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1、实际半导体晶格偏离理想情况实际半导体晶格偏离理想情况理想半导体：理想半导体：1）原子严格地周期性排列，晶体具有）原子严格地周期性排列，晶体具有完整的晶格结构完整的晶格结构。2）晶体中）晶体中无杂质，无缺陷无杂质，无缺陷。3）电子在严格的周期场中作共有化运动，形成允带和）电子在严格的周期场中作共有化运动，形成允带和禁带禁带电子能量只能处在允带中的能级上，电子能量只能处在允带中的能级上，禁带中无禁带中无能级能级。由本征激发提供载流子由本征激发提供载流子。晶体具有完整的（完美的）晶格结构，无任何杂质和缺晶体具有完整的（完美的）晶格结构，无任何杂质和缺陷陷本征半导体本征半导体。（纯净的半导体中，。（纯
2、净的半导体中，EF的位置和载的位置和载流子的浓度只是由材料本身的本征性质决定的。）流子的浓度只是由材料本身的本征性质决定的。）1 1实际半导体晶格偏离理想情况实际半导体晶格偏离理想情况杂质杂质缺陷缺陷原子在平衡位置附近振动原子在平衡位置附近振动2 2杂质和缺陷杂质和缺陷原子的周期性势场受到破坏原子的周期性势场受到破坏在禁带中引入能级在禁带中引入能级决定半导体的物理和化学性质决定半导体的物理和化学性质实际半导体材料中：实际半导体材料中：杂质电离提供载流子杂质电离提供载流子3 3杂质：半半导体中存在的与本体元素不同的体中存在的与本体元素不同的 其它元素。其它元素。杂质来源杂质来源(1)有意掺入有意
3、掺入（2）无意掺入）无意掺入掺杂目的：掺杂目的：控制半导体的导电性质（电阻率和导电类型）控制半导体的导电性质（电阻率和导电类型）控制半导体的导电性质（电阻率和导电类型）控制半导体的导电性质（电阻率和导电类型）4 4缺陷缺陷点缺陷，如空位、间隙原子等线缺陷，如位错等面缺陷，如层错、晶粒间界等5 5本章内容6 6本节要点本节要点 1. 杂质在杂质在Si、Ge、GaAs中的存在形式中的存在形式 2. 浅能级杂质的特点及在半导体中的作用；浅能级杂质的特点及在半导体中的作用； 3. 浅能级杂质电离能的计算；浅能级杂质电离能的计算； 4. 杂质补偿作用杂质补偿作用 5. 各类杂质在各类杂质在GaAs、Ga
4、P中的杂质能级中的杂质能级 6. 掌握等电子陷阱和等电子杂质的概念掌握等电子陷阱和等电子杂质的概念 7. 能解释硅在能解释硅在GaAs中的双性行为中的双性行为7 7替位式杂质要求：替位式杂质要求：1）杂质原子大小与晶格原子相近 2）杂质原子与晶格原子价电子壳层结构相近、族元素在硅、锗晶体中都是替位式杂质族元素在硅、锗晶体中都是替位式杂质8 8SiP Li9 9杂质出现在半导体中时，产杂质出现在半导体中时，产生的附加势场使严格的周期生的附加势场使严格的周期性势场遭到破坏。性势场遭到破坏。有可能在禁带中引入允许电子（或空穴）具有有可能在禁带中引入允许电子（或空穴）具有的能量状态的能量状态杂质能级。
5、杂质能级。1010杂质能能级位于禁位于禁带之中之中EcEvl杂质能级 11111. 施主杂质施主杂质施主能级施主能级VA族的替位杂质族的替位杂质正电中心正电中心P原子替代Si原子后，形成一个正电中心P+和一个多余的价电子。121213131414 SiP对于对于Si中的中的P原子，原子，剩余价电子的运动剩余价电子的运动半径：半径：r 65 Si的晶格常数为的晶格常数为 5.43对于Ge中的P原子，r 85 1515P原原子子中中这这个个多多余余的的价价电电子子的的运运动动半半径径远远远远大大于于其其余余四四个个电电子子，所所受受到到的的束束缚最小，极易摆脱束缚成为自由电子。缚最小，极易摆脱束缚
6、成为自由电子。此此时时P原原子子就就成成为为少少一一个个价价电电子子的的P离离子，它是一个不能移动的正电中心。子，它是一个不能移动的正电中心。杂质电离杂质电离：电子脱离杂质原子的束缚成为导电电子的过程。正电中心正电中心使电子摆脱束缚成为导电电子使电子摆脱束缚成为导电电子所需要的能量称为所需要的能量称为施主杂质的施主杂质的电离能电离能ED 。 1616V族杂质未电离时是中性的，称族杂质未电离时是中性的，称束缚态束缚态或或中性态中性态；电离后成为正电中心，称电离后成为正电中心，称离化态离化态。1717施主杂质施主杂质:施主杂质具有提供电子的能力。施主杂质具有提供电子的能力。杂质电离时能够释放电子而
