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1、2. 半导体中杂质和缺陷能级,沈阳工业大学电子科学与技术系,杂质、缺陷破坏了晶体原有的周期性势场，引入新的能级。通常在禁带中分布的能级就是这样产生的。 禁带中的能级对半导体的性能有显著影响，影响的程度由能级的密度和位置决定。,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,学习重点：,沈阳工业大学电子科学与技术系,浅能级杂质、深能级杂质 杂质补偿,1、杂质与杂质能级,（1）杂质,半导体中存在的与本体元素不同的其它元素。,（2）杂质来源,无意掺入 有意掺入,（3）杂质在半导体中的分布状况,替位式杂质 间隙式杂质,杂质出现在半导体中时，产生的附加势场使严格的周期性势场遭到破坏。,（4）杂质能级,杂质引起的电子能级
2、称为杂质能级。通常位于禁带之中的杂质能级对半导体性能有显著影响。,Eg,EC,EV,杂质 能级,2、施主能级,杂质电离后能够施放电子而产生自由电子并形成正电中心（正离子）。这种杂质称为施主杂质。 以硅为例：在硅单晶中掺入磷（P）等V族元素。,电离施主,导带电子,硅原子,（1）施主杂质,在Si单晶中，V族施主替位杂质的两种荷电状态的价键 (a) 电离态 (b) 中性施主态,施主能级,（2）施主电离,施主未电离时，在饱和共价键外还有一个电子被施主杂质所束缚，该束缚态所对应的能级称为施主能级。,特征： 施主杂质电离，导带中出现 施主提供的导电电子； 电子浓度大于空穴浓度， 即 n p 。,掺入施主的
3、半导体以电子导电为主，被称为n 型半导体,施主电离能,ED = EC - ED,Si、Ge中V族杂质的电离能,0.044,0.0126,0.049,0.0127,0.039,0.0096,施主电离过程示意图,施主杂质电离的结果： 导带中的电子数增加了，这就是掺施主杂质的意义所在。,3、受主能级,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。或定义为：能够向半导体提供空穴并形成负电中心的杂质。 以硅为例：在硅单晶中掺入硼（B）等III族元素。,电离受主,价带空穴,硅原子,（1）受主杂质,在Si单晶中，III族受主替位杂质的两种荷电
4、状态的价键 (a) 电离态 (b) 中性受主态,受主能级,（2）受主电离,受主杂质电离后所接受的电子被束缚在原来的空状态上，该束缚态所对应的能级称为受主能级。,特征： 受主杂质电离，价带中出现 受主提供的导电空穴； 空穴浓度大于电子浓度， 即 p n 。,掺入受主杂质的半导体以空穴导电为主被称为p 型半导体,受主电离能,EA = EA - EV,Eg,EC,EV,受主 能级,EA,Si、Ge中族杂质的电离能,晶 体,杂 质,硼 B,铝Al,铟In,硅 Si,锗 Ge,EA = EA - EV,镓Ga,0.045,0.057,0.065,0.160,0.01,0.01,0.011,0.011,受
5、主电离过程示意图,受主杂质电离的结果：价带中的空穴数增加了，这就是掺受主杂质的意义所在。,4、浅能级杂质,（1）浅能级杂质的特点,一般是替位式杂质 施主电离能ED远小于禁带宽度Eg，通常为V族元素。 受主电离能EA远小于禁带宽度Eg。通常为III族元素。,（2）浅能级杂质的作用,改变半导体的电阻率； 决定半导体的导电类型。,（3）控制杂质浓度的方法,在单晶生长过程中掺入杂质 在高温下通过杂质扩散的工艺掺入杂质 离子注入杂质 在薄膜外延工艺过程中掺入杂质 用合金工艺将杂质掺入半导体中,5、浅能级杂质电离能的简单计算,氢原子满足： 解得电子能量： 氢原子基态能量： 氢原子自由态能量： 故基态电子的
6、电离能：,（1）氢原子基态电子的电离能,n = 1, 2, 3, ,（2）用类氢原子模型估算浅能级杂质的电离能,浅能级杂质 = 杂质离子 + 束缚电子（或空穴）,估算结果与实际测量值有误差，但数量级相同。 这种估算有优点，也有缺点。,Ge：ED0.0064eV Si： ED0.025eV,6、杂质补偿,半导体中同时存在施主杂质和受主杂质时，受主杂质会接受施主杂质的电子，导致两者提供载流子的能力相互抵消，这种作用称为杂质补偿。 在制造半导体器件的过程中，通过采用杂质补偿的方法来改变半导体某个区域的导电类型或电阻率。 高度补偿： 若施主杂质浓度与受主杂质浓度相差很小或二 者相等，则不能提供电子或空
7、穴，此时半导体 的导电能力与本征半导体相当，这种情况称为杂质的高度补偿。,NDNA时：n 型半导体,因EA在ED之下，ED上的束缚电子首先填充EA上的空位，即施主与受主先相互“抵消”，剩余的束缚电子再电离到导带上。 有效施主浓度： ND*=ND-NA,NAND时：p 型半导体,因EA在ED之下，ED上的束缚电子首先填充EA上的空位，即施主与受主先相互“抵消”，剩余的束缚空穴再电离到价带上。 有效受主浓度： NA*=NA-ND,NAND时：杂质高度补偿,高度补偿：若施主杂质浓度与受主杂质尝试相差不大或二 者相等，则不能提供电子或空穴，这种情况称 为杂质的高度补偿。,7、深能级杂质,浅能级杂质,深
8、能级杂质,EDEg EAEg,EDEg EAEg,例1：Au（I族）在Ge中,Au在Ge中共有五种可能的状态： Au0 Au+ Au一Au二;Au三,Au+：Au 0 e Au+,Au 0：电中性态,Au一：Au0 + e Au一,Au二：Au一 + e Au二,Au三：Au二 + e Au三,例2：Au（I族）在Si中,在化合物半导体中，某种杂质在其中既可以作施主又可以作受主，这种杂质称为两性杂质。 例如：GaAs中掺Si（IV族） Si Ga 施主 Si As 受主,与元素半导体情况相类似。但IV族元素具有双性行为，而III-V族杂质一般表现为中性。 两性杂质,2.2 III-V族化合物中
9、的杂质能级,2.3 缺陷能级 Imperfection Level,哈尔滨工业大学微电子科学与技术系,常见点缺陷 空位 间隙原子 反结构缺陷,1、点缺陷,（1）Si中的点缺陷,以空位、间隙和复合体为主。,A、空位,空位,V0 + e V-（受主） V0 - e V+（施主）,B、间隙,例：Si:B,（2）GaAs中的点缺陷, 空位：VAs，VGa； 间隙：IAs ，IGa； 反结构缺陷：BAAB。,点缺陷的分类：,反结构缺陷,特征：出现在化合物半导 体中。 例：GaAs中的反结构缺陷。 GaAs: 受主 AsGa: 施主,A B A B A B A B A B A B A B A B A B B B A B A B A B A B A A A B A B A B A B A B A B,有双性行为 引起禁带宽度的波动 例：Si中的600位错,2、位错能级（主要指线缺陷）,