半导体物理学第二章.

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1、半导体中的电子状态 半导体中杂质和缺陷能级 半导体中载流子的统计分布 半导体的导电性 非平衡载流子 pn结 金属和半导体的接触 半导体表面与MIS结构 半导体异质结 半导体物理学 第二章半导体中杂质和缺陷能级第二章半导体中杂质和缺陷能级 半导体偏离理想的情况： n2)材料含杂质，不纯净 n1)晶格原子在平衡位置附近振动，不静止在格点上 3)晶格中存在缺陷(点缺陷（空位、间隙原子）线缺陷（位错）面缺陷（层错）) n主要讨论杂质和缺陷：极微量的杂质和缺陷，会对半导体材料的物理性质和化 学性质产生决定性的影响，同时也严重影响半导体器件的质量 n杂质的影响：105个硅原子中有一个杂质硼原子，室温电 导

2、率增加103个数量级。 n缺陷的影响：硅平面器件要求位错密度控制在103cm2以下 。 n原因1.破坏了周期性势场； 2.在禁带中引入了杂质能级。允许电子在禁带中存在 ，从而使半导体的性质发生改变。 第2章 半导体中杂质和缺陷能级 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 2.2 -族化合物中的杂质能级 2.3 氮化镓、氮化铝、碳化硅中的杂质能级 2.4 缺陷、位错能级 2.12.1硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级 2.1.2.1.1替位式杂质 间隙式杂质 n晶体有间隙：金刚石晶体中，原子占 全部的34%，空隙占66%。 n空隙-间隙位置，如金刚石原胞中 央的位置T和三个面心、三个体心原 子

3、的中央H。 金刚石结构（ Diamond Structure） 硅、锗晶体中的间隙 例：如图所示为一晶格常数为a的Si晶胞，求： （a）Si原子半径 （b）晶胞中所有Si原子占据晶胞的百分比 解：（a） （b） 间隙式杂质、替位式杂质 杂质原子位于晶格原子间的间隙位置， 该杂质称为间隙式杂质。 间隙式杂质原子一般比较小，如Si、Ge、 GaAs材料中的离子锂（0.068nm）。 杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处 ，该杂质称为替位式杂质。 替位式杂质原子的大小和价电子壳层结构 要求与被取代的晶格原子相近。如、 族元素在Si、Ge晶体中都为替位式杂质。 间隙式杂质、替位式杂质 单位体积中的杂质原

4、子数称为杂质浓度 单位 cm-3 2.1.22.1.2施主杂质、施主能级施主杂质、施主能级 在纯硅中掺入5价的磷P，磷的5个价电子中的4个形成了 共价鍵，剩余一个价电子+多余一个正电荷中心P+。 价电子束缚在正电中心P+周围，此价电子很容易挣脱束缚 ，成为导电电子在晶格中运动，因磷离子为不动的正电荷 中心，基本不参与导电。这种电子脱离杂质束缚的过程称 为“杂质电离杂质电离”。电子脱离束缚所需要的能量为“杂质电离能 杂质电离能 E ED D ”。 V V族杂质能够施放(提供)导带电子被称为“施主杂质”或n型 杂质。将施主束缚电子的能量状态称为“施主能级”记为E E D D 。施主能级离导带底施主

5、能级离导带底E E c c 的距离为的距离为ED。 结论：掺磷(5价)，施主，电子导电，n型半导体。 施主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的电子， 并成为带正电的离子。如Si中的P 和As N型半导体 As 半导体的掺杂 施主能级 2.1.3 2.1.3 受主杂质受主杂质 受主能级受主能级 在硅中掺入3价的硼B，硼原子有3个价电子，与周围四个 硅原子形成共价鍵，缺少一个电子，必须从周围获得一 个电子，成为负电中心B-。 硼的能级距价带能级顶部很近，容易得到电子。 负电中心B-不能移动；而价带顶的空穴易于被周围电子 填充，形成空穴的移动，即“导电空穴导电空穴”。 这种能够接受电

