1、關于半導體中雜質和缺陷能級第1頁，共47頁，2022年，5月20日，1點57分，星期四 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 晶體具有完整的（完美的）晶格結構，無任何雜質和缺陷本征半導體。（純凈半導體中，的位置和載流子的濃度只是由材料本身的本征性質決定的） 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。第2頁，共47頁

2、，2022年，5月20日，1點57分，星期四2.1 硅、鍺晶體中的雜質能級一.替位式雜質和間隙式雜質 按照球形原子堆積模型，金剛石晶體的一個原胞中的8個原子只占該晶胞體積的34，還有66是空隙！A間隙式雜質原子：原子半徑比較小B替位式雜質原子：原子的大小與被取代的晶體原子大小比較相近雜質濃度：單位體積中的雜質原子數第3頁，共47頁，2022年，5月20日，1點57分，星期四二.施主雜質與施主能級第4頁，共47頁，2022年，5月20日，1點57分，星期四 元素P在Si中成為替位式雜質且電離時，能夠釋放電子而產生導電電子并形成正電中心，稱它們為施主雜質或n型雜質 第5頁，共47頁，2022年，5

3、月20日，1點57分，星期四2施主能級 由于共價鍵是一種很強的化學鍵，結合非常牢固，共價鍵上的電子是幾乎不可能在晶體中運動的。但P 原子的那個“多余”的價電子被離子實P+ 束縛得相當微弱，這個電子在不大的外場力作用下就可以脫離P+ 的束縛而在Si晶體中自由運動。 從能帶的角度來看，處于共價鍵上的電子就是處在價帶中的電子，而那個“多余”的電子并不處在價帶中，它只要得到一個很小的能量（只要室溫就足夠了）就會被激發到導帶，成為導帶中的傳導電子。這就相當于在Si禁帶中，在距導帶底下方很近的地方有一個能級，在未激發的情況下（例如0K時），那個“多余”電子就處在這個能級上，雜質此時是電中性的。但是稍稍給它

4、一點能量，那個“多余”的電子就將躍遷到導帶。雜質P原子也因這個價電子的離開而帶正電，此時就稱施主雜質電離了。因摻入施主雜質而在禁帶中引入的這個能級稱為施主能級。第6頁，共47頁，2022年，5月20日，1點57分，星期四 如前所說，在絕大多數情況下，半導體的摻雜濃度并不高，因此，雜質原子之間距離遠大于母體材料的晶格常數（等價原子之間的最小距離），相鄰雜質所束縛的電子（即“多余”的電子）的波函數基本不會交疊，不會形成雜質能帶，它們的能量相同，所以雜質能級是位于同一水平線上的分立能級。很顯然，在摻施主雜質的半導體中，電子的濃度大于空穴的濃度，半導體中的傳導電流主要依靠電子的貢獻。因此我們稱這種半導

5、體材料為n型半導體。在n 型半導體中，電子是多數載流子（簡稱為多子），空穴是少數載流子（簡稱為少子）。若以ED 和EC分別表示施主能級和導帶底能量值，則有： 這里的E 稱為施主電離能。它通常較小，對于常見的硅、鍺半導體材料的淺施主雜質，其施主電離能一般在0.05eV以下第7頁，共47頁，2022年，5月20日，1點57分，星期四第8頁，共47頁，2022年，5月20日，1點57分，星期四三. 受主雜質和受主能級第9頁，共47頁，2022年，5月20日，1點57分，星期四 當III族元素B在Si中成為替位式雜質且電離時，能夠接受電子而產生導電空穴并形成負電中心，稱它們為受主雜質或p型雜質。第10

