X年春季学期微电子器件基础-第二章

第二章半导体中的杂质和缺陷2.1锗、硅半导体中的杂质及能级2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体中的杂质及能级2.3宽禁带半导体中的杂质及能级2.4缺陷、位错能级本章要点：半导体中总是存在一定量的杂质和缺陷半导体中的杂质和缺陷有多种存在形式和性质杂质和缺陷对半导体的性质具有重要作用甚至决定作用可以通过掺杂改变半导体的性质定义：杂质构成半导体的基质原子以外的其它原子缺陷偏离理想半导体周期结构的现象SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiBSiA2.1.1杂质的空间分布及其存在的状态2.1硅、锗半导体的杂质间隙杂质、替位杂质替位杂质间隙杂质以硅晶体掺磷为例：2.1.2施主杂质、施主能级P+磷原子4个价电子分别与周围4个硅原子的1个价电子成共价键，剩余1个价电子被轻微束缚。束缚能很小，束缚电子容易被激发到硅导带成为自由电子，磷原子成为正离子。施主能级只能被任意自旋的一个电子占据，所以简并度为2。束缚电子束缚电子P+按类氢原子模型，束缚电子的能量、轨道半径，4222201,2,3,8,nnrmeEhnnE0E1E对基态电子，2012rnhrme硅半导体中磷杂质电离能计算4122208nrmeEh施主电离能（基态电子脱离束缚所需能量），12013.6nrmEEEm2202,1,2,3,rnnnhrnme（eV）+束缚态磷离子--导带底（半导体中自由电子的最低能量）电离cEE+DEiE硅晶体中磷杂质存在状态的能带图表示cEcDEEE--施主杂质电离能iE——禁带中央能级DE——施主能级导带电子中和+施主正电荷中心---施主杂质电离后形成的离子实施主杂质电离---束缚电子被释放的过程施主杂质电离能---束缚电子成为导带电子所需最小能量施主杂质---释放束缚电子、并成为不可动正电荷中心的杂质施主能级---束缚电子的基态能量施主束缚态（中性态）---施主杂质未电离时的状态施主离化态---施主杂质电离后的状态（不可动、带正电）N型半导体---以导带电子导电为主的半导体施主杂质浓度---单位体积中施主杂质原子数深施主杂质---施主能级离导带底较远的施主杂质浅施主杂质---施主能级离导带底较近的施主杂质描述施主杂质的术语cEEDEiE浅施主、深施主杂质的能带图cEEDEiEcEEDEiE浅施主杂质深施主杂质深施主杂质束缚空穴以硅半导体掺硼为例：2.1.3受主杂质、受主能级B-B-硼原子3个价电子分别与周围3个硅原子的1个价电子成共价键，同时产生1个束缚空穴。束缚能很小，被束缚空穴容易脱离束缚在价带自由运动，而硼原子变成负离子。空穴可以在4个共价键位置上出现，所以受主能级的简并度为4。束缚空穴B-4222201,2,3,8,pnrmeEhnnE0E1E硅半导体中硼杂质电离能计算按类氢原子模型，束缚空穴的能量值，基态空穴能量，4122208prmeEh基态空穴脱离束缚所需能量（受主电离能），12013.6prmEEEm-束缚态硼离子空穴电离-AE硅半导体中硼杂质电离状态的能带表示AEEEcEEiE--价带顶（自由空穴的最高能量）vE--受主杂质电离能iE——禁带中央能级——受主能级AEAEEE中和受主负电荷中心---受主杂质电离后形成的离子实受主杂质电离---束缚空穴被释放的过程受主杂质电离能---束缚空穴成为价带空穴所需最小能量受主杂质---释放束缚空穴，并成为不可动负电荷中心的杂质受主能级---被束缚空穴的基态能量受主束缚态（中性态）---受主杂质未电离时的状态受主离化态---受主杂质电离后的状态（不可动、带负电）P型半导体---以价带空穴导电为主的半导体受主杂质浓度---单位体积中的受主杂质原子数深受主杂质---受主能级离价带底较远的施主杂质浅受主杂质---受主能级离价带底较