半物第2章

第二章半导体中杂质和缺陷能级2.1:硅和锗中的杂质能级1.施主杂质和施主能级2.受主杂质和受主能级2.2：III－V族化合物半导体中的杂质2.3：类氢模型2.4：深能级，缺陷能级◆完美的晶体：晶格完整、无杂质。所以：•电子在严格的周期势场中运动，其能量谱值形成能带。•价带和导带之间被禁带分开，在禁带中不存在电子状态。•能带中电子的波函数是布洛赫函数，电子在晶体中的各个原胞的对应点上，出现的几率相同。电子可以在整个晶体中运动，这种电子态称为扩展态。◆实际的半导体材料：1.原子并非固定在格点位置，而是在其平衡位置振动－格波2.材料本身不纯净，含杂质，晶格中存在与组成半导体材料的元素不同的其它化学元素的原子;3.晶格结构不完美，存在缺陷：点缺陷：空位、间隙原子；线缺陷：位错；面缺陷：层错；•极微量的杂质和缺陷，可以严重影响半导体的物理、化学性质及器件的性质。例：Si中掺B，10万个Si原子中掺一个B，电导率升高1000倍;Si平面器件用Si单晶，要求位错密度103cm-2原因：杂质、缺陷破坏周期性势场禁带中引入能级•另外，在半导体的研究和应用中，常常有意识的加入适当的杂质。这些杂质和缺陷产生的附加势场，有可能使电子和空穴束缚在杂质和缺陷的周围，产生局域化的电子态－局域态，在禁带中引入相应的杂质能级和缺陷能级。Si中的间隙式杂质和替位式杂质§2.1硅和锗中的杂质能级Si、Ge中的III族(B、Al、Ga、In)和V族元素(P、As、Sb),通常在晶格中占据Si或Ge的位置替位式杂质1、施主杂质和施主能级如图所示，在硅晶体中有一个磷原子占据了硅原子的位置。磷原子有五个价电子，其中四个价电子与邻近的四个硅原子形成共价键，还多余出来一个电子。这个电子容易摆脱磷原子的束缚，在晶体中自由运动，成为导带中的电子；而磷原子形成一价的正离子，形成一个固定不动的正电中心。上述过程称为杂质电离。电子从磷原子中挣脱出来所需要的最小能量，称为杂质电离能EI。(ionizationenergy)施主杂质如图所示，Ec、Ev和Ed分别表示导带底、价带顶和施主能级。所谓施主电离能就是导带底和施主能级之间的能量间隔。施主电离能很小，所以施主能级的位置在导带底之下，靠近导带。在能带图中，杂质能级通常用间断的横线表示，表明其局域态性质。能够向导带提供电子的杂质称为施主杂质(donor)。当电子被束缚在施主杂质的周围时，产生局域化的电子态，相应的能级称为施主能级Ed。在只有施主杂质的半导体中，在温度较低时，价带中电子能够激发到导带的很少，起导电作用的主要是从施主能级激发到导带的电子，这种主要由电子导电的半导体，称为N型半导体。施主能级cEdEvEIEdcIEEE2、受主杂质和受主能级当一个III族原子(例如B)占据了Si原子的位置时，由于B只有三个价电子，当它和邻近的Si原子形成共价键时，还缺少一个电子，有一个共价键出现电子的空位。这个空位可从附近的Si原子中夺取一个电子，使那里产生一个空位，B原子接受一个电子后，成为一价的负离子，形成一个固定的负电中心，即杂质电离。•从一个Si原子的共价键中取出一个电子放入Si和B之间的共价键中所需的能量很小，故B原子的电离能很小。•能够从价带中接受电子的杂质，称为受主杂质。•受主杂质接受电子时，在它的周围产生局域化的电子态，相应的能级称为受主能级Ea.(acceptor)施主能级cEdEvEIE受主能级cEaEvEIEvaIEEE•另一种表述方法：受主杂质电离过程中性受主＝带负电的受主离子＋空穴空穴激发到价带，失去空穴杂质电离受主能级cEaEvE杂质补偿：(impuritycompensation)如果半导体中同时含有施主和受主杂质，由于受主能级比施主能级低得多，受主杂质将首先接受来自施主杂质的电子，剩余的受主杂质才能接受来自价带的电子。施主和受主杂质之间这种互相抵消的作用，称为杂质补偿。cEaEvEdE在这种情况下，半导体的导电类型由浓度大的杂质来决定。施主浓度大于受主浓度时，半导体是N型；反之则为P型。§2.2III－V族化合物半导体中的杂质•在Ⅳ族元素半导体中，取代Ⅳ族原子占据晶格位置的Ⅴ族原子成为施主杂质，(而Ⅲ族原子为受主杂质)。这个结果说明，在半导体中，杂质原子的价电子数与晶格原子的价电子数之间的关系，是决定杂质行为的一个重要因素。•在Ⅲ—Ⅴ族化合物半导体中，取代晶格中Ⅴ族原子的Ⅵ族原子(如Se、Te)，是施主杂质；取代Ⅲ族原子的Ⅱ族原子(如Zn、Mg、Cd)，是受主杂质。•两性杂质：IV族原子(如Si、Ge)在III－V族半导体中为两性杂质。若取代III族原子，是施主杂质；若取代V族原子，是受主杂质，这种杂质称为两性杂质。