半导体材料第5讲-硅、锗晶体中的杂质..ppt

半导体材料 关荣锋：rongfengg@163.com 第4章 硅、锗晶体中的杂质和缺陷 半导体材料中的杂质和缺陷对其性质具有重要的影响。半导体硅、锗器件的制做不仅要求硅、锗材料是具有一定晶向的单晶，而且还要求单晶具有一定的电学参数和晶体的完整性。 单晶的电学参数通常是采用掺杂的方法，即在单晶生长过程中加入一定量的杂质，并控制它们在晶体中的分布来解决。 本章结合硅、锗单晶生长的实际，介绍掺杂技术，然后介绍硅、锗单晶中缺陷的问题。 杂质能级 杂质对硅、锗电学性质的影响与杂质的类型和它们的能级在禁带中的位置等有关。 硅、锗中的杂质大致可分为两类：一类是周期表中Ⅲ族或V族杂质，它们的电离能低，对材料的电导率影响大，起受主或施主的作用。 另一类杂质是周期表中除Ⅲ族和V族以外的杂质，特别是I副族和过渡金属元素，它们的电离能大，对材料的导电性质影响较小，主要起复合中心或陷阱的作用。 杂质在硅、锗中的能级与它的原子构造，在晶格中所占的位置有关。 如Ⅲ族和V族杂质在锗中占替代式晶格位置，在它们与邻近的锗原子形成四个共价键时，缺少或剩余一个价电子。如它们电离，可接受或提供一个电子，即提供一个受主或施主能级。 Ⅱ族的Zn或Cd杂质原子进入锗中也居替代位置，因其价电子为2，在成键时它们可从邻近的锗原子接受两个电子，即提供两个受主能级，这两个能级在禁带中的位置是不同的，较低的受主能级是在中性的Zn或Cd原子上放上一个电子，而较高的受主能级则是在已具有一个负电荷的Zn或Cd离子上再放上一个电子。 I副族元素金则有三个受主能级和一个施主能级。这种多重能级的作用与温度及材料中存在的其他杂质的类型和浓度等有关系。 4.1.2 杂质对材料性能的影响 在世界上没有绝对纯的物质，纯只是相对的。因此在实际制备的半导体材料中，常共存着多种杂质，材料最终显现的电学性质则是它们共同作用的结果。 1．杂质对材料导电类型的影响 当材料中共存施主和受主杂质时，它们将相互发生补偿，材料的导电类型取决于占优势的杂质。例如，在锗、硅材料中，当Ⅲ族杂质元素在数量上占优势时，材料呈现P型，反之当V族元素占优势时则呈现N型。如材料中N型杂质和P型杂质的数量接近，它们相互补偿，结果材料将呈现弱N型或弱P型。 值得提出的是，一些离子半导体材料，如大多数Ⅱ一Ⅵ族化合物，晶体中的缺陷能级对半导体的导电类型可起支配作用，这将在第九章中加以介绍。 2．杂质对材料电阻率的影响 半导体材料的电阻率一方面与载流子密度有关，另一方面又与载流子的迁移率有关。 同样的掺杂浓度，载流子的迁移率越大，材料的电阻率越低。如果半导体中存在多种杂质，在通常情况下，会发生杂质补偿，可以其电阻率与杂质浓度的关系可近似表示为: 上两式表明，在有杂质补偿的情况下，电阻率主要由有效杂质浓度决定。但是总的杂质浓度NI=NA+ND也会对材料的电阻率产生影响，因为当杂质浓度很大时，杂质对载流子的散射作用会大大降低其迁移率。 例如，在硅中Ⅲ、V族杂质，当N1016cm-3时，对室温迁移率就有显著的影响，这时需要用实验方法(Hall法)来测定材料的电阻率与载流子浓度。 硅、锗晶体的掺杂 通过掺杂的方法来控制半导体材料的电学参数。 掺杂方式：在拉晶过程中掺杂，是将杂质与纯材料一起在坩埚里熔化或是向已熔化的材料中加入杂质，然后拉单晶。 影响单晶内杂质数量及分布的主要因素是： 原料中的杂质种类和含量 杂质的分凝效应 杂质的蒸发效应 生长过程中坩埚或系统内杂质的沾污 加入杂质量 　这些因素的大小随材料和拉晶工艺而变动，应针对问题具体分析。 直接硅单晶中杂质的掺入 一、掺杂量的计算 1、只考虑杂质分凝时的掺杂 直拉法生长晶体的过程，实际上是一个正常凝固的过程。如果材料很纯，材料的电阻率ρ与杂质浓度CS有如下关系： 　　　 ρ＝1/CSeμ　　（4－3）μ为电子（或空穴）迁移率 正常凝固的杂质分布为 　　　CS=kC0(1-g)k-1　　　　　　　　　　　　（4－4） 将4－3代入4－4式可算出在拉单晶时，拉出的单晶的某一位置g处的电阻率与原来杂质浓度的关系： 如果要拉w克锗，所需要加入的杂质量m为： 因为掺杂量一般较少，如用天平称量会有较大误差，所以除非拉制重掺杂的单晶，一般都不采用直接加入杂质的办法，而是把杂质与锗(硅)先做成合金，(称之为母合金)，拉单晶时再掺入，这样可以比较准确的控制掺杂量。 课本例2 有锗W(g)，拉制g处电阻率为ρ的单晶，应加入杂质浓度为Cm的母合金量为多少？ 　　（设原料锗中杂质量远小于