第2章半導體中雜質和缺陷能級 理想半導體 1 原子嚴格地周期性排列 晶體具有完整的晶格結構 2 晶體中無雜質 無缺陷 3 電子在周期場中作共有化運動 形成允帶和禁帶 電子能量只能處在允帶中的能級上 禁帶中無能級 由本征激發提供載流子 本征半導體 晶體具有完整的 完美的 晶格結構 無任何雜質和缺陷 第2章半導體中雜質和缺陷能級 實際材料中1 總是有雜質 缺陷 使周期場破壞 在雜質或缺陷周圍引起局部性的量子態 對應的能級常常處在禁帶中 對半導體的性質起著決定性的影響 2 雜質電離提供載流子 2 1半導體中的雜質能級 2 1 1硅鍺晶體中的雜質能級 1 晶體中雜質的存在方式雜質的來源由于純度有限 半導體原材料所含有的雜質半導體單晶制備和器件制作過程中的污染為改變半導體的性質 在器件制作過程中有目的摻入的某些特定的化學元素原子 雜質原子進入半導體晶體后 以兩種方式存在一種方式是雜質原子位于品格原子間的間隙位置 常稱為間隙式雜質 A 另一種方式是雜質原子取代晶格原子而位于晶格點處 常稱為替位式雜質 B 間隙式雜質和替位式雜質 2 1半導體中的雜質能級 2 1 1硅鍺晶體中的雜質能級 兩種雜質特點 間隙式雜質原子小于晶體原子 如 鋰離子 0 068nm替位式雜質 1 雜質原子的大小與被取代的晶格原子的大小比較相近2 價電子殼層結構比較相近如 III V族元素在硅 鍺中均為替位式雜質 2 1半導體中的雜質能級 2 1 1硅鍺晶體中的雜質能級 2 施主雜質V族元素在硅 鍺中電離時能夠釋放電子而產生導電電子并形成正電中心 稱此類雜質為施主雜質或n型雜質 2 1半導體中的雜質能級 2 1 1硅鍺晶體中的雜質能級 以硅中摻磷P為例 磷原子占據硅原子的位置 磷原子有五個價電子 其中四個價電子與周圍的四個硅原于形成共價鍵 還剩余一個價電子 這個多余的價電子就束縛在正電中心P 的周圍 價電子只要很少能量就可掙脫束縛 成為導電電子在晶格中自由運動這時磷原子就成為少了一個價電子的磷離子P 它是一個不能移動的正電中心 2 1半導體中的雜質能級 2 1 1硅鍺晶體中的雜質能級 施主雜質向導帶釋放電子的過程為施主電離施主雜質未電離之前是電中性的稱為中性態或束縛態電離后成為正電中心稱為離化態或電離態使多余的價電子掙脫束縛成為導電電子所需要的最小能量稱為施主電離能 施主電離能為 ED被施主雜質束縛的電子的能量狀態稱為施主能級 記為ED 施主雜質電離后成為不可移動的帶正電的施主離子 同時向導帶提供電子 使半導體成為電子導電的n型半導體 2 1半導體中的雜質能級 2 1 1硅鍺晶體中的雜質能級 3 受主雜質III族元素在硅 鍺中電離時能夠接受電子而產生導電空穴并形成負電中心 稱此類雜質為受主雜質或p型雜質 2 1半導體中的雜質能級 2 1 1硅鍺晶體中的雜質能級 2 1 3受主雜質受主能級 以硅中摻硼B為例 B原子占據硅原子的位置 磷原子有三個價電子 與周圍的四個硅原于形成共價鍵時還缺一個電子 就從別處奪取價電子 這就在Si形成了一個空穴 這時B原子就成為多了一個價電子的磷離子B 它是一個不能移動的負電中心 空穴束縛在正電中心B 的周圍 空穴只要很少能量就可掙脫束縛 成為導電空穴在晶格中自由運動 受主雜質釋放空穴的過程稱為受主電離使空穴掙脫束縛成為導電空穴所需要的最小能量稱為受主電離能 記為 EA空穴被受主雜質束縛時的能量狀態稱為受主能級 記為EA受主雜質電離后成為不可移動的帶負電的受主離子 