7、产生导电电子并形成正电中心的杂质施主杂质。1818电离的结果：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，增强了半导体的导电能力，增强了半导体的导电能力， 这即是这即是掺施主的意义掺施主的意义所在。所在。施主能级和施主电离施主能级和施主电离ED：被施主杂质被施主杂质束缚的电子的能束缚的电子的能量状态称为量状态称为施主施主能级能级。Eg Si: 1.12 eV Ge: 0.66 eVEDSi：0.040.05eV；Ge：0.01eV束缚态束缚态离化态离化态1919施主杂质：施主杂质：束缚在杂质能级上的电子被激发到导带Ec成为导带电子，该杂质电离后成为正电中心（正离子）。这种杂质称为
8、施主杂质。2020施主杂质的电离能施主杂质的电离能ED：即弱束缚的电子摆脱束即弱束缚的电子摆脱束缚成为晶格中自由运动的电子（导带中的电子）缚成为晶格中自由运动的电子（导带中的电子）所需要的能量。所需要的能量。 设设 施主杂质能级为施主杂质能级为ED施主的电离能施主的电离能施施施施 主主主主 电电 离离离离 能：能：能：能：E ED D=E=EC C-E-ED D V族元素ED：Si：0.040.05eV；Ge：0.01eVECEDEgEVEg ： Si: 1.12 eV Ge: 0.66 eVEDEg 施主能级位于靠近导带底的禁带中施主能级位于靠近导带底的禁带中2121价带价带导带导带称称电子
9、为多数载流子电子为多数载流子，简称，简称多子多子，空穴为少数载流子空穴为少数载流子，简称，简称少子少子。 2323（1）在）在 Si 中掺入中掺入 B2. 受主杂质受主杂质 受主能级受主能级元素半导体中元素半导体中A族替位杂质族替位杂质B 获得一个电子获得一个电子变成负离子，成变成负离子，成为为负电中心负电中心，周，周围产生带正电的围产生带正电的空穴。空穴。负电中心负电中心2424价带空穴电离受主 B负电中心负电中心B-对这个空穴的束缚比共价键弱，只需很少能量即可使它挣脱束对这个空穴的束缚比共价键弱，只需很少能量即可使它挣脱束缚成为导电空穴在晶格中自由运动。缚成为导电空穴在晶格中自由运动。此时
10、此时B原子就成为多一个价电子的原子就成为多一个价电子的B-离子，它是一个不能移动的负电中心。离子，它是一个不能移动的负电中心。25252626受主杂质：受主杂质：束缚在杂质能级上的空穴被激发到价带Ev成为价带空穴，该杂质电离后成为负电中心（负离子）。这种杂质称为受主杂质。受主杂质具有得到电子的性质，受主杂质具有得到电子的性质，向价带提供空穴。向价带提供空穴。能接受电子而产生导电空穴，并形成负电中心的杂质称为受主杂质受主杂质/p型杂质型杂质。2727EgEA受主能级和受主电离受主能级和受主电离EA：空穴被受主杂质束缚时的能量状态对应的能级称为受主能级受主能级。电离的离的结果：果：价带中的空穴数增
11、加了， 增强了半导体的导电能力， 这即是掺受主的意受主的意义所在。 2828受主能级靠近价带顶部受主能级靠近价带顶部(EA电子数），对应的半导体称为电子数），对应的半导体称为P型半导体型半导体。空穴为多子，电子为少子。空穴为多子，电子为少子。 受主能级受主能级EA31313232333334343. 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363637372个修正：个修正：用用电子有效子有效质量量mn*取代取代m0用半用半导体介体介电常数常数 取代取代0因为在周期性势场中运动因为在周期性势场中运动因为在介质中因为在介质中3838对于Si、Ge掺PEcEv施主能级靠近导带底部施主能级
