半导体物理_02半导体中的缺陷和杂质课件.ppt

在Ⅲ-Ⅴ族化合物中，除了热振动因素形成空位和间隙原子外，由于成分偏离正常的化学比，也形成点缺陷。 例如，在砷化镓中，由于热振动可以使镓原子离开晶格格点形成镓空位和镓间隙原子；也可以使砷原子离开格点形成砷空位和砷间隙原子。 另外，由于砷化镓中镓偏多或砷偏多，也能形成砷空位或镓空位。 替位原子/反结构缺陷 比如，二元化合物AB中，替位原子可以有两种，A取代B或B取代A，一般认为AB是受主，BA是施主。 例如，在砷化镓中，砷取代镓后为AsGa起施主作用，而镓取代砷后为GaAs起受主作用。 化合物半导体中，存在的另一种点缺陷 位错 位错也是半导体中的一种缺陷，它对半导体材料和器件的性能也会产生很大的影响。 在硅、锗晶体中位错的情况相当复杂。由位错引入禁带的能级也十分复杂。 根据实验测得，位错能级都是深受主能级。当位错密度较高时，由于它和杂质的补偿作用，能使含有浅施主杂质的N型硅、锗中的载流子浓度降低，而对P型硅、锗却没有这种影响。 第二章重要知识点 施主杂质、受主杂质的概念和特点 n型和p型半导体的概念和特点 杂质补偿的概念、应用和缺点 深能级杂质的概念、作用 三五族半导体中的特殊杂质的性质 半 导 体 物 理 (Semiconductor Physics) 第二章 半导体中的缺陷和杂质 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 2.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物中特殊的杂质能级 2.3 半导体中的缺陷和位错 理想的半导体晶体 十分纯净 不含任何杂质 晶格中的原子严格按周期排列 实际应用中的 半导体材料 原子不是静止在具有严格周期性晶格的格点位置上，而是在其平衡位置附近振动 半导体材料不纯净，而是含有若干杂质，在半导体晶格中存在着与组成半导体元素不同的其他化学元素原子 实际半导体的晶格结构并不是完整无缺的，而存在着各种形式的缺陷 极其微量的杂质和缺陷， 能够对半导体材料的物理性质 和化学性质产生决定性的影响 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(B)原子，则硅晶体的导电率在室温下将增加103倍。 用于生产一般硅平面器件的硅单晶，位错密度要求控制在103cm-2以下，若位错密度过高，则不可能生产出性能良好的器件。(缺陷的一种) 例1 例2 理论分析认为 由于杂质和缺陷的存在，会使严格按周期排列的原子所产生的周期性势场受到破坏，有可能在禁带中引入允许电子存在的能量状态（即能级），从而对半导体的性质产生决定性的影响。 杂质来源 一）制备半导体的原材料纯度不够高； 二）半导体单晶制备过程中及器件制造过程中的沾污； 三）为了半导体的性质而人为地掺入某种化学元素的原子。 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 2.1.1 替位式杂质 间隙式杂质1 金刚石结构的特点 原子只占晶胞体积的34%，还有66%是空隙，这些空隙通常称为间隙位置。 杂质的填充方式 一）杂质原子位于晶格 原子间的间隙位置， 间隙式杂质/填充； 二）杂质原子取代晶格 原子而位于晶格格点处，替位式杂质/填充。 间隙式杂质 替位式杂质 两种杂质的特点 间隙式杂质 原子半径一般比较小，如锂离子（Li+）的半径为0.68 ?，所以锂离子进入硅、锗、砷化镓后以间隙式杂质形式存在。 替位式杂质 原子的半径与被取代的晶格原子的半径大小比较相近，且它们的价电子壳层结构也比较相近。如硅、锗是Ⅳ族元素，与Ⅲ、Ⅴ族元素的情况比较相近，所以Ⅲ、Ⅴ族元素在硅、锗晶体中都是替位式杂质。 杂质浓度 单位体积中的杂质原子数，单位cm-3 2.1.1 替位式杂质 间隙式杂质2 以硅中掺入磷（P）为例，研究Ⅴ族元素杂质的作用。当一个磷原子占据了硅原子位置，如图所示，磷原子有五个价电子，其中四个价电子与周围四个硅原子形成共价键，还剩余一个价电子。磷原子成为一个带有一个正电荷的磷离子（P+），称为正电中心磷离子。其效果相当于形成了一个正电中心和一个多余的电子。 2.1.2 施主杂质、施主能级1 多余的电子束缚在正电中心周围，但这种束缚作用比共价键的束缚作用弱得多，只要很小的能量就可以使多余电子挣脱束缚，成为自由电子在晶格中运动，起到导电的作用。这时磷原子就成了一个少了一个价电子的磷离子，它是一个不能移动的正电中心。 多余电子脱离杂质原子成为导电电子的过程称为杂质电离。使这个多余电子挣脱束缚成为导电电子所需要的能量称为杂质电离能，用ΔED表示。 实验测得，Ⅴ族元素原子在硅、锗中的电离能很小(即多余电子很容易挣脱原子的束缚成为导电电子)，在硅中电离能约为0.04~0.05eV，在锗中电离能约为0.01eV，比硅、锗的禁带宽度小得多。 2.1.2 施主杂质、施主能级2 Ⅴ族元素杂质在硅、锗中电离时，能够施放电子而 产生导电电子并形成正