同時向價帶提供空穴 使半導體成為空穴導電的p型半導體 2 1半導體中的雜質能級 2 1 1硅鍺晶體中的雜質能級 淺能級雜質 電離能小的雜質稱為淺能級雜質 所謂淺能級 是指施主能級靠近導帶底 受主能級靠近價帶頂 室溫下 摻雜濃度不很高的情況下 淺能級雜質幾乎可以可以全部電離 五價元素磷 P 銻 Sb 在硅 鍺中是淺受主雜質 三價元素硼 B 鋁 Al 鎵 Ga 銦 In 在硅 鍺中為淺受主雜質 2 1半導體中的雜質能級 2 1 1硅鍺晶體中的雜質能級 例題 施主雜質電離后向半導體提供 受主雜質電離后向半導體提供 本征激發向半導體提供 A 空穴B 電子 B A A B 利用類氫原子模型 以鍺 硅為例 計算施主雜質電離能解 氫原子基態電離能施主雜質電離能表示為電子有效質量 2 1半導體中的雜質能級 2 1 2淺能級雜質電離能的簡單計算 雜質補償 半導體中存在施主雜質和受主雜質時 它們的共同作用會使載流子減少 這種作用稱為雜質補償 在制造半導體器件的過程中 通過采用雜質補償的方法來改變半導體某個區域的導電類型或電阻率 2 1半導體中的雜質能級 2 1 3雜質的補償作用 1 受主能級低于施主能級 剩余雜質 2 1半導體中的雜質能級 2 1 3雜質的補償作用 2 施主能級低于受主能級 剩余雜質 2 1半導體中的雜質能級 2 1 3雜質的補償作用 有效雜質濃度補償后半導體中的凈雜質濃度 當ND NA高度補償 若施主雜質濃度與受主雜質濃度相差不大或二者相等 則不能提供電子或空穴 這種情況稱為雜質的高度補償 這種材料容易被誤認為高純度半導體 實際上含雜質很多 性能很差 一般不能用來制造半導體器件 2 1半導體中的雜質能級 2 1 3雜質的補償作用 深能級雜質 非 族雜質在Si Ge的禁帶中產生的施主能級遠離導帶底 受主能級遠離價帶頂 雜質電離能大能夠產生多次電離 每次電離都對應著一個特定的能級 在禁帶中引入多個能級 具有兩重性 既能電離提供電子又能電離提供空穴 所以既能引入施主能級又能引入受主能級 2 1半導體中的雜質能級 2 1 4深能級雜質 深能級的形成 族雜質 多于兩個價電子被兩個正電荷的雜質中心束縛 類似于一個氦原子 其每個電子平均受到大于一電子電荷的正電中心的作用 從而深能級雜質的電離能比淺能級雜質要大 在電離出一個電子后 帶有兩個正電荷的雜質中心使第二個電子電離需要更大能量 對應更深的能級 所以 族雜質在硅鍺中一般產生兩重施主能級 如鍺中的硒 碲 族雜質 一方面可以失去唯一價電子產生一個施主能級 另一方面也能依次接受三個電子與周圍四個近鄰原子形成共價鍵 相應產生三個由淺到深的受主深能級 原則上 族雜質能產生三重受主能級 但是較深的受主能級有可能處于允帶之中 某些 族雜質受主能級少于三個 族雜質 與 族雜質情況類似 可以產生兩重受主能級 2 1半導體中的雜質能級 2 1 4深能級雜質 深能級雜質對半導體的影響1 含量極少 而且能級較深 不易在室溫下電離 對載流子濃度影響不大 2 一般會產生多重能級 甚至既產生施主能級也產生受主能級 3 能級位置利于促進載流子的復合 其復合作用比淺能級雜質強 使少數載流子壽命降低 稱這些雜質為復合中心雜質 在第五章詳細討論 4 深能級雜質電離后對載流子起散射作用 使載流子遷移率減少 導電性能下降 2 1半導體中的雜質能級 2 1 4深能級雜質 雜質在砷化鎵中的存在形式三種情況 