12、靠近导带底部ED(1)施主电离能施主电离能39394040施主杂质的电离能小，施主杂质的电离能小，在常温下基本上电离。在常温下基本上电离。实验测试值4141EcEvEA受主能级靠近价带顶部受主能级靠近价带顶部(2)受主电离能受主电离能4242受主能级受主能级EA受主杂质的电离能小，在受主杂质的电离能小，在常温下基本上为价带电离常温下基本上为价带电离的电子所占据（空穴由受的电子所占据（空穴由受主能级向价带激发）。主能级向价带激发）。Si、Ge中 族杂质的电离能EA（eV） 晶体 杂 质 B Al Ga In Si 0.045 0.057 0.065 0.16 Ge 0.01 0.01 0.011
13、 0.01143434444有效施主浓度：有效施主浓度：4. 杂质的补偿作用杂质的补偿作用(1) NDNA半导体中同时存在施主和受主杂质，半导体中同时存在施主和受主杂质，施主和受主之间有互相抵消的作用施主和受主之间有互相抵消的作用此时为此时为n型半导体型半导体 n=ND-NAEcED电离施主电离受主EvEA因EA在ED之下， ED 上的束缚电子首先填充EA 上的空位，即施主与受主先相互“抵消”，剩余的束缚电子再电离到导带上。4545(2) NDGa阳性（正电性）强，阳性（正电性）强，OP负电性（阴性）负电性（阴性）强，因此，强，因此，Zn-O结合比结合比Zn-P、Ga-O结合结合都强，所以都强
14、，所以Zn-O仍能俘获电子，俘获后电仍能俘获电子，俘获后电离能为离能为0.3eV，引入引入施主能级施主能级。5959束缚激子束缚激子 即等电子陷阱俘获一种符号的载流子后，又因带电中心的库仑作用又俘获另一种带电符号的载流子，这就是束缚激子。例：例： GaP: NNp+e Np- (等电子陷阱等电子陷阱)之后之后 Np- +h Np- +h束缚激子束缚激子6060族族元元素素（Au、Ag、Cu）一一般般在在GaAs中中引入受主能级，起受主作用。引入受主能级，起受主作用。间隙式间隙式Cu还引入一个施主能级。还引入一个施主能级。间隙式间隙式Li离子引入受主能级。离子引入受主能级。Na元素起施主作用，但
15、不采用它作掺杂剂。元素起施主作用，但不采用它作掺杂剂。(Ev+0.11)eV (Ag) (Ev+0.09)eV (Au)(Ev+0.14)eV (Cu) (Ev+0.44)eV (Cu) 铜原子对Cu-Cu引入受主能级(Ev+0.24)eV(Ev+0.023)eV (Li)6161过渡元素在过渡元素在GaAs中产生深能级。中产生深能级。V（矾）矾） （EV0.22）eV 深施主能级深施主能级Cr（铬）（铬）（EV+0.79）eV Mn （EV+0.095）eVFe （EV+0.52）eVCo（EV+0.16）eVNi（EV+0.21）eV一一般般铬铬掺掺入入N型型GaAs中中可可制制得得电电阻
16、阻率率大大于于106107cm半绝缘半绝缘GaAs用作衬底。用作衬底。62622. 族化合物半导体中的杂质族化合物半导体中的杂质6363本节要点本节要点1.深能级杂质的特点深能级杂质的特点2.深能级杂质在半导体中起的作用深能级杂质在半导体中起的作用3.特别注意特别注意Au在硅中既有施主能级又在硅中既有施主能级又有受主能级，它是有效的复合中心有受主能级，它是有效的复合中心646465656666深能级瞬态谱仪（深能级瞬态谱仪（DLTS）测量杂质的深能级测量杂质的深能级深能级杂质的基本特点：深能级杂质的基本特点：q 一般以替位式杂质形式存在一般以替位式杂质形式存在q 不容易电离，不容易电离，对载流
17、子浓度和导电类型影响不大对载流子浓度和导电类型影响不大。q 能够产生多次电离，每次电离均对应一个能级能够产生多次电离，每次电离均对应一个能级（一般会产生多重能级），甚至既产生施主能级也产（一般会产生多重能级），甚至既产生施主能级也产生受主能级。生受主能级。深能级杂质的作用：深能级杂质的作用：q 深能级一般作为深能级一般作为复合中心复合中心，使载流子寿命降低。，使载流子寿命降低。q 深能级杂质电离后成为带电中心，对载流子有散深能级杂质电离后成为带电中心，对载流子有散射作用，使载流子迁移率减少，导电性能下降。射作用，使载流子迁移率减少，导电性能下降。6767例例1： Au（I族）在族）在Ge中中A
