13西安电子科技大学半导体物理课件――第二章 半导体中杂质和缺陷能级

第二章半导体中杂质和缺陷能级主讲：施建章E-Mail:[e-mail]西安电子科技大学技术物理学院二零零七年九月主要内容一、杂质的分类二、杂质能级三、缺陷的形成四、半导体中杂质和缺陷的作用第二章半导体中杂质和缺陷能级实际晶体与理想晶体的区别¾原子并非在格点上固定不动¾杂质的存在™a.工艺流程中引入；™b.认为掺杂；™c.温度的影响，等等。¾缺陷™点缺陷（空位，间隙原子、反结构缺陷）™线缺陷（位错：刃形位错和螺形位错）™面缺陷（层错，晶粒间界）替位式杂质、间隙式杂质¾替位式杂质Z杂质原子的大小及物化性质（电负性）与晶体原子相似ZIII、V族元素在硅、锗中均为替位式杂质¾间隙式杂质Z杂质原子远小于晶体原子¾杂质浓度：单位体积内的杂质原子数缺陷能级的产生¾在理想晶格中，原子严格周期性排列，允带电子能量状态形成一系列能带，而允带之间的禁带不存在电子状态。¾由于杂质和缺陷的存在，使晶格周期性势场遭到局部破坏。缺陷处的电子能级受到微扰，将向上（正微扰）或向下（负微扰）偏移而进入禁带中，其他能级保持不变。¾由于点缺陷或位错等缺陷引起局部微扰，在禁带中引入的定域能级称之为缺陷能级。¾如果微扰浓度很小（杂质原子少，无相互作用），则缺陷能级是孤立的；如果微扰浓度足够大（杂质原子很多，有相互作用），则缺陷能级也将分裂而形成能带（杂质原子上的电子做共有化运动）。施主杂质、施主能级¾施主杂质ZV族元素在硅、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，称此类杂质为施主杂质或n型杂质。¾施主电离Z施主杂质释放电子的过程。¾施主能级Z被施主杂质束缚的电子的能量状态，记为ED，施主电离能量为ΔED。¾n型半导体Z主要依靠导带电子导电的半导体。受主杂质、受主能级¾受主杂质ZIII族元素在硅、锗中电离时能够接受电子而产生导电空穴并形成负电中心，称此类杂质为受主杂质或p型杂质。¾受主电离Z受主杂质释放空穴的过程。¾受主能级Z被受主杂质束缚的空穴的能量状态，记为EA。受主电离能量为ΔEA¾p型半导体Z主要依靠价带空穴导电的半导体。浅能级（杂质）、深能级（杂质）¾产生的施主能级距离导带底远，产生的受主能级距离价带顶远，这样的能级称为深能级；反之，称为浅能级。¾产生深（浅）能级的杂质称为深（浅）能级杂质。¾深能级杂质一般含量少，电离能大，对半导体导电类型和载流子数量没有浅能级杂质显著。浅能级杂质电离能简单计算¾类氢模型Z氢原子中电子能量Zn=1,2,3……，为主量子数，当n=1和无穷时Z氢原子基态电子的电离能2220408nhqmEnε−=0,8220401=−=∞EhqmEεeVhqmEEE6.1382204010=−=−=∞ε¾施主杂质电离能受主杂质电离能200*22024*8rnrnDEmmhqmEεεε==Δ200*22024*8rprpAEmmhqmEεεε==Δ浅能级杂质电离能简单计算考虑到正、负电荷处于介电常数ε=ε0εr的介质中，且处于晶格形成的周期性势场中运动，故有杂质的补偿作用半导体内同时含有施主杂质和受主杂质，施主和受主在导电性能上有相互抵消的作用，通常称之为杂质的补偿作用。™当NDNA时™n=ND-NA≈ND，半导体是n型的™当NDNA时™p=NA-ND≈NA，半导体是p型的™当ND≈NA时™高度补偿半导体™有效杂质浓度™经过补偿后半导体中的净杂质浓度。深能级杂质¾非III、V族元素¾特点™多为替位式杂质™硅、锗的禁带中产生的施主能级距离导带底较远和受主能级距离价带顶较远，形成深能级，称为深能级杂质。