1 取代砷2 取代鎵3 填隙 2 1半導體中的雜質能級 2 1 5化合物半導體中的雜質能級 族雜質 與 族原子價電子數相近 通常取代晶格中 族原子 因為少一個價電子 取代晶格原子后 具有獲得一個電子完成共價鍵的趨勢 是受主雜質 而且電離能較小 在 族化合物中引入淺受主能級 所以 族雜質是 族化合物半導體的p型摻雜劑 如GaAs中的Mg Zn 族雜質 與 族晶格原子的價電子數相近 在 族化合物中取代 族晶格原子 與周圍晶格原子形成共價鍵后多余一個價電子 易失去這個價電子成為施主雜質 一般引入淺能級 如GaAs中的S Se 可作為n型摻雜劑 族雜質 既可以取代 族晶格原子起施主作用 又可以取代 族晶格原子起受主作用 從而在 族化合物中引入雙重能級 2 1半導體中的雜質能級 2 1 5化合物半導體中的雜質能級 四族元素硅在砷化鎵中會產生雙性行為 即硅的濃度較低時主要起施主雜質作用 當硅的濃度較高時 一部分硅原子將起到受主雜質作用 這種雙性行為可作如下解釋 因為在硅雜質濃度較高時 硅原子不僅取代鎵原子起著施主雜質的作用 而且硅也取代了一部分V族砷原子而起著受主雜質的作用 因而對于取代 族原子鎵的硅施主雜質起到補償作用 從而降低了有效施主雜質的濃度 電子濃度趨于飽和 2 1半導體中的雜質能級 2 1 5化合物半導體中的雜質能級 等電子雜質當 族或 族雜質摻入不是由它們本身構成的 族化合物中 取代同族晶格原子時 既可以引入雜質能級 也可能不引入能級 這取決于雜質種類和 族化合物的種類 與晶格基質原子具有相同價電子的雜質稱為等電子雜質 等電子雜質取代晶格上的同族原子后 因為與晶格原子的共價半徑與負電性的顯著差別 能夠在晶體中俘獲某種載流子成為帶電中心 這種帶電中心叫等電子陷阱 例如 GaAs中 或 族雜質取代Ga 或As 時 不引入禁帶能級 在GaP中 族雜質N Bi取代P就能在禁帶中引入能級 N和Bi就是等電子陷阱 等電子陷阱俘獲的載流子的能量狀態就是在禁帶中引入的相應能級 2 1半導體中的雜質能級 2 1 5化合物半導體中的雜質能級 2 2半導體中的缺陷能級 2 2 1點缺陷 熱缺陷 點缺陷的種類 弗侖克耳缺陷 原子空位和間隙原子同時存在肖特基缺陷 晶體中只有晶格原子空位間隙原子缺陷 只有間隙原子而無原子空位 點缺陷 熱缺陷 特點 熱缺陷的數目隨溫度升高而增加 熱缺陷中以肖特基缺陷為主 即原子空位為主 原因 三種點缺陷中形成肖特基缺陷需要的能量最小 淬火后可以 凍結 高溫下形成的缺陷 退火后可以消除大部分缺陷 半導體器件生產工藝中 經高溫加工 如擴散 后的晶片一般都需要進行退火處理 離子注入形成的缺陷也用退火來消除 2 2半導體中的缺陷能級 2 2 1點缺陷 熱缺陷 點缺陷對半導體性質的影響 1 缺陷處晶格畸變 周期性勢場被破壞 致使在禁帶中產生能級 2 熱缺陷能級大多為深能級 在半導體中起復合中心作用 使非平衡載流子濃度和壽命降低 3 空位缺陷有利于雜質擴散4 對載流子有散射作用 使載流子遷移率和壽命降低 2 2半導體中的缺陷能級 2 2 1點缺陷 熱缺陷 位錯形成原因 晶格畸變棱位錯對半導體性能的影響 1 位錯線上的懸掛鍵可以接受電子變為負電中心 表現為受主 懸掛鍵上的一個電子也可以被釋放出來而變為正電中心 此時表現為施主 即不飽和的懸掛鍵具有雙性行為 可以起受主作用 也可以起施主作用 2 位錯線處晶格變形 導致能帶變形3 位錯線