杂质缺陷-by石聪12121855课件.ppt

1、半半导导体体中的中的杂质杂质缺陷缺陷杂质缺陷石聪12121855.目目录录I. I.杂质杂质 杂质的分类 杂质在半导体中的分布 杂质原子的影响I. I.缺陷缺陷 杂质缺陷的分类及作用I. I.化合物半化合物半导导体中的体中的杂质杂质缺陷缺陷 III-V族化合物中的杂质 两性杂质 单极型半导体和双极型半导体.杂质杂质l杂质杂质：半半导导体中存在的体中存在的与与本体元素不同的其本体元素不同的其它它元素元素杂质来杂质来源源: : （1 1）有意）有意掺掺入入为为了控制半了控制半导导体的性体的性质质l （2 2）无意）无意掺掺入入原材料工原材料工艺艺上上纯纯度不度不够够, ,或沾或沾污污杂质杂质在半在

2、半导导体中的分布体中的分布状况状况 （1 1）替位式）替位式杂质杂质 （2 2）间间隙式隙式杂质杂质.杂质杂质在半在半导导体中的分布体中的分布A为间隙式杂质,位于晶格原子间的间隙位置的杂质.这种原子一般比较小,如离子锂半径为0.068nm,很小,在硅、锗、砷化镓中是间间隙式隙式杂质杂质。B为替位式杂质,取代晶格原子而位于晶格点处的杂质.这种原子的大小一般与被取代的晶格原子大小比较接近，而且要求它们的价电子壳层结构也比较接近。如III，V族元素在硅、锗晶体中是替位式替位式杂质杂质。杂质原子在Si晶体中的两种存在方式.杂质杂质原子的影原子的影响响(1)(1)杂质出现在半导体中时，产生的附加势场使严

3、格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：的周期性势场遭到破坏：(2)在禁带中引入允许电子具有的能量状态(即杂质能级)，从而对半导体性质产生决定性的影响杂质杂质能能级级E Et tEcEcEvEv(3)在纯净半导体中掺掺入施主或受主入施主或受主杂杂质质,杂质电离以后,导带中的导电载流子增多,增强了半增强了半导导体的体的导电导电能力能力。.杂质杂质的分的分类类l浅浅能能级杂质级杂质l浅能级杂质在半导体中起施主或受主的作用，主要通过提供载流子来改变半导体的特性l深能深能级杂质级杂质l深能级杂质能够产生多次电离，每一次电离相应地有一个能级。在硅、锗禁带中引入若干个能级。l对半

4、导体的导电电子浓度、导电空穴浓度和导电类型的影响没有浅能级杂质显著，但对载流子的复合作用比浅能级杂质强，故这些杂质也称为复合中心。E E D DE EA AEcEcEvEvE ED DE EA AE E D DE EA AE EA AE E D DEcEcEvEv.缺陷缺陷缺陷三维缺陷(体缺陷)包藏杂质沉淀空洞二维缺陷(面缺陷)小角晶粒间界孪晶界面堆垛层借一维缺陷(线缺陷)位错位错处的杂质原子零维缺陷(点缺陷)本征点缺陷错位缺陷空位自填隙原子杂质点缺陷间隙杂质原子替代杂质原子电子缺陷导带电子价带空穴杂质所带来的缺陷是零维缺陷种的一种，分为替位式替位式杂杂质质 和和间间隙式隙式杂质杂质缺陷的分类

5、.化合物半化合物半导导体中的体中的杂质杂质III-V族化合物：IIIA族元素硼、铝、镓等和VA族元素氮、磷、砷等组成的二元化合物，成分化学比都是1：1。结晶成闪锌矿型结构。例如，GaAsI、II族元素，一般在砷化镓中引入受主能级，起受主作用。 族杂质在-族化合物中是两性掺杂剂：取代族原子起施主作用；取代族原子则起受主作用。导带中电子浓度随硅杂质浓度的增加而增加，当硅杂质浓度增加到一定程度时趋于饱和。硅先取代Ga原子起施主作用，随着硅浓度的增加，硅取代As原子起受主作用。GaAsGaAs电电子子浓浓度和硅度和硅杂质浓杂质浓度的度的关关系系.III-VIII-V族化合物中的族化合物中的杂质杂质掺族

