傾向于占據(jù)AsAs的位置的位置, ,是施主是施主 族元素族元素- -占據(jù)占據(jù)AsAs的位置的位置, ,是受主是受主 占據(jù)占據(jù)GaGa的位置的位置, ,是施主是施主 族元素雜質(zhì)（族元素雜質(zhì)（Si、Ge、Sn、Pb）施主作用施主作用受主作用

13、受主作用中性雜質(zhì)作用中性雜質(zhì)作用 例如例如SiGaAs ND1018cm-3 部分部分Si原子取代原子取代As 出現(xiàn)補償作用出現(xiàn)補償作用 n0 中性雜質(zhì)中性雜質(zhì) 族元素（族元素（B、Al、In）和）和族元素（族元素（P、Sb）在）在GaAs中通常分別替代中通常分別替代Ga和和As價電子數(shù)不變價電子數(shù)不變呈電中性呈電中性對對GaAs的電學(xué)性質(zhì)沒有明顯影響。的電學(xué)性質(zhì)沒有明顯影響。7 7 半導(dǎo)體中的缺陷半導(dǎo)體中的缺陷 點缺陷點缺陷 間隙原子間隙原子 空位空位 位錯位錯 層錯層錯 化合物半導(dǎo)體中的點缺陷化合物半導(dǎo)體中的點缺陷 空位空位VGa、Vas 間隙原子間隙原子GaI、AsI 反結(jié)構(gòu)缺陷反結(jié)構(gòu)缺陷 Ga原子占據(jù)原子占據(jù)As空位空位 As原子占據(jù)原子占據(jù)Ga空位空位 記為記為GaAs和和AsGa。