具体行为与杂质浓度和外部条件有关：如GaAs:Si，Si浓度1018cm-3时,Si基本只取代Ga施主;Si浓度1018cm-3时，部分Si取代As受主,补偿SiGa施主.等电子杂质和等电子陷阱：当杂质原子和晶格原子的价电子数相等时，杂质通常称为等电子杂质。等电子杂质替代相同价电子数的晶格原子(组分原子)后，由于其负电性不同，可以束缚电子。由等电子杂质形成的陷阱称为等电子陷阱。应用：如GaP:NLEDN与P同为V族元素，N比P的原子序数小，而负电性大，则可形成等电子陷阱。§2.3类氢模型在硅和锗中的Ⅲ族和Ⅴ族杂质，它们作为受主和施主电离能和禁带宽度相比非常小的，这些杂质形成的能级，在禁带中很靠近价带顶或导带底，称这样的杂质能级为浅能级。浅能级杂质，电离能EI很小，很容易电离，对能带中的载流子数目影响大。浅能级杂质的电离能EI可以用简单的类氢模型进行近似计算，如，把取代一个Si或Ge原子的V族原子，看成是一个正离子束缚一个电子。这种杂质的电离能很小，意味着离子对电子的束缚很弱。处于束缚态的电子，实际上是在一个半径远大于原子间距的范围内运动。因此可以把正离子对电子的作用，近似地看做晶体中点电荷之间的相互作用。则可以把由杂质引起的局域态问题，利用氢原子模型进行分析。氢原子和晶体中电子运动的区别：•在氢原子中电子是以惯性质量运动；由于周期势场的影响，半导体中的电子是以有效质量运动。•在半导体中，由于介质被极化的影响，使得电荷之间的库仑作用减弱为它们在真空中库仑作用（为半导体的相对介电常数）氢原子基态电子的电离能EH为：)(6.13822040eVhemEH氢原子玻尔半径a0为：oAmeha53.02200r/1r因此，只要把电子的惯性质量m0用电子的有效质量mn*代替，真空电容率用半导体的介电常数代替，就可以得出杂质的电离能EI和基态轨道半径a：0r0H*n2r22r204*nIEmm1h8emE0*nr2*n2r0ammemha受主杂质：负离子＋空穴，用mp*代替mn*即可以同样计算。这种分析浅能级杂质束缚态的方法，通常称为类氢模型。得到的杂质能级，同氢原子中电子的能级分布很类似，称为类氢能级。在类氢模型中，用各向同性的有效质量描述束缚于杂质中心的电子或空穴的运动状态，且完全忽略了杂质本身电子结构的影响，因而只是实际情况的一个粗糙的近似。实际上，各种杂质的电离能并不完全相同，是由于各种杂质的势场不相同。深能级杂质的特点：①电离能大，对热平衡中的载流子浓度无显著影响；②但对半导体的其他性质有显著影响：作为电子和空穴的复合中心，可以缩短非平衡载流子的寿命。③深能级杂质可产生多次电离，每次电离相应地形成一个能级，因而可在禁带中引入多重杂质能级。有的杂质既可以作为施主，又可以成为受主，称之为两性杂质。§2.4深能级，缺陷能级硅或锗中的Ⅲ族和Ⅴ族杂质，Ⅲ—Ⅴ族化合物半导体中的Ⅱ族和Ⅵ族杂质，都在禁带中引入浅能级，实际上，在半导体中还存在另一类杂质：它们的能级在禁带中心附近，常称这样的能级为深能级金原子最外层有一个价电子，比锗少三个价电子。在锗中的中性金原子(Au0),有可能分别接受一，二，三个电子而成为Au-、Au2-、Au3-，起受主作用，引入Ea1、Ea2、Ea3等三个受主能级。中性金原子也可能给出它的最外层电子而成为Au+，起施主作用，引入一个施主能级Ed。Ge中的金杂质引入的深能级cE3aE2aE1aEdEiEvE)(04.0eV金在锗中引入的四个能级20.015.005.0点缺陷：间隙中的正（或负离子）以及正（负）离子的空位间隙中的正离子是带正电的中心。负离子的空位也是正电中心。束缚一个电子的正电中心是电中性的，这个被束缚的电子很容易挣脱束缚，成为导带中的自由电子。正电中心具有提供电子的作用，因而是施主。以离子晶体为例，介绍点缺陷引入的缺陷能级：正电中心缺陷能级缺陷能级间隙中的负离子和正离子的空位则是一个负电中心，束缚一个空穴的负电中心是电中性的。负电中心把束缚的空穴释放到价带的过程，实际是从价带接受电子的过程。负电中心能够接受电子，因而是受主。负电中心缺陷能级在离子性半导体中，正负离子的数目常常偏离化学比。如果正离子多了，就会造成间隙中的正离子或负离子的空位，它们都是正电中心，起施主作用。因此半导体是N型的。如果负离子多了，半导体则是P型。线缺陷（刃型位错、螺型位错）：它是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。晶体中最普通的线缺陷就是位错，这种错排现象是晶体内部局部滑移造成的，根据局部滑移的方式不同，可以分别形成螺型位错和刃型位错。