近的施主杂质描述受主杂质的术语cEEiEAE浅受主、深受主杂质的能带图表示cEEiEcEEiE深受主杂质深受主杂质AEAE浅受主杂质220*22204*6.1342nmmnemErnrnn例1、(2)施主弱束缚电子的基态轨道半径，600015.011753.053.001nrmmr埃(1)施主杂质电离能，施主杂质电离能eVmmErnD0007.0171015.06.1316.13220施主杂质束缚电子电子轨道半径埃2*02*22053.0nmmemnhrnrnrn1n1n锑化铟禁带宽度0.18eV，相对介电常数17，电子有效质量，计算：1、施主杂质电离能；2、束缚电子基态轨道半径；解、0*015.0mmn施主释放电子填满全部受主能级后，余下的电子发射到导带。若杂质全部电离，半导体有效杂质浓度，A、弱补偿（N型半导体）DANNADDNNNN2.1.4杂质补偿半导体AEcEEDE施主向受主能级发射电子，填充部分受主能级，剩余的受主杂质向价带发射空穴。若杂质全部电离，有效杂质浓度，（P型半导体）ADANNNNB、弱补偿ADNNAEcEEDEADNNC、高度补偿施主释放的电子基本全部填充受主能级，导带电子浓度和价带空穴浓度很低。有效杂质浓度，0ADNNNAEcEEDEAEcEEDE（赝本征半导体）利用杂质补偿，选择性改变半导体芯片局部区域导电类型或导电能力。杂质补偿原理的应用N型杂质P-SiN型区高浓度P型区P-SiP-SiP-SiP型杂质PN结欧姆接触N型区P-SiPNP晶体管P-Si高度补偿区电阻硅半导体中各种杂质能级测量结果+—施主能级、-—受主能级、？—还不确定2.1.5多能级杂质、双性杂质、杂质自补偿Li+0.033Mg----0.110.250.550.17Te++0.14?++--Hg0.310.360.250.33iEcEE参考：本教材图2-9或叶良修“半导体物理”P84，图2-37DopantTypeTetrahedralRadius(angstroms)MisfitFactorAcceptorLevel,distancefromvalenceband(eV)DonorLevel,distancefromconductionband(eV)Asn1.180-0.049Pn1.10.068-0.044Sbn1.360.153-0.039Alp1.260.0680.057-Bp0.880.2540.045-Gap1.260.0680.065-Ind1.440.220.16-Agd1.520.290.890.79Aud1.50.2720.570.76Cud1.28-0.24,0.37,0.52-Mod--0.3-Nid1.24-0.21,0.76-Od---0.16Ptd--0.42,0.920.85Tid--0.26-Znd--0.31,0.56-Fed1.26---Table1.SiliconImpuritiesandtheirProperties多能级杂质杂质多次电离，每次电离相应一个能级，称为多能级杂质。1AE3AE2AEiEcEE同种杂质在同一半导体中，既可呈施主性，又可呈受主性。双性杂质例、0.040.040.200.150.540.35金在锗半导体中的能级金在硅半导体中的能级iE1AE3AE2AEcEEDEiEcEEDEAE例、金在硅、锗半导体中的多能级、深能级0AuAuDE中性态在锗晶体中，金以替位方式存在，有5种荷电状态和对应能级，AuGeAuAuAu3AE1AE2AE金在锗晶格格点价电子6s1Au金原子2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的杂质2.2.1杂质原子的空间位置Ⅲ族或V族原子杂质原子替位式间隙式Ⅲ族或V族原子T2.2.2砷化镓中杂质及其能级状态锂铜银金铍镁锌镉铬碳硅锗锡铅锰铁钴镍钒碲硒硫A、I族元素I族元素一般在砷化镓中起受主作用。