半导体中的杂质和缺陷

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1、半导体物理(SemiconductorPhysics)主讲：彭新村信工楼519室，13687940615Email:xcpeng@ecit.cn东华理工机电学院电子科学与技术第二章半导体中的缺陷和杂质2.1硅、锗晶体中的杂质能级2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物中特殊的杂质能级2.3半导体中的缺陷和位错理想的半导体晶体十分纯净不含任何杂质晶格中的原子严格按周期排列实际应用中的半导体材料原子不是静止在具有严格周期性晶格的格点位置上，而是在其平衡位置附近振动半导体材料不纯净，而是含有若干杂质，在半导体晶格中存在着与组成半导体元素不同的其他化学元素原子实际半导体的晶格结构并不是完整无缺的，而存在着各种形式的

2、缺陷极其微量的杂质和缺陷，能够对半导体材料的物理性质和化学性质产生决定性的影响在硅晶体中，若以105个硅原子中掺入一个杂质原子的比例掺入硼(B)原子，则硅晶体的导电率在室温下将增加103倍。用于生产一般硅平面器件的硅单晶，位错密度要求控制在103cm-2以下，若位错密度过高，则不可能生产出性能良好的器件。(缺陷的一种)例1例2理论分析认为由于杂质和缺陷的存在，会使严格按周期排列的原子所产生的周期性势场受到破坏，有可能在禁带中引入允许电子存在的能量状态（即能级），从而对半导体的性质产生决定性的影响。杂质来源一）制备半导体的原材料纯度不够高；二）半导体单晶制备过程中及器件制造过程中的沾污；三

3、）为了半导体的性质而人为地掺入某种化学元素的原子。2.1硅、锗晶体中的杂质能级2.1.1替位式杂质间隙式杂质1金刚石结构的特点原子只占晶胞体积的34%，还有66%是空隙，这些空隙通常称为间隙位置。杂质的填充方式一）杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，间隙式杂质/填充；二）杂质原子取代晶格原子而位于晶格格点处，替位式杂质/填充。间隙式杂质替位式杂质两种杂质的特点间隙式杂质原子半径一般比较小，如锂离子（Li+）的半径为0.68Å，所以锂离子进入硅、锗、砷化镓后以间隙式杂质形式存在。替位式杂质原子的半径与被取代的晶格原子的半径大小比较相近，且它们的价电子壳层结构也比较相近。如硅、锗是Ⅳ族元素，与

4、Ⅲ、Ⅴ族元素的情况比较相近，所以Ⅲ、Ⅴ族元素在硅、锗晶体中都是替位式杂质。杂质浓度单位体积中的杂质原子数，单位cm-32.1.1替位式杂质间隙式杂质2以硅中掺入磷（P）为例，研究Ⅴ族元素杂质的作用。当一个磷原子占据了硅原子位置，磷原子有五个价电子，其中四个价电子与周围四个硅原子形成共价键，还剩余一个价电子。磷原子成为一个带有一个正电荷的磷离子（P+），称为正电中心磷离子。其效果相当于形成了一个正电中心和一个多余的电子。2.1.2施主杂质、施主能级1多余的电子束缚在正电中心周围，但这种束缚作用比共价键的束缚作用弱得多，只要很小的能量就可以使多余电子挣脱束缚，成为自由电子在晶格中运动，起到导

5、电的作用。这时磷原子就成了一个少了一个价电子的磷离子，它是一个不能移动的正电中心。多余电子脱离杂质原子成为导电电子的过程称为杂质电离。使这个多余电子挣脱束缚成为导电电子所需要的能量称为杂质电离能，用ΔED表示。实验测得，Ⅴ族元素原子在硅、锗中的电离能很小，在硅中电离能约为0.04~0.05eV，在锗中电离能约为0.01eV，比硅、锗的禁带宽度小得多。2.1.2施主杂质、施主能级2Ⅴ族元素杂质在硅、锗中电离时，能够施放电子而产生导电电子并形成正电中心。称为施主杂质或n型杂质施放电子的过程称为施主电离。施主杂质在未电离时是中性的，称为束缚态或中性态，电离后成为正电中心，称为离化态。施主杂质/

6、N型杂质电子型半导体/N型半导体纯净半导体中掺入施主杂质后，施主杂质电离，使导带中的导电电子增多（电子密度大于空穴密度），增强了半导体的导电能力，成为主要依靠电子导电的半导体材料,称为电子型或N型半导体。2.1.2施主杂质、施主能级3施主能级用离导带底Ec为ΔED处的短线段表示，施主能级上的小黑点表示被施主杂质束缚的电子。箭头表示被束缚的电子得到电离能后从施主能级跃迁到导带成为导电电子的电离过程。导带中的小黑点表示进入导带中的电子，⊕表示施主杂质电离后带正电，成为不可移动的正点中心。电子得到能量ΔED后，就从施主的束缚态跃迁到导带成为导电电子，被施主杂质束缚时的电子的能量比导带底Ec低Δ

7、ED，称为施主能级，用ED表示。由于ΔED远小于禁带宽度Eg，所以施主能级位于离导带底很近的禁带中。由于施主杂质相对较少，杂质原子间的相互作用可以忽略，所以施主能级可以看作是一些具有相同能量的孤立能级，2.1.2施主杂质、施主能级4硅中掺入硼（B）为例，研究Ⅲ族元素杂质的作用。当一个硼原子占据了硅原子的位置，如图所示，硼原子有三个价电子，当它和周围的四个硅原子形成共价键时，还缺少一个电子，必须从别处的硅原子中夺取一个价电子，于是在硅