6、子的杂质称之为“受主杂质”，或P型杂质 。 受主杂质获得电子的过程称之为“受主电离”； 受主束缚电子的能量状态称之为“受主能级EA”； 受主能级比价带顶EV高“电离能EA” 。 受主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的空穴， 并成为带负电的离子。如Si中的B P型半导体 B 半导体的掺杂 受主能级 半导体的掺杂 、族杂质在Si、Ge晶体中分别为受 主和施主杂质，它们在禁带中引入了能 级；受主能级比价带顶高 ，施主能级 比导带底低 ，均为浅能级，这两种 杂质称为浅能级杂质。 杂质处于两种状态：中性态和离化态。 当处于离化态时，施主杂质向导带提供 电子成为正电中心；受主杂质向价带提

7、 供空穴成为负电中心。 电离能的大小： 硅中掺磷为0.044，掺硼为0.045(eV)。 锗中掺磷为0.0126，掺硼为0.01(eV)。 这种电离能很小，杂质可以在很低的温度下电离。故称之 为“浅能级杂质”，在室温几乎全部电离。 杂质能级用短线表示，因杂质浓度与硅相比很低，杂质原 子相互之间几乎无作用，杂质能级相同，量子的排斥原理 对低浓度的杂质掺杂不起作用。 2.1.42.1.4浅能级杂质电离能的简单计算浅能级杂质电离能的简单计算 氢原子 替换 类氢杂质 E0=13.6eV(氢基态)， m0电子惯性质量， r相对介电常数 氢原子玻尔轨道半径为 ， 根据杂质类氢模型将 代替 ，以 代 替 ，

8、可得杂质等效玻尔半径 ， 受主电离能 同理 例题 硅中掺入某种施主杂质，设其电子有效质量 ,计算电离能为多少？若 ，其电离 能又为多少？这两种值中哪一种更接近实验值 ？ 解答：利用类氢原子模型：解答：利用类氢原子模型： 由实验知，Si中施主电离能在 ，所以后者接近实验值。 2.1.5 2.1.5 杂质的补偿作用杂质的补偿作用 同时掺入P型和n型两种杂质，它们会相互 抵消。 若NDNA,则为n型半导体，n= ND-NA ； 反之为P型，p= NA-ND。 其净杂质浓度称之为“有效杂质浓度”。（有效 施主浓度；有效受主浓度） 值得注意的是，杂质的高度补偿（ ）即当两种杂质的含量均较高且浓度基本 相

9、同时，材料容易被误认为是“高纯半导体” ，实际上，过多的杂质含量会使半导体的 性能变差，不能用于制造器件。 半导体中同时存在施主和受主杂质，且 。 N型半导体N型半导体 半导体中同时存在施主和受主杂质，且 。 P型半导体P型半导体 半导体器件和集成电路生产中就是利用杂质补偿作 用，在n型Si外延层上的特定区域掺入比原先n型外延层 浓度更高的受主杂质，通过杂质补偿作用就形成了p型 区，而在n型区与p型区的交界处就形成了pn结。如果再 次掺入比p型区浓度更高的施主杂质，在二次补偿区域 内p型半导体就再次转化为n型，从而形成双极型晶体管 的n-p-n结构。 图2.16 晶体管制造过程中的杂质补偿 非

10、、族杂质在Si、Ge禁带中也产生能级，其特点 为： 非、族元素在Si、Ge禁带中产生的施主能级ED距 导带底Ec较远，产生的受主能级EA距价带顶Ev较远， 这种杂质能级称为深能级，对应的杂质称为深能级杂 质。 深能级杂质可以多次电离，每一次电离相应有一个能 级，有的杂质既引入施主能级又引入受主能级。所以 ，一个深能级杂质能产生多个杂质能级。如I族的铜、银 、金能产生三个受主能级；II族元素锌、镉、汞在硅、锗 中各产生两个受主能级。 2.1.6 2.1.6 深能级杂质深能级杂质 金在锗中的多能级金在锗中的多能级 金 是1价元素，中性的金有一个价电子。在锗中 ，金的价电子若电离跃入导带，则成为施主

11、。然 而，此价电子被多个共价键束缚，电离能很大， 故为“深施主”。另一方面，金比锗少三个电子。 锗的整体结构要求每个原子为四价，因此，金有 可能接受三个电子，形成EA1、 EA2、EA3三个受 主能级。当金接受了一个电子后，成为Au-，再接 受一个电子将受到负电中心的排斥作用，难度更 大。因而受主能级EA2将更大。 EA3最大，能级最 深，非常靠近导带。 以Ge中掺Au为例： 图中Ei表示禁带中线位置， Ei以上注明的是杂质能 级距导带底Ec的距离， Ei以下标出的是杂质能级距价带 顶Ev的距离。 图2.17 Au在Ge中的能级 解释：多次电离 中性Au0的一个价电子可以电离释放到导带，形成施

