1、School of Microelectronics半導體物理半導體物理 河海大學河海大學計算機與信息工程學院計算機與信息工程學院第二章 半導體中雜質和缺陷能級l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。 第二章 半導體中雜質和缺陷能級l 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、2、雜質電離提供載流子。 3、三種缺陷：點缺陷，如空位，間隙原子；線缺陷，如錯位；面缺陷，如層錯，晶粒間界2.1 硅、鍺晶體中的雜質能級 2.1.1 替位式雜質 間隙式雜質l 一個晶胞中包含有八個硅原子，若近似地把原子一個晶胞中包含有八個硅原子，若近似地把原子看成是半徑為看成是半徑為r的圓球，則可以計算出這八個原于的圓球，則可以計算出這八個原于占據晶胞空間的百分數如下：占據晶胞空間的百分數如下：l 說明，在金剛石型晶體中一個晶胞內的說明，在金剛石型晶體中一個晶胞內的8個原子個原子只占有晶胞體積的只占有晶胞體積的34% %，還有，還有66%66%是空隙是空隙331323 =48384 0.34r

3、arara2.1.1 替位式雜質 間隙式雜質l 金剛石型晶體結構中的兩種空隙如圖金剛石型晶體結構中的兩種空隙如圖2-1所示。所示。這些空隙通常稱為間隙位置這些空隙通常稱為間隙位置2.1.1 替位式雜質 間隙式雜質 雜質原子進入半導體硅雜質原子進入半導體硅后，以兩種方式存在后，以兩種方式存在l 一種方式是雜質原子位一種方式是雜質原子位于品格原子間的間隙位于品格原子間的間隙位置，常稱為置，常稱為間隙式雜質雜質（A）l 另一種方式是雜質原子另一種方式是雜質原子取代晶格原子而位于晶取代晶格原子而位于晶格點處，常稱為格點處，常稱為替位式雜質（雜質（B）2.1.1 替位式雜質 間隙式雜質 兩種雜質特點：兩

4、種雜質特點：l 間隙式雜質原子一般比較小，如：鋰離子，間隙式雜質原子一般比較小，如：鋰離子，0.068nml 替值式雜質時：替值式雜質時：1）雜質原子的大小與被取代的晶格原子的大小比）雜質原子的大小與被取代的晶格原子的大小比較相近較相近2）價電子殼層結構比較相近）價電子殼層結構比較相近如：如：族元素族元素2.1.2 施主雜質 施主能級l族雜質在硅、鍺中電離時，能夠施放電族雜質在硅、鍺中電離時，能夠施放電子而產生導電電子并形成正電中心，稱它子而產生導電電子并形成正電中心，稱它們為們為施主雜質或或n型雜質2.1.2 施主雜質 施主能級 以硅中摻磷以硅中摻磷P為例：為例：l 磷原子占據硅原子的位置。

5、磷原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子與周圍的四個硅原于形成共價鍵，還剩余一個價電子。鍵，還剩余一個價電子。l 這個多余的價電子就束縛在正電這個多余的價電子就束縛在正電中心中心P的周圍。價電子只要很的周圍。價電子只要很少能量就可掙脫束縛，成為少能量就可掙脫束縛，成為導電電子在晶格中自由運動在晶格中自由運動l 這時磷原子就成為少了一個價電這時磷原子就成為少了一個價電子的磷離子子的磷離子P，它是一個不能，它是一個不能移動的移動的正電中心。2.1.2 施主雜質 施主能級l 上述電子脫離雜質原子的束縛成為導電電子的上述電子

6、脫離雜質原子的束縛成為導電電子的過程稱為過程稱為雜質電離l 使個多余的價電子掙脫束縛成為導電電子所需使個多余的價電子掙脫束縛成為導電電子所需要的能量稱為要的能量稱為雜質電離能l 施主雜質電離后成為不可移動的帶正電的施主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，使半導體成為離子，同時向導帶提供電子，使半導體成為電子導電的導電的n型半導體。2.1.2 施主雜質 施主能級l 施主雜質的電離過程，可以施主雜質的電離過程，可以用能帶圖表示用能帶圖表示l 如圖如圖2-4所示所示.當電子得到能當電子得到能量后，就從施主的束縛態躍量后，就從施主的束縛態躍遷到導帶成為導電電子，所遷到導帶

