半导杂质和缺陷.pptx

学学时:32(周周4 4学学时)主主讲教教师:关玉琴关玉琴(理学院物理系理学院物理系)半半导体物理体物理 Semiconductor Physics 第一章第一章 半半导体中公有化体中公有化电子的能量状子的能量状态第二章第二章 半半导体中的体中的杂质和缺陷状和缺陷状态第三章第三章 半半导体中的平衡体中的平衡载流子流子第四章第四章 半半导体中的体中的电迁移迁移现象象第五章第五章 半半导体中的非平衡体中的非平衡载流子流子第六章第六章 半半导体表面和界面体表面和界面第七章第七章 半半导体的体的强电场效效应 课程内容课程内容 半半导体材料体材料举例例:Ge,Si,GaAs,InP,GaN,SiC,TeCdHg。什么是半导体？什么是半导体？半导体的基本特性半导体的基本特性:(1)导电性处于金属和绝缘体之间导电性处于金属和绝缘体之间(见下图见下图)。(2)电阻率与温度的关系很大电阻率与温度的关系很大,而且电阻率一般具有而且电阻率一般具有负温度系数负温度系数。(3)电阻率与掺杂电阻率与掺杂 (杂质种类和浓度杂质种类和浓度)有很大关系。有很大关系。(4)存在有两种存在有两种 (正、正、负电荷荷)载流子。流子。(5)存在有比金属要高的温差存在有比金属要高的温差电动势率和率和HallHall系数。系数。(6)具有具有较高的光高的光电导等光敏性。等光敏性。(7)半半导体与金属接触体与金属接触,或者半或者半导体体p-np-n结,具有非具有非线性性电流流-电压关系关系,并且可以有整流特性。并且可以有整流特性。(8)具有明具有明显的表面的表面电场效效应。各种物各种物质的的电阻率范阻率范围 10-610-410-210010210410610810101012101410161018(.cm)SiGeGaAsNi-CrAg石英玻璃石英玻璃玻璃玻璃硬橡胶硬橡胶金属金属半导体半导体绝缘体绝缘体半导体的共价键结构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价电子是我们要研究的对象硅晶体的硅晶体的空间排列空间排列本征半导体本征半导体本征半导体本征半导体完全纯净、结构完整的半导体晶体。完全纯净、结构完整的半导体晶体。纯度：纯度：99.9999999%，“九个九个9”它在物理结构上呈单晶体形态。它在物理结构上呈单晶体形态。常用的本征半导体常用的本征半导体Si+142 8 4Ge+322 8 18 4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4价带价带导带导带禁带禁带EG外电场外电场E本征半导体的两种载流子本征半导体的两种载流子1.1.本征半导体中有两种载流子本征半导体中有两种载流子自由电子和空穴自由电子和空穴2.2.在外电场的作用下，产生电流在外电场的作用下，产生电流 电子流和空穴流电子流和空穴流电子流电子流自由电子作定向运动形成的与外电场方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；向相反，自由电子始终在导带内运动；空穴流空穴流价电子递补空穴形成价电子递补空穴形成的与外电场方向相同的与外电场方向相同始终在价带内运动；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。空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。用用空空穴穴移移动动产产生生的的电电流流代代表表束束缚缚电电子子移动产生的电流。移动产生的电流。电子浓度电子浓度ni =空穴浓度空穴浓度pi杂质半导体杂质半导体杂质半导体杂质半导体掺入杂质的本征半导体。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杂后半导体的导电率大为提高掺入三价元素如掺入三价元素如B、Al、In等，形等，形成成P型半导体，也称空穴型半导体型半导体，也称空穴型半导体掺入五价元素如掺入五价元素如P、Sb等，形成等，形成N型半导体，也称电子型半导体型半导体，也称电子型半导体N型半导体型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5+5本征半导体中掺入五价元素如本征半导体中掺入五价元素如P。