6、元素 ，一般起受主作用。 族元素为受主杂质 铍、镁、锌、镉取代族原子而处于晶格格点上，引入浅受主能级 族杂质在-族化合物中是两性掺杂剂族元素取代族原子，引入施主能级 族元素氧、硫、硒、碲比族元素多一个价电子而且容易失去，所以表现为施主杂质。掺过渡族元素，制备高电阻率的半绝缘GaAs族的B、Al 取代Ga, 族的P，锑取代As既不是施主也不是受主杂质。.等等电电子子杂质杂质l等等电电子子杂质杂质: : 与与基基质质晶体原子具有同晶体原子具有同数数量价量价电电子的子的杂质杂质原子原子 特征：特征：a a、与与本征元素同族但不同原子序本征元素同族但不同原子序数数. .例：例：GaP(GaP(磷化磷化

7、镓镓) )中中掺掺入入族的族的N N或或Bi Bi b b、以替位形式存在于晶体中，基本上是、以替位形式存在于晶体中，基本上是电电中性。中性。l等等电电子陷子陷阱阱：等等电电子子杂质杂质（如（如N N或或BiBi）占据本征原子位置（如）占据本征原子位置（如GaPGaP中的中的P P位置）后，由于位置）后，由于与与本征原本征原子序子序数数不同不同, ,共价半共价半径径和和电负电负性有差性有差别别, , 存在着由核心力引起的短程作用力，存在着由核心力引起的短程作用力，它们它们可以吸引一可以吸引一个导个导带电带电子（空穴）而子（空穴）而变变成成负负（正）离子，前者就是（正）离子，前者就是电电子陷子陷

8、阱阱，后者就是，后者就是空穴陷空穴陷阱阱。只有只有当掺当掺入原子入原子与与基基质质晶体原子在晶体原子在电负电负性、共价半性、共价半径径方面具有方面具有较较大差大差别时别时，才能形成等，才能形成等电电子陷子陷阱阱。例如，在GaP中，V族杂质N 可取代P而成为束缚一个电子的陷阱，V族杂质Bi也可取代P而成为束缚一个空穴的陷阱，这种陷阱都称为等电子陷阱，相应的杂质都称为等电子杂质。 .等等电电子子杂质杂质l一般，同族元素原子序数越小，电负性越大，共价半径越小。l等电子杂质电负性大于基质晶体原子电负性时，取代后，它便能俘获电子成为负电中心。反之，它能俘获空穴成为正电中心。l例如： N在GaP中：NP负

9、电中心。N的共价半径和电负性分别为0.07nm和3.0,P的共价半径和电负性分别为0.17nm和2.1 Bi在GaP中：BiP正电中心。Bi的共价半径和电负性分别为0.146nm和1.9.两两性性杂质杂质l在化合物半在化合物半导导体中，某体中，某种种杂质杂质在其中在其中既既可以作施主可以作施主又可以作受主，又可以作受主，这种杂质这种杂质称为称为两性杂质两性杂质。l所掺入的杂质具体是起施主还是受主与工艺有关。 Si Si GaGa施主施主受主受主SiSiAsAs例：例：GaAsGaAs （ -族化合物）中族化合物）中掺掺SiSi（族）族）SiSi既既可以替代可以替代GaGa位成位成为为施主，也可

10、以施主，也可以替代替代AsAs位而成位而成为为受主受主 .双极双极性和性和单极单极性半性半导导体体l双极性半导体 ： 通过适当的加工工艺过程，既可以成为n型半导体，也可以成为型半导体，也可以成为p 型半导的材料l常见的双极性半导体：Si, Ge, III-V 族化合物半导体，PhS, PbSe,PbTe, SiC, Tl2S, U3O4 , UO2 等。 l单极性半导体 ： 一般只能加工成n 型或p型一种，而不能实现两种导电类型的半导体材料。主要是n 型的单极性半导体：TiO2 , V2 O5 , CdS, CdSe, HgS , Hg2S, CdO, ZnO, Ag2S, Cs2 S, WO3, Al2O3 等；主要是p 型的单极性半导体：Cu2O,Ag2O, Cu2S, Sb2S3, TeSe,HgO, MnO, CoO, NiO, SnO 等；THE ENDTHE END