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1、2. 2. 半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级沈阳工业大学电子科学与技术系沈阳工业大学电子科学与技术系 杂质、缺陷破坏了晶体原有的周期性势场，引杂质、缺陷破坏了晶体原有的周期性势场，引杂质、缺陷破坏了晶体原有的周期性势场，引杂质、缺陷破坏了晶体原有的周期性势场，引入新的能级。通常在禁带中分布的能级就是这入新的能级。通常在禁带中分布的能级就是这入新的能级。通常在禁带中分布的能级就是这入新的能级。通常在禁带中分布的能级就是这样产生的。样产生的。样产生的。样产生的。 禁带中的能级对半导体的性能有显著影响，禁带中的能级对半导体的性能有显著影响，禁带中的能级对半导体的性能有显著影响，禁带中的能
2、级对半导体的性能有显著影响，影响的程度由能级的密度和位置决定。影响的程度由能级的密度和位置决定。影响的程度由能级的密度和位置决定。影响的程度由能级的密度和位置决定。2.1 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级学习重点：学习重点：沈阳工业大学电子科学与技术系沈阳工业大学电子科学与技术系 浅能级杂质、深能级杂质浅能级杂质、深能级杂质浅能级杂质、深能级杂质浅能级杂质、深能级杂质 杂质补偿杂质补偿杂质补偿杂质补偿1 1、杂质与杂质能级、杂质与杂质能级、杂质与杂质能级、杂质与杂质能级（1 1）杂质）杂质）杂质）杂质 半导体中存在的与本体元素不同的其它元素。半导体中存在的与本体元素不同的其
3、它元素。半导体中存在的与本体元素不同的其它元素。半导体中存在的与本体元素不同的其它元素。（2 2）杂质来源）杂质来源）杂质来源）杂质来源 无意掺入无意掺入无意掺入无意掺入 有意掺入有意掺入有意掺入有意掺入 （3 3）杂质在半导体中的分布状况）杂质在半导体中的分布状况）杂质在半导体中的分布状况）杂质在半导体中的分布状况 替位式杂质替位式杂质替位式杂质替位式杂质 间隙式杂质间隙式杂质间隙式杂质间隙式杂质 杂质出现在杂质出现在半导体中时，产半导体中时，产生的附加势场使生的附加势场使严格的周期性势严格的周期性势场遭到破坏。场遭到破坏。（4 4）杂质能级）杂质能级）杂质能级）杂质能级 杂质引起的电子能级
4、称为杂质能级。通常位于杂质引起的电子能级称为杂质能级。通常位于杂质引起的电子能级称为杂质能级。通常位于杂质引起的电子能级称为杂质能级。通常位于禁带之中的杂质能级对半导体性能有显著影响。禁带之中的杂质能级对半导体性能有显著影响。禁带之中的杂质能级对半导体性能有显著影响。禁带之中的杂质能级对半导体性能有显著影响。EgECEV杂质杂质能级能级2 2、施主能级、施主能级、施主能级、施主能级 杂质电离后能够施放电子而产生自由电子并形成杂质电离后能够施放电子而产生自由电子并形成杂质电离后能够施放电子而产生自由电子并形成杂质电离后能够施放电子而产生自由电子并形成正电正电正电正电中心中心中心中心（正离子）。这
5、种杂质称为施主杂质。（正离子）。这种杂质称为施主杂质。（正离子）。这种杂质称为施主杂质。（正离子）。这种杂质称为施主杂质。以硅为例以硅为例以硅为例以硅为例：在硅单晶中掺入磷（在硅单晶中掺入磷（在硅单晶中掺入磷（在硅单晶中掺入磷（P P）等）等）等）等V V族元素。族元素。族元素。族元素。电离施主电离施主导带电子导带电子硅原子硅原子（1 1）施主杂质）施主杂质）施主杂质）施主杂质在在在在SiSi单晶中，单晶中，单晶中，单晶中，V V族施主替位杂质的两种荷电状态的价键族施主替位杂质的两种荷电状态的价键族施主替位杂质的两种荷电状态的价键族施主替位杂质的两种荷电状态的价键 (a) (a) 电离态电离态