自由电子是多子自由电子是多子 空穴是少子空穴是少子杂质原子提供杂质原子提供由热激发形成由热激发形成由于五价元素很容易贡献电由于五价元素很容易贡献电子，因此将其称为子，因此将其称为施主杂质。施主杂质。施主杂质因提供自由电子而施主杂质因提供自由电子而带正电荷成为带正电荷成为正离子正离子P型半导体型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3+3本征半导体中掺入三价元素如本征半导体中掺入三价元素如B。自由电子是少子自由电子是少子空穴是多子空穴是多子杂质原子提供杂质原子提供由热激发形成由热激发形成因留下的空穴很容易俘因留下的空穴很容易俘获电子，使杂质原子成获电子，使杂质原子成为为负离子。负离子。三价杂质三价杂质 因而也称为因而也称为受主杂质受主杂质。理想半理想半导体：体：1 1、原子、原子严格地周期性排列，晶体具有完整的晶格格地周期性排列，晶体具有完整的晶格结构。构。2 2、晶体中无、晶体中无杂质，无缺陷。，无缺陷。3 3、电子在周期子在周期场中作共有化运中作共有化运动，形成允，形成允带和禁和禁带电子能量只能子能量只能处在允在允带中的能中的能级上，禁上，禁带中无能中无能级。由本征激。由本征激发提供提供载流子。流子。第二章第二章 半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级实际材料中实际材料中1、总是有杂质、缺陷，使周期场破坏，在杂质或缺陷、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周围引起局部性的量子态对应的能级常常处在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。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。、杂质电离提供载流子。2.1 硅、硅、锗晶体中的晶体中的杂质能能级 一个晶胞中包含有八个硅原子，若近似地把原子看成一个晶胞中包含有八个硅原子，若近似地把原子看成是半径是半径为r的的圆球，球，则可以可以计算出算出这八个原于占据晶八个原于占据晶胞空胞空间的百分数如下：的百分数如下：2.1.1 2.1.1 替位式杂质替位式杂质替位式杂质替位式杂质 间隙式杂质间隙式杂质间隙式杂质间隙式杂质说明，在金刚石型晶体中一个晶胞内的说明，在金刚石型晶体中一个晶胞内的8 8个原子只占个原子只占有晶胞体积的有晶胞体积的34%，还有，还有66%是空隙。是空隙。金金刚石型晶体石型晶体结构中的两种空隙如构中的两种空隙如图2-1所示。所示。这些些空隙通常称空隙通常称为间隙位置。隙位置。杂质原子原子进入半入半导体硅后，以两种方式存在：一种方体硅后，以两种方式存在：一种方式是式是杂质原子位于晶格原子原子位于晶格原子间的的间隙位置，常称隙位置，常称为间隙式隙式杂质（A）。）。SiSiSiSiASiSiSiSiSiSiSiSiSi另一种方式是杂质原子取代晶格原子而位于晶格点另一种方式是杂质原子取代晶格原子而位于晶格点另一种方式是杂质原子取代晶格原子而位于晶格点另一种方式是杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处，常称为处，常称为处，常称为处，常称为替位式替位式替位式替位式杂质杂质杂质杂质（B B）SiSiSiSiBSiSiSiSiSiSiSiSi两种两种杂质特点：特点：间隙式隙式杂质原子一般比原子一般比较小，如：小，如：锂离子，离子，0.068nm。替位式替位式杂质：杂质原子的大小与被取代的晶格原子的大小比原子的大小与被取代的晶格原子的大小比较相相近；价近；价电子壳子壳层结构比构比较相近如：相近如：-族元素。族元素。2.1.2 施主施主杂质 施主能施主能级杂质电离：离：上述上述电子脱离子脱离杂质原子的束原子的束缚成成为导电电子的子的过程。程。杂质电离能：离能：使多余的价使多余的价电子子挣脱束脱束缚成成为导电电子所需要的能量称子所需要的能量称为。施主施主杂质电离后成离后成为不可移不可移动的的带正正电的施主离子，的施主离子，同同时向向导带提供提供电子，使半子，使半导体成体成为电子子导电的的n型型半半导体体。