银--替位，受主能级（EV+0.11）eV、（EV+0.238）eV；金--替位，受主能级（EV+0.09）eV；铜--替位，受主能级（EV+0.14）eV、（EV+0.44）eV；--替位铜原子对Cu-Cu，受主能级（EV+0.24）eV；--间隙，施主能级（EC-0.07）eV；锂--间隙，受主能级（EV+0.023）eV；钠--施主，迁移率高、不稳定，不能作为掺杂剂；B、Ⅱ族元素铍、镁、锌、镉比镓原子少1个价电子，替位取代镓原子，获得一个电子形成共价键，产生4个浅受主能级：（EV+0.030）eV（EV+0.030）eV（EV+0.024）eV（EV+0.021）eVC、III族元素、V族元素等电子杂质、等电子陷阱杂质原子替代同族原子，称为等电子杂质。若杂质原子负电性大于被替代原子，能俘获电子形成负电中心；若杂质原子负电性小于被替代原子，能俘获空穴形成正电中心；等电子杂质形成的带电中心称为等电子陷阱。例：磷化镓GaP掺NPGaGaGaGaN取代Ｐ后,能捕获电子成负电中心，被捕获电子的电离能0.008eV0.008N原子价电子组态2s2２p3,负电性3.0P原子价电子组态3s23p3,负电性2.1cEE等电子陷阱俘获一种载流子成为带电中心后，又俘获另一种电荷符号相反的载流子，形成束缚激子。例、磷化镓的等电子络合物束缚激子等电子络合物O替代ＰZn替代Ga负电性：P=2.1，O=3.5，Zn=1.6，Ga=1.62价Zn、6价O原子处于相邻格点时，结合更紧密，Zn-O络合物俘获电子带负电，称为等电子络合物。PGaGaGaGaD、IV族元素碳、硅、锗、锡、铅①IV族原子替位III族起施主作用,IV族原子替位V族原子起受主作用，产生双性多能级。GaSiAs例、GaGaEC-0.002eV--浅施主，SiGaEV+0.03eV--浅受主，SiAsEcEGa砷化镓掺硅浓度1018cm-3时，部分硅原子替代镓起浅施主作用，部分硅原子替代砷起浅受主作用。导带电子浓度趋于饱和，不随硅杂质浓度增加而增加，形成自补偿。101810191020砷化镓中硅原子浓度导带电子浓度101710181019②自补偿工业上，采用硅、锗、锡作为砷化镓掺杂剂获得N型砷化镓。EV+0.10eV--(SiGa–SiAs)或(SiGa-VGa)络合物EC-0.002eV--浅施主，SiGaEV+0.22eV--砷-空位络合物EV+0.03eV--浅受主，SiAsEcE③SiGa–SiAs络合物、SiGa-VGa络合物、As-空位络合物AsGaSiGaVGaGaSiGa–SiAs络合物GaSiGaSiAsGaGaSiGa-VGa络合物AsGaVGaGaGa砷-空位络合物VI族原子替代V族原子，比V族原子多的一个价电子容易失去，产生施主能级。掺碲或硒获得N型砷化镓。p型砷化镓掺氧获得电阻率107Ωcm的半绝缘砷化镓。E、VI族元素氧、硫、硒、碲钒产生深施主能级（EC-0.22）eV，铬、锰、铁、钴、镍分别产生受主能级（EV+0.79）eV、（EV+0.095）eV、（EV+0.52）eV、（EV+0.16）eV、（EV+0.21）eV。N型砷化镓掺铬制得电阻率107Ωcm的半绝缘砷化镓。F、过渡族元素钒、铬、锰、铁、钴、镍过渡族元素--d、f壳层部分填充电子的元素2.3宽禁带半导体GaN、AlN、SiC中的杂质及杂质能级杂质或缺陷镓位氮位性质Si0.012-0.02DVN(氮空位）0.03;0.1DC0.11-0.14DMg0.26;0.6DVGa(镓空位）0.14AMg0.14-0.21ASi0.19AZn0.21-0.34AHg0.41ACd0.55ABe0.7AC0.89Li0.75A表2-4纤锌矿型GaN杂质能级(eV)图2-14纤锌矿型AlN杂质能级(eV)cEE导带价带0123456EeV1d2d3d5AldN4AldCNV6NdAl2NaC1AlaV3Al