沈阳工业大学《半导体物理》教学PPT第二章

§2.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•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样产生的。•禁带中的能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。§2.1硅、锗晶体中的杂质能级学习重点：沈阳工业大学电子科学与技术系•浅能级杂质、深能级杂质•杂质补偿1、杂质与杂质能级（1）杂质半导体中存在的与本体元素不同的其它元素。（2）杂质来源•无意掺入•有意掺入（3）杂质在半导体中的分布状况•替位式杂质•间隙式杂质杂质出现在半导体中时，产生的附加势场使严格的周期性势场遭到破坏。（4）杂质能级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。EgECEV杂质能级2、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正电中心（正离子）。这种杂质称为施主杂质。以硅为例：在硅单晶中掺入磷（P）等V族元素。电离施主导带电子硅原子（1）施主杂质在Si单晶中，V族施主替位杂质的两种荷电状态的价键(a)电离态(b)中性施主态•施主能级（2）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主杂质所束缚，该束缚态所对应的能级称为施主能级。特征：①施主杂质电离，导带中出现施主提供的导电电子；②电子浓度大于空穴浓度，即np。•掺入施主的半导体以电子导电为主，被称为n型半导体ECEV•施主电离能△ED=EC-EDEgECEV施主能级ED△ED=EC-ED•Si、Ge中V族杂质的电离能晶体杂质磷P砷As锑Sb硅Si锗Ge0.0440.01260.0490.01270.0390.0096•施主电离过程示意图施主杂质电离的结果：导带中的电子数增加了，这就是掺施主杂质的意义所在。3、受主能级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。或定义为：能够向半导体提供空穴并形成负电中心的杂质。以硅为例：在硅单晶中掺入硼（B）等III族元素。电离受主价带空穴硅原子（1）受主杂质在Si单晶中，III族受主替位杂质的两种荷电状态的价键(a)电离态(b)中性受主态•受主能级（2）受主电离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。特征：①受主杂质电离，价带中出现受主提供的导电空穴；②空穴浓度大于电子浓度，即pn。•掺入受主杂质的半导体以空穴导电为主被称为p型半导体ECEV•受主电离能△EA=EA-EVEgECEV受主能级EA•Si、Ge中Ⅲ族杂质的电离能晶体杂质硼B铝Al铟In硅Si锗Ge△EA=EA-EV镓Ga0.0450.0570.0650.1600.010.010.0110.011•受主电离过程示意图受主杂质电离的结果：价带中的空穴数增加了，这就是掺受主杂质的意义所在。4、浅能级杂质（1）浅能级杂质的特点一般是替位式杂质施主电离能△ED远小于禁带宽度△Eg，通常为V族元素。受主电离能△EA远小于禁带宽度△Eg。通常为III族元素。（2）浅能级杂质的作用•改变半导体的电阻率；•决定半导体的导电类型。（3）控制杂质浓度的方法•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•离子注入杂质•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5、浅能级杂质电离能的简单计算氢原子满足：解得电子能量：氢原子基态能量：氢原子自由态能量：故基态电子的电离能：（1）氢原子基态电子的电离能)1()()(]44[022022rErrqmhn2220408nhqmEnn=1,2,3,……2204018hqmE)2(82204010hqmEEE0E（2）用类氢原子模型估算浅能级杂质的电离能浅能级杂质=杂质离子+束缚电子（或空穴）正、负电荷所处介质的介电常数为：电势能：施主电离能：受主电离能：（mn*和mp*分别为电导有效质量）r0rqrUr024)(200*22204*8rnrnDEmmhqmE(3)(4)200*22204*8rprpAEmmhqmE估算结果与实际测量值有误差，但数量级相同。这种估算有优点，也有缺点。•Ge：△ED~0.0064eV•Si：△ED~0.025eV6、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。在制造半导体器件的过程中，通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。高度补偿：若施主杂质浓度与受主杂质浓度相差很小或二者相等，则不能提供电子或空穴，此时半导体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。•NDNA时：n型半导体因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。有效施主浓度：ND*=ND-NA•NAND时：p型半导体因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”，剩余的束缚空穴再电离到价带上。有效受主浓度：NA*=NA-ND•NA≌ND时：杂质高度补偿ECEDEAEVEg本征激发的价带空穴本征激发的导带电子高度补偿：若施主杂质浓度与受主杂质尝试相差不大或二者相等，则不能提供电子或空穴，这种情况称为杂质的高度补偿。7、深能级杂质EgECEVED△EDEA△EAEgECEVED△EDEA△EA•浅能级杂质•深能级杂质△EDEg△EAEg△ED≤Eg△EA≤Eg•例1：Au（I族）在Ge中Au在Ge中共有五种可能的状态：①Au0②Au+③Au一④Au二;⑤Au三②Au+：Au0–e→Au+①Au0：电中性态③Au一：Au0+e→Au一④Au二：Au一+e→Au二⑤Au三：Au二+e→Au三EgECEVED0.04eVEgECEVED0.04eV0.15eVEAEgED0.04eV0.15eVEA10.20eVEA2ECEVEgED0.04eV0.15eVEA1EA2EA3ECEV•例2：Au（I族）在Si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可以作受主，这种杂质称为两性杂质。例如：GaAs中掺Si（IV族）SiGa施主SiAs受主与元素半导体情况相类似。但IV族元素具有双性行为，而III-V族杂质一般表现为中性。两性杂质§2.2III-V族化合物中的杂质能级§2.3缺陷能级ImperfectionLevel哈尔滨工业大学微电子科学与技术系常见点缺陷•空位•间隙原子•反结构缺陷1、点缺陷（1）Si中的点缺陷以空位、间隙和复合体为主。•A、空位空位V0+e→V-（受主）V0-e→V+（施主）ECEVED10.43eVEA0.16eVEg0.05eVED2•B、间隙ECEVEA0.45eVED0.12eVEg例：Si:B（2）GaAs中的点缺陷①空位：VAs，VGa；②间隙：IAs，IGa；③反结构缺陷：BAAB。•点缺陷的分类：反结构缺陷特征：出现在化合物半导体中。例：GaAs中的反结构缺陷。GaAs:受主AsGa:施主ABABABABABABABABABBBABABABABAAABABABABABAB有双性行为引起禁带宽度的波动例：Si中的600位错2、位错能级（主要指线缺陷）