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1、第2章 半导体中杂质和缺陷能级为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益要求n掌握掌握锗锗、硅晶体中的、硅晶体中的杂质杂质能能级级， - -族化合族化合物半物半导导体的体的杂质杂质能能级级。n理解点缺陷。理解点缺陷。为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益实际半导体晶体实际半导体晶体理想半导体晶体理想半导体晶体在平衡位置附近振动在平衡位置附近振动原子静止在格点位置上原子静止在格点位置上纯净的纯净的含有杂质含有杂质晶格结构完整无缺晶格结构完整无缺存
2、在着各种缺陷存在着各种缺陷实际晶体与理想晶体的区别实际晶体与理想晶体的区别为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益n杂质杂质 (impurity)：在半导体晶体中引入的在半导体晶体中引入的新的原子或离子新的原子或离子n缺陷缺陷 (defect)：晶体按周期性排列的结构晶体按周期性排列的结构受到破坏受到破坏为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益Si能够得到广泛应用的重要原因：对其杂质实现可控操作，从而实现对半导体性能的精确控制杂质主要来源：杂质
3、主要来源：1.无意掺入：制备半导体的原材料纯度不够，无意掺入：制备半导体的原材料纯度不够，加工工艺加工工艺2.有意掺入：为了控制半导体的某些性质，人有意掺入：为了控制半导体的某些性质，人为掺入某种原子。为掺入某种原子。为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益掺杂工艺在单晶生长过程中掺入杂质在单晶生长过程中掺入杂质 n在高温下通过杂质扩散的工艺掺入杂质在高温下通过杂质扩散的工艺掺入杂质 n离子注入杂质离子注入杂质 n在薄膜外延工艺过程中掺入杂质在薄膜外延工艺过程中掺入杂质 n用合金工艺将杂质掺入半导体中用合金工艺将杂质掺
4、入半导体中为控制半导体的性质，人为掺入杂质的工艺过程杂质浓度杂质浓度：单位体积中杂质原子数单位体积中杂质原子数为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益掺杂浓度(施主杂质N ND D，受主杂质N NA A) )掺杂浓度：单位体积中掺入杂质的数目。10141020cm3硅晶体中：5x1022cm3个原子请估算杂质原子与Si原子的比例。为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益为什么极微量的杂质和缺陷，能够对半导体材料的物为什么极微量的杂质和缺陷，能够
5、对半导体材料的物为什么极微量的杂质和缺陷，能够对半导体材料的物为什么极微量的杂质和缺陷，能够对半导体材料的物理、化学性质产生决定性影响？理、化学性质产生决定性影响？理、化学性质产生决定性影响？理、化学性质产生决定性影响？杂质和缺陷的存在，会使周期性势场受到破坏，杂质和缺陷的存在，会使周期性势场受到破坏，有可能在禁带中引入允许电子具有的能量状态有可能在禁带中引入允许电子具有的能量状态（即能级），从而对半导体的性质产生决定性（即能级），从而对半导体的性质产生决定性影响。影响。为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益杂质、缺
6、陷能级位于禁带之中杂质、缺陷能级位于禁带之中杂质、缺陷能级杂质、缺陷能级Ec Ev为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益2.1.1替位式杂质、间隙式杂质n替位式杂质:取代晶格原子q杂质原子的大小与晶体原子相似qIII、V族元素在硅、锗中均为替位式杂质n间隙式杂质:位于晶格原子间隙位置q杂质原子小于晶体原子n杂质浓度：单位体积内的杂质原子数2.1 硅、锗晶体中的杂质能级为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益元素周期表为了规范事业单位聘用关系，
7、建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益2.1.2施主杂质、施主能级n施主杂质qV族元素在硅、锗中电离时能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心，称此类杂质为施主杂质或n型杂质。n施主电离q施主杂质释放电子的过程。n施主能级q被施主杂质束缚的电子的能量状态，记为ED，施主电离能量为ED。nn型半导体q依靠导带电子导电的半导体。为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工
8、的合法权益本征半导体结构示意图本征半导体：纯净的、不含其它杂质的半导体。本征半导体：纯净的、不含其它杂质的半导体。为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益 N型半导体为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益 晶体晶体 杂杂 质质 P As Sb Si 0.044 0.049 0.039 Ge 0.0126 0.0127 0.009