18、u在在Ge中共有五种可能的荷电状态：中共有五种可能的荷电状态：Au0 、 Au+ 、Au-、Au=、Au6868(1) Au(1) Au0 0 电电中性态中性态6969（2）7070EDEA17171Au获得第二个电子获得第二个电子ED7272Au获得第三个电子获得第三个电子ED73737474本节要点本节要点1.掌握点缺陷对半导体性能的影响掌握点缺陷对半导体性能的影响2.掌握位错缺陷对半导体性能的影响掌握位错缺陷对半导体性能的影响75751. 点缺陷的类型点缺陷的类型n热缺陷（由温度决定）热缺陷（由温度决定）q弗伦克尔缺陷弗伦克尔缺陷成对出现的间隙原子和空位成对出现的间隙原子和空位q肖特基缺
19、陷肖特基缺陷晶体中只形成空位而没有间隙原子晶体中只形成空位而没有间隙原子q间隙原子缺陷间隙原子缺陷晶体中只有间隙原子而无原子空位晶体中只有间隙原子而无原子空位q对于化合物半导体，偏离正常的化学比也会产生空位缺陷对于化合物半导体，偏离正常的化学比也会产生空位缺陷7676点缺陷（热缺陷）特点：点缺陷（热缺陷）特点：热缺陷的数目随温度升高而增加热缺陷的数目随温度升高而增加热缺陷的数目随温度升高而增加热缺陷的数目随温度升高而增加热缺陷中以肖特基缺陷为主（即原子空位为主）。热缺陷中以肖特基缺陷为主（即原子空位为主）。热缺陷中以肖特基缺陷为主（即原子空位为主）。热缺陷中以肖特基缺陷为主（即原子空位为主）。
20、原因：三种点缺陷中形成肖特基缺陷需要的能量最原因：三种点缺陷中形成肖特基缺陷需要的能量最原因：三种点缺陷中形成肖特基缺陷需要的能量最原因：三种点缺陷中形成肖特基缺陷需要的能量最小。（可参阅刘文明小。（可参阅刘文明小。（可参阅刘文明小。（可参阅刘文明半导体物理学半导体物理学半导体物理学半导体物理学p70p70p73p73，或叶良修或叶良修或叶良修或叶良修半导体物理学半导体物理学半导体物理学半导体物理学p24p24和和和和p94p94）淬火后可以淬火后可以淬火后可以淬火后可以“ “冻结冻结冻结冻结” ”高温下形成的缺陷。高温下形成的缺陷。高温下形成的缺陷。高温下形成的缺陷。退火后可以消除大部分缺陷
21、。半导体器件生产工艺退火后可以消除大部分缺陷。半导体器件生产工艺退火后可以消除大部分缺陷。半导体器件生产工艺退火后可以消除大部分缺陷。半导体器件生产工艺中，经高温加工（如扩散）后的晶片一般都需要进中，经高温加工（如扩散）后的晶片一般都需要进中，经高温加工（如扩散）后的晶片一般都需要进中，经高温加工（如扩散）后的晶片一般都需要进行退火处理。离子注入形成的缺陷也用退火来消除。行退火处理。离子注入形成的缺陷也用退火来消除。行退火处理。离子注入形成的缺陷也用退火来消除。行退火处理。离子注入形成的缺陷也用退火来消除。7777点缺陷对半导体性质的影响：点缺陷对半导体性质的影响：l l缺陷处晶格畸变，周期性
22、势场被破坏，致缺陷处晶格畸变，周期性势场被破坏，致缺陷处晶格畸变，周期性势场被破坏，致缺陷处晶格畸变，周期性势场被破坏，致使在禁带中产生能级。使在禁带中产生能级。使在禁带中产生能级。使在禁带中产生能级。l l热缺陷能级大多为深能级，在半导体中起热缺陷能级大多为深能级，在半导体中起热缺陷能级大多为深能级，在半导体中起热缺陷能级大多为深能级，在半导体中起复合中心作用，使非平衡载流子浓度和寿复合中心作用，使非平衡载流子浓度和寿复合中心作用，使非平衡载流子浓度和寿复合中心作用，使非平衡载流子浓度和寿命降低。命降低。命降低。命降低。l l空位缺陷有利于杂质扩散空位缺陷有利于杂质扩散空位缺陷有利于杂质扩散
23、空位缺陷有利于杂质扩散l l对载流子有散射作用，使载流子迁移率和对载流子有散射作用，使载流子迁移率和对载流子有散射作用，使载流子迁移率和对载流子有散射作用，使载流子迁移率和寿命降低。寿命降低。寿命降低。寿命降低。7878A B特征：出现在化合物半导体中79792. 元素半导体中的缺陷元素半导体中的缺陷q因为空位周围有四个不成对电子，所以空位表现出受主作用8080(2) 间隙间隙SiSiSiSiSiSiSiSiSiSi间隙原子缺陷起施主作用间隙原子缺陷起施主作用 q每个间隙原子有四个可以失去的电子，所以表现出施主作用。8181（1）GaAs 晶体中的点缺陷晶体中的点缺陷当当 T 0 K 时：时：
