第二章半导体中杂质和缺陷能级-朱俊-09

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1、Chapter2Impurityanddefectenergylevelinsemiconductor在纯净的半导体中掺入一定量不同类型的杂质，并通过对其数量和在空间的分布精确地控制，实现对电阻率和少子寿命的有效控制，从而人为地改变半导体的电学性质，如n型半导体和p型半导体。半导体的杂质工程(dopingengineering)：原因：杂质能级的产生－－晶体的势场的周期性受到破坏而产生附加势场，使得电子或空穴束缚在杂质周围，产生局域化的量子态即局域态，使能带极值附近出现分裂能级－－杂质能级。前言Eg没有能级本征半导体（intrinsic）能带：实际半导体（extrin

2、sic）：1、晶体中晶格位置的原子在平衡位置振动缺陷的出现：点缺陷线缺陷面缺陷空位位错层错2、和晶体基质原子不同的杂质原子的存在杂质的出现：无意掺杂源材料和工艺有目的控制材料性质有意掺杂杂质和缺陷对能带结构的影响：在半导体的禁带中引入杂质或缺陷能级影响半导体的电、光性质。1、硅、锗中的浅能级和深能级杂质以及和杂质能级，浅能级杂质电离能的计算，并了解杂质补偿作用。2、III-V族化合物主要是GaAs中的杂质能级，理解等电子陷阱、等电子络合物以及两性杂质等概念。本章主要内容：Note:间隙式原子的半径一般比较小。一、杂质存在的方式和缺陷类型1、存在方式：碱金属原子在半导体

3、尤其在Si中的易扩散，引起器件性能的恶化单位体积中的杂质原子数称－－杂质浓度硅、锗是Ⅳ族元素，与Ⅲ、Ⅴ族元素的情况比较相近，它们在硅、锗晶体中都是替位式杂质。在一定温度下，晶格原子在平衡位置附近振动中，有一部分原子获得足够的能量，克服周围原子对它的束缚而挤入晶格原子间隙，成为间隙原子，原来的位置成为空位。它们成对出现－－Frenkel缺陷。如在晶体中只形成空位而无间隙原子－－肖特基缺陷。2、缺陷（点缺陷）的类型⑴空位和填隙填隙空位A§2.2Si、Ge晶体中的杂质能级1、杂质与杂质能级杂质：半导体中存在的与本体元素不同的其它元素。杂质出现在半导体中时，产生的附加势场使严

4、格的周期性势场遭到破坏，可能在禁带中引入允许电子的能量状态（即能级）。杂质能级位于禁带之中EcEv杂质能级举例：Si中掺磷P（Si：P）2、施主（donor)能级：导带电子电离施主P+束缚在正电中心附近的所受到的束缚力比共价键弱得多！电离的结果：导带中的电子数增加了，这即是掺施主杂质的意义所在。施主杂质能级图：施主杂质原子电子施主电离能：△ED=EC-ED施主杂质束缚态：杂质未电离，中性离化态：杂志电离成为正电中心，释放电子△ED=EC-EDEgEDECEV施主杂质：束缚在杂质能级上的电子被激发到导带Ec成为导带电子，该杂质电离后成为正电中心（正离子）。这种杂质称为施

5、主杂质。Si、Ge中Ⅴ族杂质的电离能△ED（eV）晶体杂质PAsSbSi0.0440.0490.039Ge0.01260.01270.0096硅、锗在T=0K时的Eg为1.170eV和0.7437eVHowtocalculateit?浅施主杂质电离能的计算（类氢原子模型）对上述氢原子模型修正修正对于Si中的P原子，剩余电子的运动半径：Si的晶格常数为5.4Å●Si●P●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●

6、●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●近自由电子P原子中这个多余的电子的运动半径远远大于其余四个电子，所受到的束缚最小，极易摆脱束缚成为自由电子。P原子具有提供电子的能力，故称其为施主杂质。所以：同理：⑵施主电离能施主的电离能：设施主杂质能级为ED施主杂质的电离能△ED=弱束缚的电子摆脱束缚成为晶格中自由运动的电子（导带中的电子）所需要的能量=EC－ED△EDECED氢原子基态电子的电离能13.6eV如对于在Si、Ge中掺P：EcEDEv施主能级靠近导带底部所以：施主杂质的电离能小，在常温下基本上全部电离。kT=0.026e

7、V相当举例：Si中掺硼B（Si：B）价带空穴电离受主B-（1）3、受主(acceptor)能级Si（4价）被B（3价）所取代示意图：受主杂质能级图：负电中心空穴ECEgEVEA△EA受主电离能：△EA=EA-EV电离的结果：价带中的空穴数增加了，这即是掺受主的意义所在。受主杂质：束缚在杂质能级上的空穴被激发到价带Ev成为价带空穴，该杂质电离后成为负电中心（负离子）。这种杂质称为受主杂质。Si、Ge中Ⅲ族杂质的电离能△EA（eV）实验值晶体杂质BAlGaInSi0.0450.0570.0650.16Ge0.010.010.0110.011(2)受主电离