6、頁，共47頁，2022年，5月20日，1點57分，星期四2受主能級 由于B原子欲成4 個共價鍵尚缺少一個價電子，這樣，B原子附近的Si原子共價鍵上的電子并不需要增加多少能量就可很容易地填補到B原子這個“空缺”的價鍵上來，并在原來的價鍵上留下一個新的“空缺”，這就相當于“空缺”在晶體中產生了移動。顯然，這個“空缺”還會以同樣的機制繼續在半導體中運動。從能帶上講就是，由于受主雜質B原子的摻入，在Si的禁帶中價帶的上方附近將引入一個能級，它就是受主能級EA，它與價帶頂EV 之差就是受主電離能。 第11頁，共47頁，2022年，5月20日，1點57分，星期四 與施主電離能一樣，受主電離能EA也較小，當

7、受主雜質B的空缺共價鍵被附近的Si原子共價鍵上的電子填充而建立起來時，B原子將帶負電，我們稱之為受主雜質電離。這相當于雜質B向Si的價帶發射了一個空穴。摻受主雜質的半導體主要靠空穴導電，所以稱之為p型半導體。在p型半導體中，空穴是多子，電子是少子。 第12頁，共47頁，2022年，5月20日，1點57分，星期四 從物理圖像上看，在晶體禁帶中出現雜質能級，實際上是由于雜質原子替代了母體材料的原子，引起晶體的局部勢場發生改變，從而使得一部分電子能級從允帶中分離出來。例如，Nd個施主的存在使得導帶中Nd個能級下移到禁帶的ED處；而Na個受主的存在使得價帶中Na個能級上移到禁帶的EA處。第13頁，共4

8、7頁，2022年，5月20日，1點57分，星期四施主能級和受主能級摻入施主雜質的半導體，施主能級ED上的電子獲得能量ED后由束縛態躍遷到導帶成為導電電子，因此施主能級ED位于比導帶底Ec低ED的禁帶中，且EDEg。空穴由于帶正電，能帶圖中能量自上向下是增大的。對于摻入族元素的半導體，被受主雜質束縛的空穴能量狀態(稱為受主能級EA )位于比價帶頂Ev低EA的禁帶中，EA NA：在T=0K時，電子按順序填充能量由低到高的各個能級，由于受主能級EA比施主能級ED低，電子將先填滿受主能級EA，然后再填充施主能級ED，因此施主能級上的電子濃度為ND-NA。通常當溫度達到大約100K以上時，施主能級上的N

9、D-NA個電子就全部被激發到導帶，這時導帶中的電子濃度n0=ND-NA，為n型半導體。第21頁，共47頁，2022年，5月20日，1點57分，星期四 當NAND時，將呈現p型半導體的特性，價帶空穴濃度p0=NA-ND如果半導體中：NDNA，則n0-ND-NAND； NAND，則p0-NA-NDNA。通過補償以后半導體中的凈雜質濃度稱為有效雜質濃度。如果NDNA，稱ND-NA為有效施主濃度；如果NAND，那么NA-ND稱為有效受主濃度。五. 雜質補償作用(a) T=0K, NDNA (b) 室溫, NDNA 雜質補償第22頁，共47頁，2022年，5月20日，1點57分，星期四第23頁，共47頁

10、，2022年，5月20日，1點57分，星期四六.深能級雜質 非、族雜質在Si、Ge禁帶中也產生能級，其特點為：非、族元素在Si、Ge禁帶中產生的施主能級ED距導帶底Ec較遠，產生的受主能級EA距價帶頂Ev較遠，這種雜質能級稱為深能級，對應的雜質稱為深能級雜質。深能級雜質可以多次電離，每一次電離相應有一個能級，有的雜質既引入施主能級又引入受主能級。第24頁，共47頁，2022年，5月20日，1點57分，星期四以Ge中摻Au為例： 圖中Ei表示禁帶中線位置， Ei以上注明的是雜質能級距導帶底Ec的距離， Ei以下標出的是雜質能級距價帶頂Ev的距離。圖 Au在Ge中的能級第25頁，共47頁，2022