6、电离态电离态 (b) (b) 中性施主态中性施主态中性施主态中性施主态 施主能级施主能级（2 2）施主电离）施主电离）施主电离）施主电离 施主未电离时，在饱和共价键外还有一个电子被施施主未电离时，在饱和共价键外还有一个电子被施施主未电离时，在饱和共价键外还有一个电子被施施主未电离时，在饱和共价键外还有一个电子被施主杂质所束缚，该束缚态所对应的能级称为施主能级。主杂质所束缚，该束缚态所对应的能级称为施主能级。主杂质所束缚，该束缚态所对应的能级称为施主能级。主杂质所束缚，该束缚态所对应的能级称为施主能级。 特征：特征：特征：特征：施主杂质电离，导带中出现施主杂质电离，导带中出现施主杂质电离，导带中
7、出现施主杂质电离，导带中出现 施主提供的导电电子；施主提供的导电电子；施主提供的导电电子；施主提供的导电电子；电子浓度大于空穴浓度，电子浓度大于空穴浓度，电子浓度大于空穴浓度，电子浓度大于空穴浓度， 即即即即 n p n p 。 掺入施主的半导体以电子导电为主，被称为掺入施主的半导体以电子导电为主，被称为n n 型半导体型半导体ECEV 施主电离能施主电离能E ED D = E = EC C - E - ED DEgECEV施主施主能级能级EDE ED D = E = EC C - E - ED D SiSi、GeGe中中V V族杂质的电离能族杂质的电离能晶晶晶晶 体体体体杂杂杂杂 质质质质磷
8、磷磷磷 P P砷砷砷砷AsAs锑锑锑锑SbSb硅硅硅硅 SiSi锗锗锗锗 GeGe0.0440.01260.0490.01270.0390.0096 施主电离过程示意图施主电离过程示意图施主杂质电离的结果：施主杂质电离的结果：施主杂质电离的结果：施主杂质电离的结果：导带中的电子数增加了，导带中的电子数增加了，导带中的电子数增加了，导带中的电子数增加了，这就是掺施主杂质的意义这就是掺施主杂质的意义这就是掺施主杂质的意义这就是掺施主杂质的意义所在。所在。所在。所在。3 3、受主能级、受主能级、受主能级、受主能级 束缚在杂质能级上的空穴被激发到价带束缚在杂质能级上的空穴被激发到价带束缚在杂质能级上的
9、空穴被激发到价带束缚在杂质能级上的空穴被激发到价带E EV V，成为价带，成为价带，成为价带，成为价带空穴，该杂质电离后成为空穴，该杂质电离后成为空穴，该杂质电离后成为空穴，该杂质电离后成为负电中心负电中心负电中心负电中心（负离子）。这种杂质（负离子）。这种杂质（负离子）。这种杂质（负离子）。这种杂质称为受主杂质。或定义为：能够向半导体提供空穴并形成称为受主杂质。或定义为：能够向半导体提供空穴并形成称为受主杂质。或定义为：能够向半导体提供空穴并形成称为受主杂质。或定义为：能够向半导体提供空穴并形成负电中心的杂质。负电中心的杂质。负电中心的杂质。负电中心的杂质。以硅为例以硅为例以硅为例以硅为例：
10、在硅单晶中掺入硼（在硅单晶中掺入硼（在硅单晶中掺入硼（在硅单晶中掺入硼（B B）等）等）等）等IIIIII族元素。族元素。族元素。族元素。电离受主电离受主价带空穴价带空穴硅原子硅原子（1 1）受主杂质）受主杂质）受主杂质）受主杂质在在在在SiSi单晶中，单晶中，单晶中，单晶中，IIIIII族受主替位杂质的两种荷电状态的价键族受主替位杂质的两种荷电状态的价键族受主替位杂质的两种荷电状态的价键族受主替位杂质的两种荷电状态的价键 (a) (a) 电离态电离态电离态电离态 (b) (b) 中性受主态中性受主态中性受主态中性受主态 受主能级受主能级（2 2）受主电离）受主电离）受主电离）受主电离 受主杂
