半半 导导 体体 物物 理理(Semiconductor (Semiconductor Physics)Physics)主主 讲讲 ： 彭彭 新新 村村信工楼519室，87940615 : xcpengecit东华理工机电学院 电子科学与技术第二章第二章 半导体中的缺陷和杂质半导体中的缺陷和杂质2.1 硅、硅、锗锗晶体中的晶体中的杂质杂质能能级级 2.2 -族化合物中特殊的族化合物中特殊的杂质杂质能能级级 2.3 半半导导体中的缺陷和位体中的缺陷和位错错理想的半理想的半导体晶体体晶体 非常纯真非常纯真不含任何杂质不含任何杂质晶格中的原子严厉晶格中的原子严厉按周期陈列按周期陈列实践运用中的践运用中的半半导体体资料料 原子不是静止在具有严厉周期性晶格的格点位置上，而是在其平衡位置附近振动半导体资料不纯真，而是含有假设干杂质，在半导体晶格中存在着与组成半导体元素不同的其他化学元素原子实践半导体的晶格构造并不是完好无缺的，而存在着各种方式的缺陷极其微量的杂质和缺陷，极其微量的杂质和缺陷，可以对半导体资料的物理性质可以对半导体资料的物理性质和化学性质产生决议性的影响和化学性质产生决议性的影响 在在硅硅晶晶体体中中，假假设以以105个个硅硅原原子子中中掺入入一一个个杂质原原子子的的比比例例掺入入硼硼(B)原原子子，那那么么硅硅晶晶体体的的导电率率在在室室温温下将添加下将添加103倍。倍。 用用于于消消费普普通通硅硅平平面面器器件件的的硅硅单晶晶，位位错密密度度要要求求控控制制在在103cm-2以以下下，假假设位位错密密度度过高高，那那么么不不能能够消消费出性能良好的器件。出性能良好的器件。(缺陷的一种缺陷的一种)例例例例1 1例例例例2 2实际分析以为实际分析以为实际分析以为实际分析以为由于由于杂质和缺陷的存在，会使和缺陷的存在，会使严厉按周期按周期陈列的原子所列的原子所产生的周期性生的周期性势场遭到破坏，有能遭到破坏，有能够在禁在禁带中引入允中引入允许电子子存在的能量形状即能存在的能量形状即能级，从而，从而对半半导体的性体的性质产生决生决议性的影响。性的影响。 杂质杂质来源来源来源来源一制一制备半半导体的原体的原资料料纯度不度不够高；高；二半二半导体体单晶制晶制备过程中及器件制造程中及器件制造过程中的沾程中的沾污；三三为了半了半导体的性体的性质而人而人为地地掺入某种化学元素的原子。入某种化学元素的原子。 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级2.1.1 替位式杂质替位式杂质 间隙式杂质间隙式杂质1金金金金刚刚石构造的特点石构造的特点石构造的特点石构造的特点原子只占晶胞体原子只占晶胞体积的的34%，还有有66%是空隙，是空隙，这些空隙些空隙通常称通常称为间隙位置。隙位置。 杂质杂质的填充方式的填充方式的填充方式的填充方式一一杂质原子位于晶格原子位于晶格原子原子间的的间隙位置，隙位置，间隙式隙式杂质/填充；填充；二二杂质原子取代晶格原子取代晶格原原子子而而位位于于晶晶格格格格点点处，替位式替位式杂质/填充。填充。 间隙式杂质间隙式杂质间隙式杂质间隙式杂质替位式杂质替位式杂质替位式杂质替位式杂质两种两种两种两种杂质杂质的特点的特点的特点的特点间隙式隙式杂质原子半径普通比原子半径普通比较小，如小，如锂离子离子Li+的半径的半径为0.68 ，所以所以锂离子离子进入硅、入硅、锗、砷化、砷化镓后以后以间隙式隙式杂质方式存在。方式存在。替位式替位式杂质原子的半径与被取代的晶格原子的半径大小比原子的半径与被取代的晶格原子的半径大小比较相近，且它相近，且它们的价的价电子壳子壳层构造也比构造也比较相近。如硅、相近。如硅、锗是是族元素，与族元素，与、族元素的情况比族元素的情况比较相近，所以相近，所以、族元素在硅、族元素在硅、锗晶体中都是替位式晶体中都是替位式杂质。 杂质浓杂质浓度度度度单位体位体积中的中的杂质原子数，原子数，单位位cm-3 2.1.1 替位式杂质替位式杂质 间隙式杂质间隙式杂质2以以硅硅中中掺入入磷磷P为例例，研研讨族族元元素素杂质的的作作用用。