以硅中掺磷以硅中掺磷以硅中掺磷以硅中掺磷P P为例：为例：为例：为例：磷原子占据硅原子的磷原子占据硅原子的磷原子占据硅原子的磷原子占据硅原子的位置，磷原子有五个位置，磷原子有五个位置，磷原子有五个位置，磷原子有五个价电子，其中四个价价电子，其中四个价价电子，其中四个价价电子，其中四个价电子与周围的四个硅电子与周围的四个硅电子与周围的四个硅电子与周围的四个硅原于形成共价键，还原于形成共价键，还原于形成共价键，还原于形成共价键，还剩余一个价电子。剩余一个价电子。剩余一个价电子。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，称它们为电电子并形成正电中心，称它们为施主杂质施主杂质或或n型杂质型杂质。SiSiSiSiP+SiSiSiSiSiSiSiSiSi中的施主杂质中的施主杂质这个多余的价个多余的价电子就子就束束缚在正在正电中心中心P的的周周围。价。价电子只要很子只要很少能量就可少能量就可挣脱束，脱束，成成为导电电子子在晶格在晶格中自由运中自由运动,这时磷原磷原子就成子就成为少了一个价少了一个价电子的磷离子子的磷离子P，它，它是一个不能移是一个不能移动的的正正电中心中心。SiSiSiSiP+SiSiSiSiSiSiSiSiSi中的施主杂质中的施主杂质施主施主杂质的的电离离过程，可以用能程，可以用能带图表示：表示：如下如下图所示。当所示。当电子得到能量后，就从施主的束子得到能量后，就从施主的束缚态跃迁到迁到导带成成为导电电子，所以子，所以电子被施主子被施主杂质束束缚时的能量比的能量比导带底底 低低 ，将被施主，将被施主杂质束束缚的的电 子的能子的能量状量状态称称为施主施主能能级，记为 ，所以施主能所以施主能级位位于离于离导带底很近底很近的禁的禁带中。中。满带满带空带空带施主能级施主能级能带结构：能带结构：2.1.3 受主受主杂质 受主能受主能级族族杂质在硅、在硅、锗中能中能够接受接受电子而子而产生生导电空穴，空穴，并形成并形成负电中心，所以称它中心，所以称它们为受主受主杂质或或p型型杂质。以硅中掺磷以硅中掺磷以硅中掺磷以硅中掺磷B B为例：为例：为例：为例：B B原原原原子占据硅原子的位置。磷子占据硅原子的位置。磷子占据硅原子的位置。磷子占据硅原子的位置。磷原子有三个价电子。与周原子有三个价电子。与周原子有三个价电子。与周原子有三个价电子。与周围的四个硅原于形成共价围的四个硅原于形成共价围的四个硅原于形成共价围的四个硅原于形成共价键时还缺一个电子，就从键时还缺一个电子，就从键时还缺一个电子，就从键时还缺一个电子，就从别处夺取价电，这就在别处夺取价电，这就在别处夺取价电，这就在别处夺取价电，这就在SiSi形成了一个空穴。形成了一个空穴。形成了一个空穴。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+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4BB+3+3+3+3Si这时B原子就成原子就成为多了一个多了一个价价电子的磷离子子的磷离子B，它是一，它是一个不能移个不能移动的的负电中心中心。空穴束空穴束缚在正在正电中心中心B的的周周围。空穴只要很少能量就。空穴只要很少能量就可可挣脱束脱束缚，成，成为导电空穴空穴在晶格中自由运在晶格中自由运动。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4BB+3+3+3+3Si使空穴挣脱束缚成为导电空穴所需要的能量称为使空穴挣脱束缚成为导电空穴所需要的能量称为受受主杂质电离能主杂质电离能;受主杂质电离后成为不可移动的带负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，使半导体成电的受主离子，同时向价带提供空穴，使半导体成为为空穴空穴导电的导电的p型半导体型半导体。受主杂质的电受主杂质的电受主杂质的电受主杂质的电离过程，可以用离过程，可以用离过程，可以用离过程，可以用能带图表示：能带图表示：能带图表示：能带图表示：当当空穴得到能量后空穴得到能量后满带满带空带空带受主能级受主能级能带结构：能带结构：，就从受主的束，就从受主的束缚态跃迁到价带缚态跃迁到价带成为导电空穴，成为导电空穴，所以电子被受主杂质束缚时的能量比价带所以电子被受主杂质束缚时的能量比价带 高高 。