7、成為導電電子，所以電子被施主雜質束縛時的以電子被施主雜質束縛時的能量比導帶底能量比導帶底 低低 。將被施主雜質束縛的電子的將被施主雜質束縛的電子的能量狀態稱為能量狀態稱為施主能級，記，記為為 ED ，所以施主能級位于，所以施主能級位于離導帶底很近的禁帶中離導帶底很近的禁帶中DEDEDECE2.1.3 受主雜質 受主能級l族雜質在硅、鍺中能夠接受電子而產生族雜質在硅、鍺中能夠接受電子而產生導電空穴，并形成負電中心，所以稱它們導電空穴，并形成負電中心，所以稱它們為為受主雜質或或p型雜質。2.1.3 受主雜質 受主能級 以硅中摻磷以硅中摻磷B為例：為例：l B原子占據硅原子的位置。磷原原子占據硅原子

8、的位置。磷原子有三個價電子。與周圍的四子有三個價電子。與周圍的四個硅原于形成共價鍵時還缺一個硅原于形成共價鍵時還缺一個電子，就從別處奪取價電子，個電子，就從別處奪取價電子，這就在這就在Si形成了一個空穴。形成了一個空穴。l 這時這時B原子就成為多了一個價電原子就成為多了一個價電子的磷離子子的磷離子B，它是一個不能，它是一個不能移動的負移動的負電中心。l 空穴束縛在正電中心空穴束縛在正電中心B的周圍。的周圍。空穴只要很少能量就可掙脫束空穴只要很少能量就可掙脫束縛，成為縛，成為導電空穴在晶格中自在晶格中自由運動由運動2.1.3 受主雜質 受主能級l 使空穴掙脫束縛成為導電空穴所需要的能量稱為使空穴

9、掙脫束縛成為導電空穴所需要的能量稱為受主雜質電離能l 受主雜質電離后成為不可移動的帶負電的受主離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，使半導體成為子，同時向價帶提供空穴，使半導體成為空穴導導電的電的p型半導體。2.1.3 受主雜質 受主能級l 受主雜質的電離過程，可受主雜質的電離過程，可以用能帶圖表示以用能帶圖表示l 如圖如圖2-6所示所示.當空穴得到當空穴得到 能量能量 后，就從受主的束后，就從受主的束縛態躍遷到價帶成為導電縛態躍遷到價帶成為導電空穴，所以電子被受主雜空穴，所以電子被受主雜質束縛時的能量比價帶頂質束縛時的能量比價帶頂 高高 。將被受主雜質。將被受主

10、雜質束縛的空穴的能量狀態稱束縛的空穴的能量狀態稱為為受主能級，記為，記為 ，所，所以受主能級位于離價帶頂以受主能級位于離價帶頂很近的禁帶中很近的禁帶中AEAEAEVE2.1.4 淺能級雜質電離能的簡單計算l淺能級雜質：電離能小的雜質稱為淺能級雜質。：電離能小的雜質稱為淺能級雜質。l所謂所謂淺能級，是指施主能級靠近導帶底，受主，是指施主能級靠近導帶底，受主能級靠近價帶頂。能級靠近價帶頂。l室溫下，摻雜濃度不很高底情況下，淺能級雜室溫下，摻雜濃度不很高底情況下，淺能級雜質幾乎可以可以全部電離。五價元素磷（質幾乎可以可以全部電離。五價元素磷（P）、）、銻（銻（Sb）在硅、鍺中是淺受主雜質，三價元）在

11、硅、鍺中是淺受主雜質，三價元素硼（素硼（B）、鋁（）、鋁（Al）、鎵（）、鎵（Ga）、銦（）、銦（In）在硅、鍺中為淺受主雜質。在硅、鍺中為淺受主雜質。2.1.4 淺能級雜質電離能的簡單計算l類氫模型類氫模型4022208nm qEh n0113.6EEEV0 nrmm *020nDrmEEm*020pArmEEm11 123nnltmmmm電導有效質量0.025()DEeV Si 可得同一個數量級2.1.5 雜質的補償作用l 雜質補償：半導體中存在施主雜質和受主雜質時，半導體中存在施主雜質和受主雜質時，它們底共同作用會使載流子減少，這種作用稱為它們底共同作用會使載流子減少，這種作用稱為雜質補