当当一一个个磷磷原原子子占占据据了了硅硅原原子子位位置置，磷磷原原子子有有五五个个价价电子子，其其中中四四个个价价电子子与与周周围四四个个硅硅原原子子构构成成共共价价键，还剩剩余余一一个个价价电子子。磷磷原原子子成成为一一个个带有有一一个个正正电荷荷的的磷磷离离子子P+，称称为正正电中中心心磷磷离离子子。其其效效果果相相当当于于构构成成了了一一个个正正电中中心心和一个多余的和一个多余的电子。子。 2.1.2 施主杂质、施主能级施主杂质、施主能级1多余的电子束缚在正电中心周围，但这种束缚作用比共价键的束缚作用弱得多，只需很小的能量就可以使多余电子挣脱束缚，成为自在电子在晶格中运动，起到导电的作用。这时磷原子就成了一个少了一个价电子的磷离子，它是一个不能挪动的正电中心。多余电子脱离杂质原子成为导电电子的过程称为杂质电离。使这个多余电子挣脱束缚成为导电电子所需求的能量称为杂质电离能，用ED表示。实验测得，族元素原子在硅、锗中的电离能很小，在硅中电离能约为0.040.05eV，在锗中电离能约为0.01eV，比硅、锗的禁带宽度小得多。 2.1.2 施主杂质、施主能级施主杂质、施主能级2族元素杂质在硅、锗中电离时，可以施放电子而产生导电电子并构成正电中心。称为施主杂质或n型杂质施放电子的过程称为施主电离。施主杂质在未电离时是中性的，称为束缚态或中性态，电离后成为正电中心，称为离化态。 施主施主杂质/N型型杂质电子型半子型半导体体/N型半型半导体体纯真半导体中掺入施主杂质后，施主杂质电离，使导带中的导电电子增多电子密度大于空穴密度，加强了半导体的导电才干，成为主要依托电子导电的半导体资料,称为电子型或N型半导体。2.1.2 施主杂质、施主能级施主杂质、施主能级3施主能级用离导带底Ec为ED处的短线段表示，施主能级上的小黑点表示被施主杂质束缚的电子。箭头表示被束缚的电子得到电离能后从施主能级跃迁到导带成为导电电子的电离过程。导带中的小黑点表示进入导带中的电子，表示施主杂质电离后带正电，成为不可挪动的正点中心。 电子得到能量ED后，就从施主的束缚态跃迁到导带成为导电电子，被施主杂质束缚时的电子的能量比导带底Ec低ED，称为施主能级，用ED表示。由于ED远小于禁带宽度Eg，所以施主能级位于离导带底很近的禁带中。由于施主杂质相对较少，杂质原子间的相互作用可以忽略，所以施主能级可以看作是一些具有一样能量的孤立能级， 2.1.2 施主杂质、施主能级施主杂质、施主能级4硅中掺入硼B为例，研讨族元素杂质的作用。当一个硼原子占据了硅原子的位置，如下图，硼原子有三个价电子，当它和周围的四个硅原子构成共价键时，还短少一个电子，必需从别处的硅原子中夺取一个价电子，于是在硅晶体的共价键中产生了一个空穴。硼原子成为一个带有一个负电荷的硼离子B-，称为负电中心硼离子。其效果相当于构成了一个负电中心和一个多余的空穴。 2.1.3 受主杂质、受主能级受主杂质、受主能级1多余的空穴束缚在负电中心周围，但这种束缚作用比共价键的束缚作用弱得多，只需很小的能量就可以使多余空穴挣脱束缚，成为自在空穴在晶格中运动，起到导电的作用。这时硼原子就成了一个多了一个价电子的硼离子，它是一个不能挪动的负电中心。多余空穴脱离杂质原子成为导电空穴的过程称为杂质电离。使这个多余空穴挣脱束缚成为导电空穴所需求的能量称为杂质电离能，用EA表示。实验测得，族元素原子在硅、锗中的电离能很小即多余空穴很容易挣脱原子的束缚成为导电空穴，在硅中约为0.0450.065eV，在锗中约为0.01 eV。 2.1.3 受主杂质、受主能级受主杂质、受主能级22.1.3 受主杂质、受主能级受主杂质、受主能级3族元素族元素杂质在硅、在硅、锗中能接受中能接受电子而子而产生生导电空穴，空穴，并构成并构成负电中心。称中心。称为受主受主杂质或或p型型杂质。受主受主杂质/P型型杂质空穴空穴挣脱受主脱受主杂质束束缚的的过程称程称为受主受主电离。