(4-5)半导杂质和缺陷

SHARED COMMITMENT.SHARED RESOURCES.ONE SOLUTION.,-,*,-,*,信息学院电子系微电子专业必修课程,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,学时,:,32,(,周,4,学时,),主讲教师,:,关玉琴,(,理学院物理系,),半导体物理,Semiconductor Physics,第一章 半导体中公有化电子的能量状态,第二章 半导体中的杂质和缺陷状态,第三章 半导体中的平衡载流子,第四章 半导体中的电迁移现象,第五章 半导体中的非平衡载流子,第六章 半导体外表和界面,第七章 半导体的强电场效应,课程内容,半导体材料举例,:,Ge,Si,GaAs,InP,GaN,SiC,TeCdHg,。,什么是半导体？,半导体的根本特性:,(1)导电性处于金属和绝缘体之间(见以下图)。,(2)电阻率与温度的关系很大,而且电阻率一般具有负温度系数。,(3)电阻率与掺杂(杂质种类和浓度)有很大关系。,(4)存在有两种(正、负电荷)载流子。,(5)存在有比金属要高的温差电动势率和Hall系数。,(6)具有较高的光电导等光敏性。,(7)半导体与金属接触,或者半导体p-n结,具有非线性电流-电压关系,并且可以有整流特性。,(8)具有明显的外表电场效应。,各种物质的电阻率范围,10,-6,10,-4,10,-2,10,0,10,2,10,4,10,6,10,8,10,10,10,12,10,14,10,16,10,18,(.cm),Si,Ge,GaAs,Ni-Cr,Ag,石英玻璃,玻璃,硬橡胶,金属,半导体,绝缘体,半导体的共价键结构,硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构,价电子是我们要研究的对象,硅晶体的空间排列,本征半导体,本征半导体,完全纯洁、结构完整的半导体晶体。,纯度：99.9999999%，“九个9,它在物理结构上呈单晶体形态。,常用的本征半导体,Si,+14,2,8,4,Ge,+32,2,8,18,4,+4,价带,导带,禁带,E,G,外电场,E,本征半导体的两种载流子,1.,本征半导体中有两种载流子,自由电子和空穴,2.,在外电场的作用下，产生电流,电子流和空穴流,电子流,自由电子作定向运动形成的与外电场方向相反，自由电子始终在导带内运动；,空穴流,价电子递补空穴形成的与外电场方向相同始终在价带内运动；,空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。,用空穴移动产生的电流代表束缚电子移动产生的电流。,电子浓度,n,i,=,空穴浓度,p,i,杂质半导体,杂质半导体,掺入杂质的本征半导体。,掺杂后半导体的导电率大为提高,掺入三价元素如,B,、,Al,、,In,等，形成,P,型半导体，也称空穴型半导体,掺入五价元素如,P,、,Sb,等，形成,N,型半导体，也称电子型半导体,N,型半导体,本征半导体中掺入五价元素如,P,。,自由电子是多子,空穴是少子,杂质原子提供,由热激发形成,由于五价元素很容易奉献电子，因此将其称为施主杂质。施主杂质因提供自由电子而带正电荷成为正离子,P,型半导体,本征半导体中掺入三价元素如,B,。,自由电子是少子,空穴是多子,杂质原子提供,由热激发形成,因留下的空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为,负离子。,三价杂质 因而也称为,受主杂质,。,理想半导体：,1,、原子严格地周期性排列，晶体具有完整的晶格结构。,2,、晶体中无杂质，无缺陷。,3,、电子在周期场中作共有化运动，形成允带和禁带,电子能量只能处在允带中的能级上，禁带中无能级。由本征激发提供载流子。,第二章 半导体中杂质和缺陷能级,实际材料中,1,、总是有杂质、缺陷，使周期场破坏，在杂质或缺陷周围引起局部性的量子态,对应的能级常常处在禁带中，对半导体的性质起着决定性的影响。,2,、杂质电离提供载流子。