11、质电离后所接受的电子被束缚在原来的空状受主杂质电离后所接受的电子被束缚在原来的空状受主杂质电离后所接受的电子被束缚在原来的空状受主杂质电离后所接受的电子被束缚在原来的空状态上，该束缚态所对应的能级称为受主能级。态上，该束缚态所对应的能级称为受主能级。态上，该束缚态所对应的能级称为受主能级。态上，该束缚态所对应的能级称为受主能级。 特征：特征：特征：特征：受主杂质电离，价带中出现受主杂质电离，价带中出现受主杂质电离，价带中出现受主杂质电离，价带中出现 受主提供的导电空穴；受主提供的导电空穴；受主提供的导电空穴；受主提供的导电空穴；空穴浓度大于电子浓度，空穴浓度大于电子浓度，空穴浓度大于电子浓度，
12、空穴浓度大于电子浓度， 即即即即 p n p n 。 掺入受主杂质的半导体以空穴导电为主被称为掺入受主杂质的半导体以空穴导电为主被称为p p 型半导体型半导体ECEV 受主电离能受主电离能E EA A = = E EA A - E - EV VEgECEV受主受主能级能级EA SiSi、GeGe中中族杂质的电离能族杂质的电离能晶晶晶晶 体体体体杂杂杂杂 质质质质硼硼硼硼 B B铝铝铝铝AlAl铟铟铟铟InIn硅硅硅硅 SiSi锗锗锗锗 GeGeE EA A = = E EA A - E - EV V镓镓镓镓GaGa0.0450.0450.0570.0570.0650.0650.1600.160
13、0.010.010.010.010.0110.0110.0110.011 受主电离过程示意图受主电离过程示意图受主杂质电离的结果：受主杂质电离的结果：受主杂质电离的结果：受主杂质电离的结果：价带中的空穴数增加了，价带中的空穴数增加了，价带中的空穴数增加了，价带中的空穴数增加了，这就是掺受主杂质的意这就是掺受主杂质的意这就是掺受主杂质的意这就是掺受主杂质的意义所在。义所在。义所在。义所在。4 4、浅能级杂质、浅能级杂质、浅能级杂质、浅能级杂质（1 1）浅能级杂质的特点）浅能级杂质的特点）浅能级杂质的特点）浅能级杂质的特点一般是替位式杂质一般是替位式杂质一般是替位式杂质一般是替位式杂质施主电离能施
14、主电离能施主电离能施主电离能E ED D远小于禁带宽度远小于禁带宽度远小于禁带宽度远小于禁带宽度E Eg g，通常为，通常为，通常为，通常为V V族元素。族元素。族元素。族元素。受主电离能受主电离能受主电离能受主电离能E EA A远小于禁带宽度远小于禁带宽度远小于禁带宽度远小于禁带宽度E Eg g。通常为通常为通常为通常为IIIIII族元素。族元素。族元素。族元素。（2 2）浅能级杂质的作用）浅能级杂质的作用）浅能级杂质的作用）浅能级杂质的作用 改变半导体的电阻率；改变半导体的电阻率；改变半导体的电阻率；改变半导体的电阻率； 决定半导体的导电类型。决定半导体的导电类型。决定半导体的导电类型。决
15、定半导体的导电类型。（3 3）控制杂质浓度的方法）控制杂质浓度的方法）控制杂质浓度的方法）控制杂质浓度的方法 在单晶生长过程中掺入杂质在单晶生长过程中掺入杂质在单晶生长过程中掺入杂质在单晶生长过程中掺入杂质 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 离子注入杂质离子注入杂质离子注入杂质离子注入杂质 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 用合金工艺将杂质掺入半导体中用合金工艺将杂质掺入半导体中用合金工艺将杂质掺入半导体中用合金