12、償。在制造半導體器件底過程中，通過采雜質補償。在制造半導體器件底過程中，通過采用雜質補償底方法來改變半導體某個區域底導電用雜質補償底方法來改變半導體某個區域底導電類型或電阻率。類型或電阻率。 l 高度補償：若施主雜質濃度與受主雜質濃度相差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等補償。這種材料容易被誤認情況稱為雜質的高等補償。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，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。一般不能用來制造半導體器件。 2.1.4 雜質

13、的補償作用l 1） ： 受主能級低于施主能級，剩余雜質受主能級低于施主能級，剩余雜質 2） ：施主能級低于受主能級，剩余雜質：施主能級低于受主能級，剩余雜質l 3） 高度補償：有效施主濃度高度補償：有效施主濃度 有效受主濃度有效受主濃度DANNDANNDANNDANNDANNADNNADNN2.1.6 深能級雜質l 深能級雜質：非：非族雜質在族雜質在SiSi、GeGe的禁帶中的禁帶中產生的產生的施主能級遠離導帶底，受主能級遠離價施主能級遠離導帶底，受主能級遠離價帶頂。雜質電離能大，能夠產生多次電離帶頂。雜質電離能大，能夠產生多次電離金在硅中的能級金在硅中的能級2.1.6 深能級雜質l三個基本特

14、點：三個基本特點：一、是不容易電離，對載流子濃度影響不大；一、是不容易電離，對載流子濃度影響不大；二、是一般會產生多重能級，甚至既產生施主能二、是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。級也產生受主能級。三、是能起到復合中心作用，使少數載流子壽命三、是能起到復合中心作用，使少數載流子壽命降低（在第五章詳細討論）。降低（在第五章詳細討論）。四、是深能級雜質電離后以為帶電中心，對載流四、是深能級雜質電離后以為帶電中心，對載流子起散射作用，使載流子遷移率減少，導電性子起散射作用，使載流子遷移率減少，導電性能下降。能下降。2.2 化合物半導體中的雜質能級2.2.1 雜質在砷化鎵中的存在形

15、式 l 主要有有下述種情況：1）取代砷）取代砷2）取代鎵）取代鎵3）填隙）填隙 l性質l （1）1族元素，一般在砷化鎵中起受主作用l （2）2族元素，能獲得電子表現為受主l （3）3族元素慘入一般不影響，但有可能形成等電子陷阱l （4）4族元素加入，取代3族起施主作用；取代5族起受主作用l （5）6族元素，必5族多一個電子，容易形成施主，引入施主能級l （6）過渡元素，情況比較復雜2.2.1 雜質在砷化鎵中的存在形式l 四族元素硅在砷化鎵中會產生雙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，當硅的濃度較起施主雜質作用，當硅的濃度較高時，一

16、部分硅原子將起到受主高時，一部分硅原子將起到受主雜質作用。雜質作用。l 這種雙性行為可作如下解釋：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族砷原子而起著受主雜質的作用，因而對于取代用，因而對于取代族原子鎵的族原子鎵的硅施主雜質起到補償作用，從而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，電降低了有效施主雜質的濃度，電子濃度趨于飽和。子濃度趨于飽和。 2.3 半導體中的缺陷能級 (defect level

17、s)2.3.1點缺陷（熱缺陷）point defects/thermaldefects l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只有間隙原子而無原子空位2.3.1點缺陷l 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）。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原因：三種點缺陷中形成肖特基缺陷需要的能量最小。（可參閱劉文明最小。（可參閱劉文明

18、半導體物理學半導體物理學p70p73，或葉良修，或葉良修半導體物理學半導體物理學p24和和p94）淬火后可以淬火后可以“凍結凍結”高溫下形成的缺陷。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要進行退火處理。離子注入形成的缺陷也用退火來消除。來消除。 2.3.1點缺陷l 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）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。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）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。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）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）對載流子有散射作用，使載流子遷移率和壽命降低。降低。2.3.1點缺陷2.3.1點缺陷