12、主能级 ED,其电离能为(Ec-ED)，从而成为带一个正电荷的单重电施 主离化态Au+。这个价电子因受共价键束缚，它的电离能仅 略小于禁带宽度Eg，所以施主能级ED很接近Ev。 中性Au0为与周围四个Ge原子形成共价键，还可以依次由价 带再接受三个电子，分别形成EA1，EA2，EA3三个受主能级 。价带激发一个电子给Au0，使之成为单重电受主离化态Au- ，电离能为EA1-Ev ；从价带再激发一个电子给Au-使之成为 二重电受主离化态 ，所需能量为EA2-Ev；从价带激发第 三个电子给使之成为三重电受主离化态 ，所需能量为 EA3-Ev 。 由于电子间存在库仑斥力，EA3EA2EA1。 Si、

13、Ge中其它一些深能级杂质引入的深能级也可以类 似地做出解释。 深能级杂质对半导体中载流子浓度和导电类型的影响 不像浅能级杂质那样显著，其浓度通常也较低，主要 起复合中心的作用。 含量很少。作用是捕获电子，即电子陷阱。由于它能够消 除积累的空间电荷，减少电容，故可提高器件速度。 采用掺金工艺能够提高高速半导体器件的工作速度。 第2章 半导体中杂质和缺陷能级 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 2.2 -族化合物中的杂质能级 2.3 氮化镓、氮化铝、碳化硅中的杂质能级 2.4 缺陷、位错能级 2.2 III V 2.2 III V 族化合物中的杂质能级族化合物中的杂质能级 III-V族化合物是两种元素

14、1:1构成的物质。杂质进入后， 可以成为间隙或替位式杂质。 当III族杂质和V族杂质掺入III-V族化合物中时，实验中测 不到杂质的影响，因为它们没有在禁带中引入能级。 但有些V族元素的取代会产生能级，此能级为等电子能级 ，效应称之为“等电子杂质效应”：杂质电子与基质原子 的价电子数量相等。替代格点原子后，仍为电中性。但 是，原子序数不同导致了原子的“共价半径”和“电负性” 不同，即对电子的束缚能力不同于格点原子，能俘获电 荷成为带电中心，形成电子陷阱或正电荷陷阱。该陷阱 俘获载流子后，又能俘获相反符号的电荷，形成“束缚 激子”。这种束缚激子在间接带隙半导体制成了发光器 件中起主要作用。 杂质

15、在GaAs中的位置 替代族时，周围是四个 族原子 替代族时，周围是四个 族原子 IV族元素碳、硅、锗等掺入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。总效果是 施主还是受主与掺杂条件有关。 n例如，硅在砷化镓中引入一个浅的施主能级，即硅起施 主作用，向导带提供电子。当硅杂质浓度达到一定程度 后，导带电子浓度趋向饱和，杂质的有效浓度反而降低 。 n总之，硅掺入砷化镓不仅能取代III族的镓起施主作用， 而且还能取代V族的砷起受主的作用。其施主能级为c- 0.002eV，受主能级为V+0.03eV。 第2章 半导体中杂质和缺陷能级 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 2.2 -族化合物中的杂质能级 2.3 氮化镓、氮化铝、碳化硅中的杂质能级 2.4 缺陷、位错能级 2.42.4缺陷、位错能级缺陷、位错能级 n1点缺陷 n因温度导致了原子的热振动，造成了原子离开原有位置 ，形成空位，即晶格中出现了缺陷，称之为点缺陷或热 缺陷。 n这种缺陷主要有两种表现形式：肖特基缺陷或弗仑克尔 缺陷。当原子脱离晶格到达表面时，为肖特基缺陷或空 位缺陷；（肖特基缺陷：只存在空位而无间隙原子）； 而当原子进入间隙位置时，为弗仑克尔缺陷或间隙原子 缺陷。（弗仑克尔缺陷：间隙原子和空位成对出现。） n间隙原子和空位这两种点缺陷受温度影