9、6施主杂质的电离能小，在常温下基本上电离。施主杂质的电离能小，在常温下基本上电离。施主杂质的电离能小，在常温下基本上电离。施主杂质的电离能小，在常温下基本上电离。SiSi、GeGe中中 族杂质的电离能族杂质的电离能E ED D（eVeV）为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益2.1.3受主杂质、受主能级n受主杂质qIII族元素在硅、锗中电离时能够接受电子而产生导电空穴并形成负电中心，称此类杂质为受主杂质或p型杂质。n受主电离q受主杂质释放空穴的过程。n受主能级q被受主杂质束缚的空穴的能量状态，记为EA。受主电离能量为
10、EAnp型半导体q依靠价带空穴导电的半导体。为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益P型半导体为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益受主杂质的电离能小，在常温下基本上电离。受主杂质的电离能小，在常温下基本上电离。受主杂质的电离能小，在常温下基本上电离。受主杂质的电离能小，在常温下基本上电离。 Si、Ge中族杂质的电离能EA（eV
11、） 晶体晶体 杂杂 质质 B Al Ga In Si 0.045 0.057 0.065 0.16 Ge 0.01 0.01 0.011 0.011为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益杂质半导体的简化表示法为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益 浅能级杂质n电离能小的杂质称为浅能级杂质。n所谓浅能级，是指施主能级靠近导带底，
12、受主能级靠近价带顶。n室温下，掺杂浓度不很高的情况下，浅能级杂质几乎可以全部电离。n五价元素磷（P）、锑在硅、锗中是浅施主杂质n三价元素硼（B）、铝、镓、铟在硅、锗中为浅受主杂质。为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益n浅能级杂质电离能比禁带宽度小得多，杂质种类对半导体的导电性影响很大。n在N型半导体中，电子浓度大于空穴浓度，电子称为多数载流子，空穴称为少数载流子。n在P型半导体中，空穴浓度大于电子浓度，空穴称为多数载流子，电子称为少数载流子。为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作
13、人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益2.1.4 浅能级杂质电离能简单计算n类氢模型q氢原子中电子能量qn=1,2,3，为主量子数，当n=1和无穷时为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益n氢原子基态电子的电离能n考虑到1、正、负电荷处于介电常数=0r的介质中 2、电子不在空间运动，而是处于晶格周期性势场中运动为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益n施主杂质电离能n受主杂质电离能为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制
14、的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益估算结果与实际测量值有相同数量级GeGe： E ED D 0.0064 eV 0.0064 eVSi: Si: E ED D 0.025 eV 0.025 eV为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益2.1.5杂质的补偿作用n假如半导体中，同时存在着施主和受主杂质，假如半导体中，同时存在着施主和受主杂质，半导体是半导体是n型还是型还是p型呢？型呢？n这要看哪一种杂质浓度大，因为施主和受主杂这要看哪一种杂质浓度大，因为施主和受主杂质之间有互相抵消的作用质之间有互相抵
15、消的作用n通常称为通常称为杂质的补偿作用杂质的补偿作用为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益n当NDNA时q n= ND-NA ND，半导体是n型的n当NDNA时q ND-NA 为有效施主浓度n当NDNA时q NA-ND为有效受主浓度为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益杂质的补偿作用的应用n利用杂质的补偿作用，根据扩散或离子注入的方利用杂质的补偿作用，根据扩散或离子注入的方法来改变半导体某一区域的导电类型，制成各种法来改变半导体某一区域的
16、导电类型，制成各种器件。器件。n在一块在一块 n 型半导体基片的一侧掺入较高浓度的受型半导体基片的一侧掺入较高浓度的受主杂质，由于杂质的补偿作用，该区就成为型主杂质，由于杂质的补偿作用，该区就成为型半导体。半导体。为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益2.1.6深能级杂质n非III、V族元素在硅、锗的禁带中产生的施主能级距离导带底和价带顶较远，形成深能级，称为深能级杂质。n特点q不容易电离，对载流子浓度影响不大q深能级杂质能够产生多次电离，每次电离均对应一个能级。q能起到复合中心作用，使少数载流子寿命降低为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事