离。受主受主杂质未未电离离时是中性的，称是中性的，称为束束缚态或中性或中性态。 空穴型半空穴型半导体体/P型半型半导体体纯真半导体中掺入受主杂质后，受主杂质电离，使价带中的纯真半导体中掺入受主杂质后，受主杂质电离，使价带中的导电空穴增多空穴密度大于电子密度，加强了半导体的导电空穴增多空穴密度大于电子密度，加强了半导体的导电才干，成为主要依托空穴导电的半导体资料。导电才干，成为主要依托空穴导电的半导体资料。受主能级用离价带顶EV为EA处的短线段表示，受主能级上的小圆圈表示被受主杂质束缚的空穴。箭头表示被束缚空穴得到电离能后从受主能级跃迁到价带成为导电空穴即价带顶电子跃迁到受主能级上填充空位的电离过程。价带中的小圆圈表示进入价带中的空穴，表示受主杂质电离后带负电，成为不可挪动的负点中心。 空穴得到能量EA后，就从受主束缚态跃迁到价带成为导电空穴，被受主杂质束缚时的空穴的能量比价带顶EV低EA，称受主能级，用EA表示。由于EA远小于禁带宽度Eg，所以受主能级位于价带顶很近的禁带中。受主杂质相对较少，杂质原子间相互作用可忽略，所以受主能级可看作是一些具有一样能量的孤立能级2.1.3 受主杂质、受主能级受主杂质、受主能级4综上所述上所述族元素族元素族元素族元素 族元素族元素族元素族元素掺入半导体，掺入半导体，分别成为分别成为受主受主受主受主杂质杂质施主施主施主施主杂质杂质在禁在禁带中引入了中引入了新的能新的能级，分，分别为 施主能施主能施主能施主能级级：比：比：比：比导带导带底低底低底低底低ED ED 受主能受主能受主能受主能级级：比价：比价：比价：比价带顶带顶高高高高EA EA 常温下，常温下，杂质都都处于离化于离化态 施主施主施主施主杂质导杂质导游游游游带带提供提供提供提供电电子而成子而成子而成子而成为为正正正正电电中心中心中心中心 受主受主受主受主杂质杂质向价向价向价向价带带提供空穴而成提供空穴而成提供空穴而成提供空穴而成为负电为负电中心中心中心中心 分分别构成构成N N型半型半型半型半导导体体体体P P型半型半型半型半导导体体体体关于能关于能带图电子能量，从下往上为升高的方向；电子能量，从下往上为升高的方向；空穴能量，从上往下为升高的方向；空穴能量，从上往下为升高的方向；电子和空穴可以看作是两种所带电荷性质相反，电子和空穴可以看作是两种所带电荷性质相反，电荷数量一样，质量相当的粒子；电荷数量一样，质量相当的粒子；施放电子的过程可以看作俘获空穴的过程；施放电子的过程可以看作俘获空穴的过程；施放空穴的过程也可以看作俘获电子的过程。施放空穴的过程也可以看作俘获电子的过程。浅能浅能级很接近导带底的施主能级、很接近价带顶的受主能级很接近导带底的施主能级、很接近价带顶的受主能级1 1 氢原子基态电子的电离能氢原子基态电子的电离能量子力学的数学推导阐明，氢原子电子的能量满足：故基态电子的电离能：2 2 用用类氢原子模型估算浅能原子模型估算浅能级杂质的的电离能离能浅能级杂质 = 杂质离子 + 束缚电子空穴正、负电荷所处介质：2.1.4 浅能级杂质电离的简单计算浅能级杂质电离的简单计算1估算结果与实践丈量值有一样数量级估算结果与实践丈量值有一样数量级Ge： ED 0.0064 eVSi: ED 0.025 eV 杂质的补偿作用杂质的补偿作用 问题假设在半导体资料中，同时存在着施主和受主杂质，假设在半导体资料中，同时存在着施主和受主杂质，该如何判别半导体终究是该如何判别半导体终究是N型还是型还是P型型 ？答答应该比较两者浓度的大小，应该比较两者浓度的大小，由浓度大的杂质来决议半导体的导电类型由浓度大的杂质来决议半导体的导电类型施主和受主杂质之间有相互抵消的作用施主和受主杂质之间有相互抵消的作用 2.1.5 杂质的补偿作用杂质的补偿作用ND 施主施主杂质浓度度 NA 受主受主杂质浓度度n 导带中的中的电子子浓度度 p 价价带中的空穴中的空穴浓度度假假设备主和受主主和受主杂质全部全部电离，分情况离，分情况讨论杂质的的补偿作用。