24、 空位空位: VGa、VAs 间隙原子间隙原子: GaI、AsI 反结构缺陷反结构缺陷(替位原子替位原子) Ga原子占据原子占据As 空位，或空位，或 As 原子原子占据占据 Ga空空 位，位，记为 GaAs和和 AsGa。 3. 化合物半导体中的缺陷化合物半导体中的缺陷8282化化合合物物晶晶体体中中的的各各类类点点缺缺陷陷可可以以电电离离，释释放放出出电电子子或或空空穴穴，从从而而影影响响材材料料的的电学性质。电学性质。8383 实际晶体中，由于各种缺陷形成时所需要实际晶体中，由于各种缺陷形成时所需要的能量不同，他们浓度会有很大差别。的能量不同，他们浓度会有很大差别。 GaAs 曾认为曾认
25、为VAs、VGa是比较重要的。是比较重要的。最近发现，主要缺陷是最近发现，主要缺陷是VAs、AsI。 VGa、VAs、AsI 是是起起施施主主还还是是起起受受主主作作用用，尚有分歧。尚有分歧。较较多多的的人人则则采采用用 VAs、AsI 为为施施主主、VGa 是受主的观点来解释各种实验结果。是受主的观点来解释各种实验结果。8484 （2）- 族化合物半导体中的缺陷族化合物半导体中的缺陷主主要要是是离离子子键键起起作作用用，正正负负离离子子相相间间排排列列组组成成了了非非常常稳稳定定的的结结构构，所所以以外外界界杂杂质对它们性能的影响不显著。质对它们性能的影响不显著。其其导导电电类类型型主主要要
26、是是由由它它们们自自身身结结构构的的缺缺陷陷（间间隙隙原原子子或或空空格格点点）所所决决定定，这这类类缺陷在半导体中常起施主或受主作用。缺陷在半导体中常起施主或受主作用。 85858686a.负离负离子空位子空位产产生生正正电电中中心心，起起施施主主作作用用电负性小8787b.正离正离子填隙子填隙产产生生正正电电中中心，心，起起施施主主作作用用8888c.正离正离子空位子空位产产生生负负电电中中心心，起起受受主主作作用用电负性大8989d.负离负离子填隙子填隙产产生生负负电电中中心心，起起受受主主作作用用9090负离子空位负离子空位产生正电中心，起施主作用产生正电中心，起施主作用正离子填隙正离
27、子填隙正离子空位正离子空位负离子填隙负离子填隙产生负电中心，起受主作用产生负电中心，起受主作用离子性强的化合物半导体（M,X），正离子空位是受主，负离子空位是施主，金属原子为间隙原子时为施主，非金属原子为间隙原子时为受主。9191棱位错对半导体性能的影响：棱位错对半导体性能的影响： 位位错线错线上的上的悬悬挂挂键键可以接受可以接受电电子子变为负电变为负电中心，表中心，表现为现为受受主；主；悬悬挂挂键键上的一个上的一个电电子也可以被子也可以被释释放出来而放出来而变为变为正正电电中中心，此心，此时时表表现为现为施主，即施主，即不不饱饱和的和的悬悬挂挂键键具有双性行具有双性行为为，可以起受主作用，也
28、可以起施主作用。可以起受主作用，也可以起施主作用。 位位错线处错线处晶格晶格变变形，形，导导致致能能带变带变形形 位位错线错线影响影响杂质杂质分布均匀性分布均匀性 位位错线错线若接受若接受电电子子变变成成负电负电中心，中心，对载对载流子有散射作用流子有散射作用。（第四章）（第四章） 影响少子寿命影响少子寿命，原因：一是能，原因：一是能带变带变形，禁形，禁带宽带宽度减小，有度减小，有利于非平衡利于非平衡载载流子复合；二是在禁流子复合；二是在禁带带中中产产生深能生深能级级，促，促进进载载流子复合。（第五章）流子复合。（第五章）9292第二章第二章 小结小结939394949595VI族（族（Se, S, Te）施主杂质施主杂质II族（族（Zn, Be, Mg, Hg）受主受主III族（族（B, Al, In）中性杂质中性杂质IV族（族（Si, Ge, Sn, Pb）两性杂质两性杂质缺陷缺陷AsGa施主施主GaAs受主受主VGa受主受主VAs、AsI施主施主9696
