半导体中的杂质和缺陷

第二章半导体中杂质和缺陷能级杂质：半导体中存在的与本体元素不同的其它元素缺陷:晶格中的原子周期性排列被破坏a.点缺陷：空位、间隙原子b.线缺陷：位错c.面缺陷：层错杂质和缺陷对半导体的物理性能和化学性能会产生决定性的影响。杂质和缺陷出现在半导体中时，产生的附加势场使严格的周期性势场遭到破坏。杂质能级位于禁带之中EcEv杂质能级间隙式杂质：杂质原子位于晶格原子的间隙位置间隙式杂质原子一般比较小替位式杂质：杂质原子取代晶格原子位于晶格点处替位式杂质原子的大小与被取代的晶格原子的大小比较相近,价电子壳层结构相近。§2.1Si、Ge晶体中的杂质能级杂质浓度：单位体积中的杂质原子数施主杂质：能够施放电子而产生导电电子并形成正电中心施主杂质和施主能级：受主杂质和受主能级：Si中掺硼B受主杂质：能够接受电子而产生导电空穴并形成负电中心5、杂质的补偿作用杂质的补偿:既掺有施主又掺有受主补偿半导体（A）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。半导体是n型的有效的施主浓度ND*=ND-NAEDEADADnNNN（B）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。半导体是p型的有效的受主浓度NA*=NA–NDEAEDADApNNN（C）NA≌ND时杂质的高度补偿本征激发的导带电子EcEDEAEv本征激发的价带空穴6、深能级杂质（1）浅能级杂质△ED《Eg△EA《Eg（2）深能级杂质△ED≮Eg△EA≮EgEcEcEvEvEDED△ED△EAEAEA深能级的特点：施主能级离导带较远，受主能级离价带较远。一种杂质可以引入若干能级，因为会产生多次电离，有的杂质既能引入施主能级，又能引入受主能级。杂质能级是与杂质原子的壳层结构、杂质原子的大小、杂质在晶格中的位置等等因素有关，目前没有完善的理论加以说明。例1：Au（Ⅰ族）在Ge中Au在Ge中共有五种可能的状态：（1）Au+；（2）Au0；（3）Au一；（4）Au二；（5）Au三。（1）Au+：Au0–eAu+ECEgEDEV△ED(2)Au0电中性态（3）Au一：Au0+eAu一ECEV△EAEA1（4）Au二：Au一+eAu二△EA2=EA1EA2ECEV△EA2（5）Au三：Au二+eAu三△EA3=EA3EA2EA1EVEC7、等电子陷阱（1）等电子杂质特征：a、与本征元素同族但不同原子序数b、以替位形式存在于晶体中，基本上是电中性的。条件：电负性、共价半径相差较大同族元素原子序数越小，电负性越大，共价半径越小。等电子杂质电负性大于基质晶体原子的电负时，取代后将成为负电中心；反之，将成为正电中心。原子的电负性是描述化合物分子中组成原子吸引电子倾向强弱的物理量，显然与原子的电离能、亲合能及价态有关（2）等电子陷阱等电子杂质（如N）占据本征原子位置（如GaP中的P位置）后，即NNPN的共价半径为0.07nm，电负性为3.0;P的共价半径为0.11nm，电负性为2.1所以氮取代磷后能俘获电子成为负电中心，它们可以吸引一个导带电子而变成负离子，这就是电子陷阱，相反如果成为正电中心即可吸引一个价带空穴而变成正离子这就是空穴陷阱。1、N在GaP中：NP2、C在Si中：CSi3、O在ZnTe中：其存在形式可以是（1）替位式（2）复合体，如Zn-O8、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。9、两性杂质举例：GaAs中掺Si（Ⅳ族）Ga：Ⅲ族As：Ⅴ族SiGa受主SiAs施主两性杂质两性杂质：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。§2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物中的杂质能级铝、镓、铟和磷、砷、锑组成的九种化合物化学计量比：1:1晶体结构：闪锌矿结构替位式杂质间隙式杂质(1)一族元素，引入受主能级(2)二族元素，受主能级(3)三、五族元素，一般是电中性杂质，另一种等电子杂质效应等电子杂质：特征：a、与本征元素同族但不同原子序数b、以替位形式存在于晶体中，基本上是电中性的。条件：电负性、共价半径相差较大同族元素原子序数越小，电负性越大，共价半径越小。等电子杂质电负性大于基质晶体原子的电负时，取代后将成为负电中心；反之，将成为正电中心。等电子杂质（如N）占据本征原子位置（如GaP中的P位置）后，即NNPN的共价半径为0.07nm，电负性为3.0;P的共价半径为0.11nm，电负性为2.1所以氮取代磷后能俘获电子成为负电中心，它们可以吸引一个导带电子而变成负离子，这就是电子陷阱，相反如果成为正电中心即可吸引一个价带空穴而变成正离子这就是空穴陷阱。（4）四族元素，两性杂质举例：GaAs中掺Si（Ⅳ族）Ga：Ⅲ族As：Ⅴ族SiGa受主SiAs施主两性杂质两性杂质：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。（5）六族元素，常取代五族元素，施主杂质（6）过渡族元素除钒产生施主能级，其余均产生受主能级§2.2缺陷能级1、点缺陷：空位间隙原子弗伦克尔缺陷和肖特基缺陷（1）Si中的点缺陷：空位受主作用间隙原子施主作用（2）化合物砷化镓中的砷空位和镓空位均表现出受主作用二六族化合物，离子型较强，正离子空位是受主，负离子空位是施主，正离子间隙原子为施主，负离子间隙原子为受主。反结构缺陷2线缺陷位错存在不饱和键，可以俘获电子成为负电中心，起受主作用，也可以失去不成价的电子，成为正电中心，起施主作用。位错既可能成为施主，也可成为受主。