,2.1,硅、锗晶体中的杂质能级,一个晶胞中包含有八个硅原子，假设近似地把原子看成是半径为r的圆球，那么可以计算出这八个原于占据晶胞空间的百分数如下：,2.1.1,替位式杂质 间隙式杂质,说明，在金刚石型晶体中一个晶胞内的,8,个原子只占有晶胞体积的,34%,，还有,66%,是空隙。,金刚石型晶体结构中的两种空隙如图,2-1,所示。这些空隙通常称为间隙位置。,杂质原子进入半导体硅后，以两种方式存在：一种方式是杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，常称为间隙式杂质A。,Si,Si,Si,Si,A,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,另一种方式是杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处，常称为替位式杂质B,Si,Si,Si,Si,B,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,两种杂质特点：,间隙式杂质原子一般比较小，如：锂离子，0.068nm。,替位式杂质：,杂质原子的大小与被取代的晶格原子的大小比较相近；价电子壳层结构比较相近如：-族元素。,2.1.2,施主杂质 施主能级,杂质电离：,上述电子脱离杂质原子的束缚成为导电电子的过程。,杂质电离能：,使多余的价电子挣脱束缚成为导电电子所需要的能量称为。,施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子，同时向导带提供电子，使半导体成为,电子,导电的,n,型半导体,。,以硅中掺磷,P,为例：,磷原子占据硅原子的位置，磷原子有五个价电子，其中四个价电子与周围的四个硅原于形成共价键，还剩余一个价电子。,族杂质在硅、锗中电离时，能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心，称它们为,施主杂质,或,n,型杂质,。,Si,Si,Si,Si,P,+,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,中的施主杂质,这个多余的价电子就束缚在正电中心,P,的周围。价电子只要很少能量就可挣脱束，成为,导电电子,在晶格中自由运动,这时磷原子就成为少了一个价电子的磷离子,P,，它是一个不能移动的,正电中心,。,Si,Si,Si,Si,P,+,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,中的施主杂质,施主杂质的电离过程，可以用能带图表示：,如以下图所示。当电子得到能量后，就从施主的束缚,态跃迁到导带成为导电电子，所以电子被施主杂质,束缚时的能量比导带底 低 ，将被施主杂质束缚,的电 子的能,量状态称为施主,能级，记为 ，,所以施主能级位,于离导带底很近,的禁带中。,满带,空带,施主能级,能带结构：,2.1.3,受主杂质 受主能级,族杂质在硅、锗中能够接受电子而产生导电空穴，并形成负电中心，所以称它们为,受主杂质,或,p,型杂质,。,以硅中掺磷,B,为例：,B,原子占据硅原子的位置。磷原子有三个价电子。与周围的四个硅原于形成共价键时还缺一个电子，就从别处夺取价电，这就在,Si,形成了一个空穴。,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,B,B,+3,+3,Si,这时,B,原子就成为多了一个价电子的磷离子,B,，它是一个不能移动的,负电中心,。,空穴束缚在正电中心,B,的周围。空穴只要很少能量就可挣脱束缚，成为,导电空穴,在晶格中自由运动。,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,B,B,+3,+3,Si,使空穴挣脱束缚成为导电空穴所需要的能量称为,受主杂质电离能,;,受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子，同时向价带提供空穴，使半导体成为,空穴,导电的,p,型半导体,。,受主杂质的电离过程，可以用能带图表示：,当空穴得到能量后,满带,空带,受主能级,能带结构：,，就从受主的束,缚态跃迁到价带,成为导电空穴，,所以电子被受主杂质束缚时的能量比价带 高 。