第二章 半导体中的杂质和缺陷e

第二章 半导体中的杂质和缺陷

2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 半导体中的杂质，施主和受主，类氢模型， 杂质的补偿作用，深能级杂质

2.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物中的杂质能级2.3 缺陷、位错能级

半导体中的杂质和缺陷

在实际应用的半导体材料晶格中，总存在 偏离理想情况的各种复杂现象。 1、原子并非静止在严格周期性晶格格点 位置，而是在其平衡位置附近振动；

2、半导体材料并非纯净的，而含有杂质， 即在半导体晶格中存在着与组成半导体材 料的元素不同的其他化学元素的原子； 3、实际半导体晶格结构并非完整无缺， 而存在各种形式的缺陷。在半导体中的某 些区域，晶格中的原子周期性排列被破坏， 形成各种缺陷。

半导体中的杂质和缺陷

缺陷分为三类：1、点缺陷(空位、间隙原子) 2、线缺陷(位错)

3、面缺陷(层错、多晶体中的晶粒间界)

半导体中的杂质和缺陷

杂质和缺陷的影响半导体材料中极微量杂质和缺陷，能对 材料的物理性质和化学性质产生决定性影响， 也会严重影响器件的质量。 在硅晶体中，若以105个硅原子中掺入一 个杂质原子的比例掺入硼原子，室温电导率 将增加103倍。 用于生产一般硅平面器件的硅单晶，要 求控制位错密度在102 cm-2以下，若位错密度 过高，则不 能生产出性能良好的器件。

半导体中的杂质和缺陷

杂质和缺陷重要影响的原因由于杂质和缺陷的存在，使周期性排列 的原子所产生的周期性势场受破坏，有可能 在禁带中引入允许电子具有的能量状态(即能 级)。 由于杂质和缺陷可在禁带中引入能级， 对半导体的性质产生决定性影响。

2.1 硅、锗晶体中的杂质能级替位式杂质

间隙式杂质

杂质进入半导体如何分布？ 金刚石结构中，一个晶胞内的原子占晶体原 胞的34%,空隙占66%。

替位式杂质

间隙式杂质

杂质原子进入半导体硅以后，只可能以两种方式存在。 间隙式(interstitial)杂质:杂质原子位于晶格原子间的间 隙位置。 替位式(substitutional)杂质:杂质原子取代晶格原子而位 于格点处。 杂质进入其它半导体材料中，也是这两种方式。

替位式杂质

间隙式杂质

间隙式杂质原子一般比较小，如离子锂(Li+)的半径很小，为0.068nm, 在硅、锗、砷化镓中是间隙式杂质。 一般形成替位式杂质时，要求替位式杂质原子的大小与被取代的晶格原 子的大小比较相近，还要求它们的价电子壳层结构比较相近。如硅、锗 是IV族元素的族元素，与III、V族元素情况比较相近，所以III、V族元 素在硅、锗晶体中都是替位式杂质 。 Si:r=0.117 nm B:r=0.089 nm P:r=0.11

nm

杂质浓度:单位体积中的杂质原子数。 表示半导体晶体中杂质含量的多少。

施主杂质

施主能级

III、V族元素在硅、锗晶体中是替位式杂质 以硅中掺磷为例讨论V族杂质的作用

施主杂质

施主能级

施主杂质

施主能级

杂质电离： 电子脱离杂质原子的束缚成为导电电子的过程。 杂质电离能 ：多余价电子挣脱束缚成为导电电子所需要的能量。

施主杂质

施主能级

施主杂质或n型杂质: V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。施主电离：施主杂质释放电子的过程。 施主杂质未电离时是中性的，称为束缚态或中性态；电离后成为 正电中心，称为离化态。

施主杂质

施主能级

施主杂质的电离过程

施主能级ED:被施主杂质束缚的电子的能量状态。

施主杂质

施主能级

在纯净半导体中掺入施主杂质

杂质电离以 后，导带中的导电电子增多，增强 半导体的导电能力。

n型半导体(电子型半导体) 主要依靠导带电子导电的半导体。

杂质向导带和价带提供电子和空穴的过程 (电子从施主能级向导带的跃迁或空穴从受 主能级向价带的跃迁)称为杂质电离或杂质 激发。所需要的能量称为杂质的电离能。 电子从价带直接向导带激发，成为导带的自 由电子，称为本征激发。 只有本征激发的半导体称为本征半导体。

intrinsic semiconductor

发光波长与带隙hc 6.626 10 343 10 8 Eg Eg (eV ) 1.6 10 19 1240 10 9 ( m) Eg (eV ) 1240 (nm) Eg (eV )760nm 550 380 1.63eV 2.25 3.26

例如：Si 在室温下，本征载流子浓度为1010/cm3, 掺入P (ND=1016/cm3) : Si的原子浓度为1022~1023/cm3

P的浓度/Si原子的浓度=10-6施主向导带提供的载流子

1016~1017/cm3>>本征载流子浓度

受主杂质 受主能级

以硅晶体中掺硼为例讨论Ⅲ族杂质的作用

受主杂质 受主能级

受主杂质 受主能级

受主杂质或p型杂质: Ⅲ族杂质,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。 受主电离：空穴挣脱受主杂质束缚的过程。 受主杂质未电离时是中性的，称为束缚态或中性态； 电离后成为负电中心，称为离化态。

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