将被受主杂质束缚的空穴的能量状态称为将被受主杂质束缚的空穴的能量状态称为受主能级受主能级，记为记为 ，所以受主能级位于离价带顶很近的禁带中。，所以受主能级位于离价带顶很近的禁带中。2.1.4 浅能浅能级杂质电离能的离能的简单计算算浅能浅能级杂质：电离能小的离能小的杂质称称为浅能浅能级杂质。浅能浅能级：是指施主能是指施主能级靠近靠近导带底，受主能底，受主能级靠近靠近价价带顶。室温下，室温下，掺杂浓度不很高底情况下，浅能度不很高底情况下，浅能级杂质几几乎可以可以全部乎可以可以全部电离。五价元素磷（离。五价元素磷（P）、）、锑（Sb）在硅、）在硅、锗中是浅施主中是浅施主杂质，三价元素硼，三价元素硼（B）、）、铝（Al）、）、镓（Ga）、）、铟（In）在硅、）在硅、锗中中为浅受主浅受主杂质。类氢模型：模型：为电子有效质量为电子有效质量为电子有效质量为电子有效质量可得同一个数量级杂质补偿：半半导体中存在施主体中存在施主杂质和受主和受主杂质时，它它们的共同作用会使的共同作用会使载流子减少，流子减少，这种作用称种作用称为杂质补偿。在制造半。在制造半导体器件的体器件的过程中，通程中，通过采用采用杂质补偿的方法来改的方法来改变半半导体某个区域的体某个区域的导电类型或型或电阻率。阻率。高度补偿高度补偿高度补偿高度补偿：若施主杂质浓度与受主杂质浓度相差不若施主杂质浓度与受主杂质浓度相差不若施主杂质浓度与受主杂质浓度相差不若施主杂质浓度与受主杂质浓度相差不大或二者相等，则不能提供电子或空穴，这种情况大或二者相等，则不能提供电子或空穴，这种情况大或二者相等，则不能提供电子或空穴，这种情况大或二者相等，则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称为杂质的高等补偿。这种材料容易被误认为高纯称为杂质的高等补偿。这种材料容易被误认为高纯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，一般不度半导体，实际上含杂质很多，性能很差，一般不度半导体，实际上含杂质很多，性能很差，一般不度半导体，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。能用来制造半导体器件。能用来制造半导体器件。能用来制造半导体器件。1 1）：受主能级低于施主能级，剩余杂受主能级低于施主能级，剩余杂受主能级低于施主能级，剩余杂受主能级低于施主能级，剩余杂质质质质 。2 2）：施主能级低于受主能级，剩余杂质：施主能级低于受主能级，剩余杂质：施主能级低于受主能级，剩余杂质：施主能级低于受主能级，剩余杂质 。3 3）高度补偿：有效施主浓度高度补偿：有效施主浓度高度补偿：有效施主浓度高度补偿：有效施主浓度 有效受主浓度有效受主浓度有效受主浓度有效受主浓度2.1.5 杂质的补偿作用杂质的补偿作用2.1.6 深能深能级杂质深能深能级杂质：非：非、族族杂质在在SiSi、GeGe的禁的禁带中中产生的生的施主能施主能级远离离导带底，受主能底，受主能级远离价离价带顶。杂质电离能大，能离能大，能够产生多次生多次电离。离。基本特点：基本特点：基本特点：基本特点：不容易电离，对载流子浓度影响不大；不容易电离，对载流子浓度影响不大；不容易电离，对载流子浓度影响不大；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受主能级;能起到复合中心作用，使少数载流子寿命降低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。作用，使载流子迁移率减少，导电性能下降。2.2 化合物半化合物半导体中的体中的杂质能能级四种情况；四种情况；取代砷取代砷;取代取代镓;填隙填隙;反位。反位。2.2.1 2.2.1 杂质在砷化镓中的存在形式杂质在砷化镓中的存在形式杂质在砷化镓中的存在形式杂质在砷化镓中的存在形式 GaGaGaGaGaGaGaGaGaGaGaVGaGaGaAsAsAsAsVAsAsAsAsAsAsAsAsAsAsAsGaGaAs四族元素硅在砷化四族元素硅在砷化镓中会中会产生双性行生双性行为，即硅的，即硅的浓度度较低低时主要起施主主要起施主杂质作用，作用，当硅的当硅的浓度度较高高时，一部分，一部分硅原子将起到受主硅原子将起到受主杂质作用。