11、年，5月20日，1點57分，星期四 解釋：中性Au0的一個價電子可以電離釋放到導帶，形成施主能級ED,其電離能為(Ec-ED)，從而成為帶一個正電荷的單重電施主離化態Au+。這個價電子因受共價鍵束縛，它的電離能僅略小于禁帶寬度Eg，所以施主能級ED很接近Ev。中性Au0為與周圍四個Ge原子形成共價鍵，還可以依次由價帶再接受三個電子，分別形成EA1，EA2，EA3三個受主能級。價帶激發一個電子給Au0，使之成為單重電受主離化態Au-，電離能為EA1-Ev ；從價帶再激發一個電子給Au-使之成為二重電受主離化態 ，所需能量為EA2-Ev；從價帶激發第三個電子給使之成為三重電受主離化態 ，所需能量為

12、 EA3-Ev 。由于電子間存在庫侖斥力，EA3EA2EA1。第26頁，共47頁，2022年，5月20日，1點57分，星期四第27頁，共47頁，2022年，5月20日，1點57分，星期四Si、Ge中其它一些深能級雜質引入的深能級也可以類似地做出解釋。 深能級雜質對半導體中載流子濃度和導電類型的影響不像淺能級雜質那樣顯著，其濃度通常也較低，主要起復合中心的作用。采用摻金工藝能夠提高高速半導體器件的工作速度。第28頁，共47頁，2022年，5月20日，1點57分，星期四基本概念： 施主雜質（n型雜質）：雜質電離后能夠施放電子而產生自由電子并形成正電中心的雜質施主雜質。 施主雜質電離能：雜質價電子掙

13、脫雜質原子的束縛成為自由電子所需要的能量雜質電離能，用表示。 正電中心：施主電離后的正離子正電中心 施主能級：施主電子被施主雜質束縛時的能量對應的能級稱為施主能級。對于電離能小的施主雜質的施主能級位于禁帶中導帶底以下較小的距離。 受主雜質：能夠向（晶體）半導體提供空穴并形成負電中心的雜質受主雜質 受主雜質電離能：空穴掙脫受主雜質束縛成為導電空穴所需的能量。 受主能級：空穴被受主雜質束縛時的能量狀態對應的能級。 第29頁，共47頁，2022年，5月20日，1點57分，星期四基本概念：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

14、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（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。 雜質補償：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類型或電阻率。 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，一般不能用來制造半導體器件。 深能級雜質：雜質電離能大，施主能級遠

15、離導帶底，受主能級遠離價帶頂。深能級雜質有三個基本特點：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，對載流子起散射作用，使載流子遷移率減少，導電性能下降。第30頁，共47頁，2022年，5月20日，1點57分，星期四2.2 III-V族化合物中的雜質能級第31頁，共47頁，2022年，5月20日，1點57分，星期四第32頁，共47頁，2022年，5月20日，1點57分，星期四第33頁，共47頁，2022年，5月20日，1點57分，星期四 等電子

16、陷阱：在某些化合物半導體中，例如磷化鎵中摻入V族元素氮或鉍，氮或鉍將取代磷并在禁帶中產生能級。這個能級稱為等離子陷阱。這種效應稱為等離子雜質效應。 等離子雜質:所謂等離子雜質是與基質晶體原子具有同數量價電子的雜質原子，它們替代了格點上的同族原子后，基本上仍是電中性的。但是由于原子序數不同，這些原子的共價半徑和電負性有差別，因而它們能俘獲某種載流子而成為帶電中心。這個帶電中心就稱為等離子陷阱。第34頁，共47頁，2022年，5月20日，1點57分，星期四是否周期表中同族元素均能形成等離子陷阱呢？ 只有當摻入原子與基質晶體原子在電負性、共價半徑方面有較大差別時，才能形成等離子陷阱。一般說，同族元素