,将被受主杂质束缚的空穴的能量状态称为,受主能级,，,记为 ，所以受主能级位于离价带顶很近的禁带中。,2.1.4,浅能级杂质电离能的简单计算,浅能级杂质：电离能小的杂质称为浅能级杂质。,浅能级：是指施主能级靠近导带底，受主能级靠近价带顶。,室温下，掺杂浓度不很高底情况下，浅能级杂质几乎可以可以全部电离。五价元素磷P、锑Sb在硅、锗中是浅施主杂质，三价元素硼B、铝Al、镓Ga、铟In在硅、锗中为浅受主杂质。,类氢模型：,为电子有效质量,可得同一个数量级,杂质补偿,：,半导体中存在施主杂质和受主杂质时，它们的共同作用会使载流子减少，这种作用称为杂质补偿。在制造半导体器件的过程中，通过采用杂质补偿的方法来改变半导体某个区域的导电类型或电阻率。,高度补偿：假设施主杂质浓度与受主杂质浓度相差不大或二者相等，那么不能提供电子或空穴，这种情况称为杂质的高等补偿。这种材料容易被误认为高纯度半导体，实际上含杂质很多，性能很差，一般不能用来制造半导体器件。,1,）：受主能级低于施主能级，剩余杂,质 。,2,）：施主能级低于受主能级，剩余杂质,。,3,）高度补偿：有效施主浓度,有效受主浓度,2.1.5,杂质的补偿作用,2.1.6,深能级杂质,深能级杂质：非、族杂质在Si、Ge的禁带中产生的施主能级远离导带底，受主能级远离价带顶。杂质电离能大，能够产生屡次电离。,根本特点：,不容易电离，对载流子浓度影响不大；,一般会产生多重能级，甚至既产生施主能级也产生受主能级;,能起到复合中心作用，使少数载流子寿命降低;,深能级杂质电离后以为带电中心，对载流子起散射作用，使载流子迁移率减少，导电性能下降。,2.2,化合物半导体中的杂质能级,四种情况；,取代砷,;,取代镓,;,填隙,;,反位。,2.2.1,杂质在砷化镓中的存在形式,Ga,Ga,Ga,Ga,Ga,Ga,Ga,Ga,Ga,Ga,Ga,V,Ga,Ga,Ga,As,As,As,As,V,As,As,As,As,As,As,As,As,As,As,As,Ga,Ga,As,四族元素硅在砷化镓中会产生双性行为，即硅的浓度较低时主要起施主杂质作用，当硅的浓度较高时，一局部硅原子将起到受主杂质作用。,这种双性行为可作如下解释：,因为在硅杂质浓度较高时，硅原子不仅取代镓原子起着受主杂质的作用，而且硅也取代了一 局部V族砷原子而起着受主杂质的作用，因而对于取代族原子镓的硅施主杂质起到补偿作用，从而降低了有效施主杂质的浓度，电子浓度趋于饱和。,2.3,半导体中的缺陷能级,点缺陷的种类：,弗仑克耳缺陷：,原子空位和间隙原子同时存在；,肖特基缺陷：,晶体中只有晶格原子空位；,间隙原子缺陷：,只有间隙原子而无原子空位。,点缺陷热缺陷,点缺陷热缺陷特点：,热缺陷的数目随温度升高而增加；,热缺陷中以肖特基缺陷为主原子空位为主；因为三种点缺陷中形成肖特基缺陷需要的能量最小；,淬火后可以“冻结高温下形成的缺陷；,退火后可以消除大局部缺陷。半导体器件生产工艺中，经高温加工如扩散后的晶片一般都需要进行退火处理。离子注入形成的缺陷也用退火来消除。,点缺陷对半导体性质的影响：,缺陷处晶格畸变，周期性势场被破坏，致使在禁带中产生能级；,热缺陷能级大多为深能级，在半导体中起复合中心作用，使非平衡载流子浓度和寿命降低；,空位缺陷有利于杂质扩散；,对载流子有散射作用，使载流子迁移率和寿命降低。,2.3.2,位错,位错形成原因：晶格畸变,位错种类：刃位错横位错和螺位错,导带底价带顶改变分别为：,禁带宽度变化为：,棱位错对半导体性能的影响：,位错线上的悬挂键可以接受电子变为负电中心，表现为受主；悬挂键上的一个电子也可以被释放出来而变为正电中心，此时表现为施主，即不饱和的悬挂键具有双性行为，可以起受主作用，也可以起施主作用；,位错线处晶格变形，导致能带变形；,位错线影响杂质分布均匀性；,位错线假设接受电子变成负电中心，对载流子有散射作用。,影响少子寿命，原因：一是能带变形，禁带宽度减小，有利于非平衡载流子复合；二是在禁带中产生深能级，促进载流子复合。,2.3.3,偏离化学比缺陷,偏离化学比缺陷：离子晶体或化合物半导体，由于组成晶体的元素偏离正常化学比而形成的缺陷。,