作用。 思索只需一种施主杂质和一种受主杂质的情况：思索只需一种施主杂质和一种受主杂质的情况： NDNA时，受受主主能能级低低于于施施主主能能级，所所以以施施主主杂质的的电子子首首先先跃迁迁到到受受主主能能级上上，填填满NA个个受受主主能能级，还剩剩(ND-NA)个个电子子在在施施主主能能级上上，杂质全全部部电离离时，它它们跃迁迁到到导带中中成成为导电电子子，这时，n=ND-NAND，半半导体是体是N型的型的 情况一情况一情况一情况一情况二情况二情况二情况二NAND时，施施主主能能级上上的的全全部部电子子跃迁迁到到受受主主能能级上上后后，受受主主能能级还有有(NA-ND)个个空空穴穴，它它们可可以以跃迁迁到到价价带成成为导电空空穴穴 ， p=NA-NDNA， 半半导体是体是P型的型的 有效有效有效有效杂质浓杂质浓度度度度经过补偿之后，半之后，半导体中的体中的净杂质浓度度 当当ND NA时，那么时，那么ND-NA为有效施主浓为有效施主浓度度当当NA ND时，那么时，那么NA-ND为有效受主浓为有效受主浓度度利用利用杂质补偿的作用，就可的作用，就可以根据需求用分散或离子注以根据需求用分散或离子注入等方法来改入等方法来改动半半导体中某体中某一区域的一区域的导电类型，以制型，以制备各种器件。各种器件。 假假设控控制制不不当当，会会出出现NDNA的的景景象象，这时，施施主主电子子刚好好填填充充受受主主能能级，虽然然晶晶体体中中杂质可可以以很很多多，但但不不能能导游游带和和价价带提提供供电子子和和空空穴穴，杂质的的高高度度补偿。这种种资料料容容易易被被误以以为是是高高纯度度的的半半导体体，实践上却含有很多践上却含有很多杂质，性能很差。，性能很差。 非非、族族元元素素掺入入硅硅、锗中中也也会会在在禁禁带中中引引入入能能级，这些能些能级普通有以下两个特点：普通有以下两个特点：1施施主主能能级间隔隔导带底底较远，产生生的的受受主主能能级间隔隔价价带顶也也较远。称称为深深能能级，相相应的的杂质称称为深深能能级杂质；2这些些深深能能级杂质能能产生生多多次次电离离，每每一一次次电离离相相应有有一一个个能能级。因因此此，杂质在在硅硅、锗的的禁禁带中中往往往往引引入入假假设干干个个能能级。而而且且，有有的的杂质既既能能引引入入施施主主能能级，又能引入受主能，又能引入受主能级。2.1.6 深能级杂质深能级杂质深深能能级杂质，普普通通情情况况下下在在半半导体体中中的的含含量量极极少少，而而且且能能级较深深，它它们对半半导体体中中的的导电电子子浓度度、导电空空穴穴浓度度和和导电类型型的的影影响响没没有有浅浅能能级杂质明明显，但但对于于载流流子子的的复复协作作用用比比浅浅能能级杂质强，故故这些些杂质也也称称为复复合合中中心心，它它们引引入入的的能能级就就称称为复复合合中中心心能能级。金金是是一一种种很很典典型型的的复复合合中中心心，在在制制造造高高速速开开关关器器件件时，常常有有意意地地掺入入金金以以提提高高器件的速度。器件的速度。 2.2 -族化合物半族化合物半导导体中的特殊体中的特殊杂质杂质1 1、等电子圈套、等电子圈套等等电子子杂质：特征：特征：a a、与本征元素同族但不同原子序数、与本征元素同族但不同原子序数 例：例：GaPGaP中中掺入入族的族的N N或或AsAs b b、以替位方式存在于晶体中，根本上是、以替位方式存在于晶体中，根本上是电中性的。中性的。存在着由中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，前者就是电子圈套，后者就是空穴圈套。 N NP等电子杂质占据本征原子位置(如N占据GaAs中的As位)后，即2、两性杂质、两性杂质举例：例：GaAs中中掺Si族族Ga：族族 As：族族 SiGa施主SiAs受主两两性性杂杂质质：在在化化合合物物半半导导体体中中，某某些些杂杂在在其其中中既既可可以以作作施施主主又又可可以以作作受受，这这种种杂杂质质称称为为两性杂质。