16、工艺将杂质掺入半导体中5 5、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、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满足：氢原子满足：氢原子满足：氢原子满足：解得电子能量：解得电子能量：解得电子能量：解得电子能量：氢原子基态能量：氢原子基态能量：氢原子基态能量：氢原子基态能量：氢原子自由态能量：氢原子自由态能量：氢原子自由态能量：氢原子自由态能量：故基态电子的电离能：故基态电子的电离能：故基态电子的电离能：故基态电子的电离能：（1 1）氢原子基态电子的电离能）氢原子基态电子的电离能）氢原子基态电子的电离能）氢原子基态电子的电离能n = 1, 2, 3, （2 2）
17、用类氢原子模型估算浅能级杂质的电离能）用类氢原子模型估算浅能级杂质的电离能）用类氢原子模型估算浅能级杂质的电离能）用类氢原子模型估算浅能级杂质的电离能浅能级杂质浅能级杂质浅能级杂质浅能级杂质 = = 杂质离子杂质离子杂质离子杂质离子 + + 束缚电子（或空穴）束缚电子（或空穴）束缚电子（或空穴）束缚电子（或空穴）正、负电荷所处介质的介电常数为：正、负电荷所处介质的介电常数为：正、负电荷所处介质的介电常数为：正、负电荷所处介质的介电常数为：电势能：电势能：电势能：电势能：施主电离能：施主电离能：施主电离能：施主电离能：受主电离能：受主电离能：受主电离能：受主电离能： （mmn n* *和和和和m
18、mp p* *分别为电导有效质量）分别为电导有效质量）分别为电导有效质量）分别为电导有效质量）(3)(4)估算结果与实际测量值有估算结果与实际测量值有估算结果与实际测量值有估算结果与实际测量值有误差，但数量级相同。误差，但数量级相同。误差，但数量级相同。误差，但数量级相同。这种估算有优点，也有缺这种估算有优点，也有缺这种估算有优点，也有缺这种估算有优点，也有缺点。点。点。点。 GeGe：E ED D0.0064eV0.0064eV SiSi： E ED D0.025eV0.025eV6 6、杂质补偿、杂质补偿、杂质补偿、杂质补偿 半导体中同时存在施主杂质和受主杂质时，受主杂质半导体中同时存在施
19、主杂质和受主杂质时，受主杂质半导体中同时存在施主杂质和受主杂质时，受主杂质半导体中同时存在施主杂质和受主杂质时，受主杂质会接受施主杂质的电子，导致两者提供载流子的能力相互会接受施主杂质的电子，导致两者提供载流子的能力相互会接受施主杂质的电子，导致两者提供载流子的能力相互会接受施主杂质的电子，导致两者提供载流子的能力相互抵消，这种作用称为杂质补偿。抵消，这种作用称为杂质补偿。抵消，这种作用称为杂质补偿。抵消，这种作用称为杂质补偿。 在制造半导体器件的过程中，通过采用杂质补偿的方在制造半导体器件的过程中，通过采用杂质补偿的方在制造半导体器件的过程中，通过采用杂质补偿的方在制造半导体器件的过程中，通
20、过采用杂质补偿的方法来改变半导体某个区域的导电类型或电阻率。法来改变半导体某个区域的导电类型或电阻率。法来改变半导体某个区域的导电类型或电阻率。法来改变半导体某个区域的导电类型或电阻率。高度补偿高度补偿高度补偿高度补偿： 若施主杂质浓度与受主杂质浓度相差很小或二若施主杂质浓度与受主杂质浓度相差很小或二若施主杂质浓度与受主杂质浓度相差很小或二若施主杂质浓度与受主杂质浓度相差很小或二 者相等，者相等，者相等，者相等，则不能提供电子或空穴，此时半导体则不能提供电子或空穴，此时半导体则不能提供电子或空穴，此时半导体则不能提供电子或空穴，此时半导体 的导电能力与本征半的导电能力与本征半的导电能力与本征半