作用。这种双性行为可作如下解释：这种双性行为可作如下解释：这种双性行为可作如下解释：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因为在硅杂质浓度较高时，硅原子不仅取代镓原子起因为在硅杂质浓度较高时，硅原子不仅取代镓原子起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，而且硅也取代了一着受主杂质的作用，而且硅也取代了一着受主杂质的作用，而且硅也取代了一着受主杂质的作用，而且硅也取代了一 部分部分部分部分V V族砷原族砷原族砷原族砷原子而起着受主杂质的作用，因而对于取代子而起着受主杂质的作用，因而对于取代子而起着受主杂质的作用，因而对于取代子而起着受主杂质的作用，因而对于取代族原子镓族原子镓族原子镓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的硅施主杂质起到补偿作用，从而降低了有效施主杂的硅施主杂质起到补偿作用，从而降低了有效施主杂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。质的浓度，电子浓度趋于饱和。质的浓度，电子浓度趋于饱和。质的浓度，电子浓度趋于饱和。2.3 半半导体中的缺陷能体中的缺陷能级点缺陷的种点缺陷的种类：弗弗仑克耳缺陷：克耳缺陷：原子空位和原子空位和间隙原子同隙原子同时存在；存在；肖特基缺陷：肖特基缺陷：晶体中只有晶格原子空位；晶体中只有晶格原子空位；间隙原子缺陷：隙原子缺陷：只有只有间隙原子而无原子空位。隙原子而无原子空位。2.3.12.3.1点缺陷（热缺陷）点缺陷（热缺陷）点缺陷（热缺陷）点缺陷（热缺陷）点缺陷（热缺陷）特点点缺陷（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；为三种点缺陷中形成肖特基缺陷需要的能量最小；淬火后可以淬火后可以“冻结”高温下形成的缺陷；高温下形成的缺陷；退火后可以消除大部分缺陷。半退火后可以消除大部分缺陷。半导体器件生体器件生产工工艺中，中，经高温加工（如高温加工（如扩散）后的晶片一般都需要散）后的晶片一般都需要进行退火行退火处理。离子注入形成的缺陷也用退火来消除。理。离子注入形成的缺陷也用退火来消除。点缺陷点缺陷对半半导体性体性质的影响：的影响：缺陷缺陷处晶格畸晶格畸变，周期性，周期性势场被破坏，致使在禁被破坏，致使在禁带中中产生能生能级；热缺陷能缺陷能级大多大多为深能深能级，在半，在半导体中起复合中心体中起复合中心作用，使非平衡作用，使非平衡载流子流子浓度和寿命降低；度和寿命降低；空位缺陷有利于空位缺陷有利于杂质扩散；散；对载对载流子有散射作用，使流子有散射作用，使流子有散射作用，使流子有散射作用，使载载流子迁移率和寿命降低。流子迁移率和寿命降低。流子迁移率和寿命降低。流子迁移率和寿命降低。2.3.2 位位错位位错形成原因：晶格畸形成原因：晶格畸变位位错种种类：刃位：刃位错（横位（横位错）和螺位）和螺位错 导带底价底价带顶改改变分分别为：禁禁带宽度度变化化为：棱位棱位错对半半导体性能的影响：体性能的影响：位位错线上的上的悬挂挂键可以接受可以接受电子子变为负电中心，表中心，表现为受主；受主；悬挂挂键上的一个上的一个电子也可以被子也可以被释放出来放出来而而变为正正电中心，此中心，此时表表现为施主，即不施主，即不饱和的和的悬挂挂键具有双性行具有双性行为，可以起受主作用，也可以起施，可以起受主作用，也可以起施主作用；主作用；位位错线处晶格晶格变形，形，导致能致能带变形；形；位位错线影响影响杂质分布均匀性；分布均匀性；位位错线若接受若接受电子子变成成负电中心，中心，对载流子有散射流子有散射作用。作用。影响少子寿命，原因：一是能影响少子寿命，原因：一是能带变形，禁形，禁带宽度减度减小，有利于非平衡小，有利于非平衡载流子复合；二是在禁流子复合；二是在禁带中中产生生深能深能级，促，促进载流子复合。流子复合。2.3.3 偏离化学比缺陷偏离化学比缺陷偏离化学比缺陷：离子晶体或化合物半偏离化学比缺陷：离子晶体或化合物半导体，由于体，由于组成晶体的元素偏离正常化学比而形成的缺陷。成晶体的元素偏离正常化学比而形成的缺陷。