两性杂质。两性杂质 当半导体中的某些区域，晶格中的原子周期性陈列被破坏时就构成了各种缺陷。 缺陷分为三类： 点缺陷：如空位，间隙原子，替位原子； 线缺陷：如位错； 面缺陷：如层错等。 2.3 半导体中的缺陷和位错半导体中的缺陷和位错点缺陷点缺陷在一定温度下，晶格原子不在一定温度下，晶格原子不仅在平衡位置附近作振在平衡位置附近作振动运运动通常称之通常称之为热振振动，而且有一部分原子会，而且有一部分原子会获得足得足够的的能量，抑制周能量，抑制周围原子原子对它的束它的束缚，挤入晶格原子入晶格原子间的的间隙，隙，构成构成间隙原子，原来的位置就成隙原子，原来的位置就成为空位。空位。 弗弗弗弗仑仑克耳缺陷克耳缺陷克耳缺陷克耳缺陷 肖特基缺陷肖特基缺陷肖特基缺陷肖特基缺陷 间隙原子和空位成隙原子和空位成对出出现的缺陷的缺陷 只在晶格内构成空位而无只在晶格内构成空位而无间隙原子隙原子的缺陷的缺陷 均由温度引起，又称之均由温度引起，又称之为热缺陷，它缺陷，它们总是同是同时存在的。存在的。 动态动态平衡平衡平衡平衡间隙原子和空位一方面不断地隙原子和空位一方面不断地产生，另一方面两生，另一方面两者又不断地复合，到达一个平衡者又不断地复合，到达一个平衡浓度度值。 由于原子由于原子须具有具有较大的能量才干大的能量才干挤入入间隙位置，而且迁移隙位置，而且迁移时激活能很小，所以晶体中空位比激活能很小，所以晶体中空位比间隙原子多得多，空位成了隙原子多得多，空位成了常常见的点缺陷。的点缺陷。 在在元元素素半半导体体硅硅、锗中中存存在在的的空空位位最最临近近有有四四个个原原子子，每每个个原原子子各各有有一一个个不不成成对的的价价电子子，成成为不不饱和和的的共共价价键，这些些键倾向于接受向于接受电子，因此空位表子，因此空位表现出受主作用。出受主作用。而而每每一一个个间隙隙原原子子有有四四个个可可以以失失去去的的未未构构成成共共价价键的的价价电子子，表表现出施主作用。出施主作用。 在在-族化合物中，除了族化合物中，除了热振振动要素构成空位和要素构成空位和间隙原子外，隙原子外，由于成分偏离正常的化学比，也构成点缺陷。由于成分偏离正常的化学比，也构成点缺陷。例如，在砷化例如，在砷化镓中，由于中，由于热振振动可以使可以使镓原子分开晶格格点原子分开晶格格点构成构成镓空位和空位和镓间隙原子；也可以使砷原子分开格点构成砷隙原子；也可以使砷原子分开格点构成砷空位和砷空位和砷间隙原子。隙原子。另外，由于砷化另外，由于砷化镓中中镓偏多或砷偏多，也能构成砷空位或偏多或砷偏多，也能构成砷空位或镓空位。空位。 替位原子替位原子/反构造缺陷反构造缺陷 比如，二元化合物比如，二元化合物AB中，替位原子可以有两种，中，替位原子可以有两种，A取代取代B或或B取代取代A，普通以，普通以为AB是受主，是受主，BA是施主。是施主。例如，在砷化例如，在砷化镓中，砷取代中，砷取代镓后后为AsGa起施主作用，而起施主作用，而镓取取代砷后代砷后为GaAs起受主作用。起受主作用。 化合物半化合物半导体中，存在的另一种点缺陷体中，存在的另一种点缺陷 位位错 位位错错也也是是半半导导体体中中的的一一种种缺缺陷陷，它它对对半半导导体体资资料料和和器器件件的性能也会产生很大的影响。的性能也会产生很大的影响。 在在硅硅、锗锗晶晶体体中中位位错错的的情情况况相相当当复复杂杂。由由位位错错引引入入禁禁带带的能级也非常复杂。的能级也非常复杂。 根根据据实实验验测测得得，位位错错能能级级都都是是深深受受主主能能级级。当当位位错错密密度度较较高高时时，由由于于它它和和杂杂质质的的补补偿偿作作用用，能能使使含含有有浅浅施施主主杂杂质质的的N型型硅硅、锗锗中中的的载载流流子子浓浓度度降降低低，而而对对P型型硅硅、锗锗却却没没有有这种影响。这种影响。第二章重要知识点施主杂质、受主杂质的概念和特点n型和p型半导体的概念和特点杂质补偿的概念、运用和缺陷深能级杂质的概念、作用三五族半导体中的特殊杂质的性质