21、的导电能力与本征半导体相当，这种情况称为杂质的高度补偿。导体相当，这种情况称为杂质的高度补偿。导体相当，这种情况称为杂质的高度补偿。导体相当，这种情况称为杂质的高度补偿。 N ND DNNA A时：时：时：时：n n 型半导体型半导体型半导体型半导体 因因因因E EA A在在在在E ED D之下，之下，之下，之下，E ED D上的束缚电子首先填充上的束缚电子首先填充上的束缚电子首先填充上的束缚电子首先填充E EA A上的空位，上的空位，上的空位，上的空位，即施主与受主先相互即施主与受主先相互即施主与受主先相互即施主与受主先相互“ “抵消抵消抵消抵消” ”，剩余的束缚电子再电离到，剩余的束缚电子
22、再电离到，剩余的束缚电子再电离到，剩余的束缚电子再电离到导带上。导带上。导带上。导带上。 有效施主浓度：有效施主浓度：有效施主浓度：有效施主浓度： N ND D* *=N=ND D-N-NA A N NA ANND D时：时：时：时：p p 型半导体型半导体型半导体型半导体 因因因因E EA A在在在在E ED D之下，之下，之下，之下，E ED D上的束缚电子首先填充上的束缚电子首先填充上的束缚电子首先填充上的束缚电子首先填充E EA A上的空上的空上的空上的空位，即施主与受主先相互位，即施主与受主先相互位，即施主与受主先相互位，即施主与受主先相互“ “抵消抵消抵消抵消” ”，剩余的束缚空穴
23、再电，剩余的束缚空穴再电，剩余的束缚空穴再电，剩余的束缚空穴再电离到价带上。离到价带上。离到价带上。离到价带上。 有效受主浓度：有效受主浓度：有效受主浓度：有效受主浓度： N NA A* *=N=NA A-N-ND D N NA A N ND D时：杂质高度补偿时：杂质高度补偿时：杂质高度补偿时：杂质高度补偿ECEDEAEVEg本征激发的价带空穴本征激发的价带空穴本征激发的导带电子本征激发的导带电子高度补偿高度补偿高度补偿高度补偿：若施主杂质浓度与受主杂质尝试相差不大或二：若施主杂质浓度与受主杂质尝试相差不大或二：若施主杂质浓度与受主杂质尝试相差不大或二：若施主杂质浓度与受主杂质尝试相差不大或
24、二 者相等，则不能提供电子或空穴，这种情况称者相等，则不能提供电子或空穴，这种情况称者相等，则不能提供电子或空穴，这种情况称者相等，则不能提供电子或空穴，这种情况称 为杂质的高度补偿。为杂质的高度补偿。为杂质的高度补偿。为杂质的高度补偿。7 7、深能级杂质、深能级杂质、深能级杂质、深能级杂质EgECEVEDE EDD EAE EAAEgECEVEDE EDD EAE EAA 浅能级杂质浅能级杂质浅能级杂质浅能级杂质 深能级杂质深能级杂质深能级杂质深能级杂质EDEgEAEgEDEgEAEg 例例例例1 1：AuAu（I I族）在族）在族）在族）在GeGe中中中中AuAu在在在在GeGe中共有五种
25、可能的状态：中共有五种可能的状态：中共有五种可能的状态：中共有五种可能的状态： AuAu0 0 AuAu+ + AuAu一一一一AuAu二二二二; ;AuAu三三三三AuAu+ +：AuAu 0 0 e e AuAu+ +AuAu 0 0：电中性态：电中性态：电中性态：电中性态AuAu一一一一：AuAu0 0 + e + e AuAu一一一一AuAu二二二二：AuAu一一一一 + e + e AuAu二二二二AuAu三三三三：AuAu二二二二 + e + e AuAu三三三三EgECEVED0.04eVEgECEVED0.04eV0.15eVEAEgED0.04eV0.15eVEA10.20e