17、原子序數越小，電負性越大，共價半徑越小。等電子雜質電負性大于基質晶體原子的電負性時，取代后，它便能俘獲電子成為負電中心。反之，它能俘獲空穴成為正電中心。例如，氮的共價半徑和電負性分別為0.070nm和3.0，磷的共價半徑和電負性分別為0.110nm和2.1，氮取代磷后能俘獲電子成為負電中心。這個俘獲中心稱為等離子陷阱。這個電子的電離能 0.008eV。鉍的共價半徑和負電性分別為0.146nm和1.9，鉍取代磷后能俘獲空穴，它的電離能是 0.038eV。第35頁，共47頁，2022年，5月20日，1點57分，星期四四族元素硅在砷化鎵中的雙性行為: 即硅的濃度較低時主要起施主雜質作用，當硅的濃度較

18、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：實驗測得硅在砷化鎵中引入一淺施主能級（Ec0.002）eV，硅應起施主作用，那么當硅雜質電離后，每一個硅原子向導帶提供一個導電電子，導帶中的電子濃度應隨硅雜質濃度的增加而線性增加。但是實驗表明，當硅雜質濃度上升到一定程度之后，導帶電子濃度趨向飽和，好像施主雜質的有效濃度降低了。這種現象的出現，是因為在硅雜質濃度較高時，硅原子不僅取代鎵原子起著受主雜質的作用，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。可見，在這個粒子中，硅雜質的

19、總效果是起施主作用，保持砷化鎵為n型半導體。實驗還表明，砷化鎵單晶體中硅雜質濃度為10-18cm-3時，取代鎵原子的硅施主濃度與取代砷原子的硅受主濃度之比約為5.3:1。硅取代砷所產生的受主能級在（Ev+0.03）eV處。 第36頁，共47頁，2022年，5月20日，1點57分，星期四2.4 缺陷、位錯能級一點缺陷 點缺陷是發生在一個原子尺度范圍內的缺陷。如，空位、填隙原子、雜質原子等等。其中空位和填隙原子的產生主要是因為熱起伏而引起的，因此它們又常稱為熱缺陷。第37頁，共47頁，2022年，5月20日，1點57分，星期四 Frenkel缺陷 弗蘭克爾缺陷 原處在正常格點位置的原子常受熱激發而

20、脫離格點，這樣就在原來的格點上就留下一個空位（vacancy），同時，脫離正常格點的原子進入到晶格中原子的空隙之中，形成所謂的填隙原子，一個空位加一個填隙原子的總體稱為Frenkel缺陷。第38頁，共47頁，2022年，5月20日，1點57分，星期四 Schottky缺陷 肖特基缺陷 如果晶體內部只有空位，這樣的缺陷稱為Schottky 缺陷。由圖顯而易見，此時脫離正常格點的原子跑到晶體表面上正常格點的位置，形成新的一層。第39頁，共47頁，2022年，5月20日，1點57分，星期四 替位雜質原子（離子） 當外來雜質進入晶體后，以替位的方式占據本體原子的格點位置，從而也使周期性遭到破壞，這種缺

21、陷稱為替位雜質原子。這種缺陷往往是人們為改變晶體的性能而有目的地故意引入的。替位雜質原子在實際中應用非常廣泛。例如：半導體材料的不同導電類型就是因為摻入不同的雜質原子而導致的。當然，雜質原子也可以填隙的方式進入到晶體中，成為填隙式雜質。第40頁，共47頁，2022年，5月20日，1點57分，星期四點缺陷的種類還有很多,例如色心（color center），它是在含堿金屬過剩（組分超過化學配比）的堿鹵化合物晶體中的一種點缺陷，它實際上是一個鹵素負離子空位加上一個被束縛在其庫侖場中的電子。又如極化子（polaron），它是進入完整的離子晶體中的電子，由于它的庫侖勢而使得晶格發生局部的極化畸變，從而也構成了一種點缺陷。第41頁，共47頁，2022年，5月20日，1點57分，星期四4.點缺陷（熱缺陷）特點：1.熱缺陷的數目隨溫度升高而增加.2.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。3.淬火后可以“凍結”高