™深能级杂质能够产生多次电离，每次电离均对应一个能级。¾金是I族元素Z故可失去一个电子，施主能级略高于价带顶；Z也可得到三个电子，形成稳定的共价键结构。但由于库仑力的排斥作用，后获得电子的电离能大于先获得电子的电离能。即EA3EA2EA1。Z金在各种半导体中存在ED、EA3、EA2、EA1四个孤立能级。点缺陷¾热缺陷（由温度决定）Z弗伦克尔缺陷™成对出现的间隙原子和空位Z肖特基缺陷™只形成空位而没有间隙原子Z对于化合物半导体，偏离正常的化学比Z化合物半导体中的替位原子kTussNen−=2kTuffeNN'n−=¾空位易于间隙原子出现™因为空位周围有四个不成对电子，所以空位表现出受主作用；™每个间隙原子有四个可以失去的电子，所以表现出施主作用。¾GaAs中的镓空位和砷空位均表现为受主作用；¾离子性强的化合物半导体（M,X），正离子空位是受主，负离子空位是施主，金属原子为间隙原子时为施主，非金属原子为间隙原子时为受主。¾离子性弱的二元化合物AB，替位原子AB是受主，BA是施主。点缺陷位错¾锗中的60°棱位错™（111）面内位错线[10-1]和滑移方向[1-10]之间的夹角是60°，如图2-18。™锗中位错具有受主及施主的作用。™晶格畸变00VVEEEccccΔ=−=Δε00VVEEEvvvvΔ=−=Δε0)(VVEvcgΔ−=Δεε杂质和缺陷的作用¾1.空位Z元素半导体中的空位：倾向于得到电子，其受主作用；Z（离子型）化合物半导体中的空位：™正离子空位——负电中心——受主作用；™负离子空位——正点中心——施主作用；Z（共价型）化合物半导体中的空位：™都起受主作用！¾2.间隙杂质Z（与基质原子相比）电负性小的填隙式杂质——施主杂质；Z（与基质原子相比）电负性大的填隙式杂质——受主杂质；杂质和缺陷的作用¾3.替位式杂质Z杂质原子常取代电负性相近或原子半径相近的基质原子——™价电子多——施主作用；™价电子少——受主作用；¾4.两性杂质™既能起施主作用，又能起受主作用的杂质，如III-V族化合物半导体中掺入的硅；¾5.等电子杂质™掺入的杂质既不起施主作用，又不起受主作用，仍然保持电中性。如III-V族化合物半导体中掺入的III族获V族杂质原子。但是，由于电负性的不同，这些等电子杂质仍然能够俘获载流子而成为带电中心，这个带电中心称为等电子陷阱。等电子陷阱俘获载流子成为带电中心后，由于库仑作用又能俘获另一种相反符号的载流子，形成束缚激子。杂质和缺陷的作用¾6.等电子络合物Z在III-V族化合物中同时掺入II族和VI杂质，如果II族和VI族杂质原子处于相邻格点位置，并形成电中性的分子中心（如Zn-O对），则通常称之为络合中心。Z电中性的等电中心和络合中心能够俘获电子和空穴，引起电子-空穴的复合。所以，尽管其对导带电子和价带空穴无影响，但通过这也可影响导电性能。¾7.自补偿效应Z在化合物半导体中存在的正离子空位和负离子空位之间，以及离子空位和杂质原子之间可能存在的补偿作用，称为自补偿效应。双极性和单极性半导体¾双极性半导体：通过适当的加工工艺过程，既可以成为n型半导体，也可以成为p型半导体的材料；¾单极性半导体：一般只能加工成n型或p型一种，而不能实现两种导电类型的半导体材料。¾常见的半导体材料：™主要是n型的单极性半导体：TiO2,V2O5,CdS,CdSe,HgS,Hg2S,CdO,ZnO,Ag2S,Cs2S,WO3,Al2O3等；™主要是p型的单极性半导体：Cu2O,Ag2O,Cu2S,Sb2S3,TeSe,HgO,MnO,CoO,NiO,SnO等；™双极性半导体：Si,Ge,III-V族化合物半导体，PhS,PbSe,PbTe,SiC,Tl2S,U3O4,UO2等。