26、VEA2ECEVEgED0.04eV0.15eVEA1EA2EA3ECEV 例例例例2 2：AuAu（I I族）在族）在族）在族）在SiSi中中中中ECEVED0.35eVEA0.54eV 在化合物半导体中，某种杂质在其中既可以作施主又在化合物半导体中，某种杂质在其中既可以作施主又在化合物半导体中，某种杂质在其中既可以作施主又在化合物半导体中，某种杂质在其中既可以作施主又可以作受主，这种杂质称为两性杂质。可以作受主，这种杂质称为两性杂质。可以作受主，这种杂质称为两性杂质。可以作受主，这种杂质称为两性杂质。 例如：例如：例如：例如：GaAsGaAs中掺中掺中掺中掺SiSi（IVIV族）族）族）族
27、） SiSi GaGa 施主施主施主施主 SiSi AsAs 受主受主受主受主与元素半导体情况相类似。但与元素半导体情况相类似。但与元素半导体情况相类似。但与元素半导体情况相类似。但IVIV族元素具有双族元素具有双族元素具有双族元素具有双性行为，而性行为，而性行为，而性行为，而III-VIII-V族杂质一般表现为中性。族杂质一般表现为中性。族杂质一般表现为中性。族杂质一般表现为中性。两性杂质两性杂质两性杂质两性杂质2.2 III-V2.2 III-V族化合物中的族化合物中的杂质能能级2.3 2.3 缺陷能缺陷能级Imperfection LevelImperfection Level哈尔滨工业
28、大学微电子科学与技术系哈尔滨工业大学微电子科学与技术系常见点缺陷常见点缺陷常见点缺陷常见点缺陷 空位空位空位空位 间隙原子间隙原子间隙原子间隙原子 反结构缺陷反结构缺陷反结构缺陷反结构缺陷1 1、点缺陷、点缺陷、点缺陷、点缺陷（1 1）SiSi中的点缺陷中的点缺陷中的点缺陷中的点缺陷以空位、间隙和复合体为主。以空位、间隙和复合体为主。以空位、间隙和复合体为主。以空位、间隙和复合体为主。 A A、空位、空位、空位、空位空位空位V0 + e V-（受主）（受主）V0 - e V+（施主）（施主）ECEVED10.43eVEA0.16eVEg0.05eVED2 B B、间隙、间隙、间隙、间隙ECEV
29、EA0.45eVED0.12eVEg例：例：Si:B（2 2）GaAsGaAs中的点缺陷中的点缺陷中的点缺陷中的点缺陷 空位：空位：空位：空位：V VAsAs，V VGaGa； 间隙：间隙：间隙：间隙：I IAsAs ，I IGaGa； 反结构缺陷：反结构缺陷：反结构缺陷：反结构缺陷：B BA AA AB B。 点缺陷的分类：点缺陷的分类：点缺陷的分类：点缺陷的分类：反结构缺陷反结构缺陷特征：出现在化合物半导特征：出现在化合物半导特征：出现在化合物半导特征：出现在化合物半导 体中。体中。体中。体中。例：例：例：例：GaAsGaAs中的反结构缺陷。中的反结构缺陷。中的反结构缺陷。中的反结构缺陷。 GaGaAsAs: : 受主受主受主受主 AsAsGaGa: : 施主施主施主施主A B A B A B A B A B A B A BA B A B B B AB A B A B A BA A A B A B AB A B A B A B有双性行为有双性行为有双性行为有双性行为引起禁带宽度的波动引起禁带宽度的波动引起禁带宽度的波动引起禁带宽度的波动例：例：例：例：SiSi中的中的中的中的60600 0位错位错位错位错2 2、位错能级（主要指线缺陷）、位错能级（主要指线缺陷）、位错能级（主要指线缺陷）、位错能级（主要指线缺陷）
