1、實際半導體晶格偏離理想情況實際半導體晶格偏離理想情況 雜質雜質 缺陷缺陷 原子在平衡位置附近振動原子在平衡位置附近振動 雜質和缺陷雜質和缺陷 原子的周期性勢場受到破壞原子的周期性勢場受到破壞 在禁帶中引入能級在禁帶中引入能級 決定半導體的物理和化學性質決定半導體的物理和化學性質 淺能級雜質：能級接近導 帶底 Ec 或價帶頂 Ev； 深能級雜質：能級遠離導 帶底 Ec 或價帶頂 Ev。 缺陷缺陷 點缺陷，如空位、間隙原子等 線缺陷，如位錯等 面缺陷，如層錯、晶粒間界等 Si：r =0.117nm Li：r =0.068nm P：r =0.11nm (2)替位式雜質替位式雜質：雜質占據格點的位置。

2、 =Si = Si = Si = =Si = P+ = Si = =Si = Si = Si = SiP Li = Si = Si = Si = = Si Si = = Si = Si = Si = A B A B B A A A A B A B 化合物半導體: A、B 兩種原子組成 B A = Si = Si = Si = = Si = P + = Si = = Si = Si = Si = 正電中心正電中心 氫原子中的電子的運動軌道半徑為： 2 2 2 n qm h r o o H Si 中受正電中心 P +束縛的電子的運動軌道半 徑： 埃651 4 . 0 12 2 2 qm h r o

3、 o 12)( Sir 2 2 *2 ( ) rSio e h rn mq 0 * 1 . 0 mme Si P 對于對于Si中的中的P原子，原子， 剩余電子的運動剩余電子的運動 半徑：半徑：r 65 Si的晶格常數為的晶格常數為 5.4 對于Ge中的P 原子，r 85 P原子中這個多余的電子的運動半徑遠原子中這個多余的電子的運動半徑遠 遠大于其余四個電子，所受到的束縛遠大于其余四個電子，所受到的束縛 最小，極易擺脫束縛成為自由電子。最小，極易擺脫束縛成為自由電子。 施主雜質施主雜質: 施主雜質具有提供電子的能力。施主雜質具有提供電子的能力。 對氫原子對氫原子 氫原子中電子的能量氫原子中電子的

4、能量 222 0 4 0 8nh qm En eV6 .13 8 2 2 4 h qm E o o H 氫原子中的電子的電離能為： 1 EEE 電子從穩定的基態到電離態所需 要的能量就是電子的電離能E： 設設 施主雜質能級為施主雜質能級為ED 施主雜質的電離能施主雜質的電離能ED：即弱束縛的電子即弱束縛的電子 擺脫束縛成為晶格中自由運動的電子（導擺脫束縛成為晶格中自由運動的電子（導 帶中的電子）所需要的能量。帶中的電子）所需要的能量。 施主的電離能施主的電離能 EC ED Eg EV DC H r e r e r e D EE E m m h qm m m h qm E 2 0 * 22 0

5、4 0 2 0 * 22 0 2 4* 1 8 1 8 對于Si、Ge摻P * 00 0.26,0.12 eSieGe mmmm= 100,16,12 2 rrGerSi Ec Ev 施主能級靠近導帶底部施主能級靠近導帶底部 ED DCD EEE eVeV GeD,SD, 064. 0,04. 0EE i 施主雜質的電離能小，施主雜質的電離能小， 在常溫下基本上電離。在常溫下基本上電離。 價帶價帶 導帶導帶 （1）在）在 Si 中摻入中摻入 B 2.元素半導體中元素半導體中A族替位雜質的能級族替位雜質的能級 B 獲得一個電子獲得一個電子 變成負離子，成變成負離子，成 為為負電中心負電中心，周，

6、周 圍產生帶正電的圍產生帶正電的 空穴。空穴。 B B 受主雜質具有得到電子的性質，受主雜質具有得到電子的性質， 向價帶提供空穴。向價帶提供空穴。 電離的結果：電離的結果：價帶中的空穴數增加了， 這即是摻受主的意義摻受主的意義所在。 H r o P A E m m E 2 * 1 VAA EEE Ec Ev EA 受主能級靠近價帶頂部受主能級靠近價帶頂部 (2)受主電離能和受主能級受主電離能和受主能級 oP mm1 . 005. 0 * 受主能級受主能級EA 受主雜質的電離能受主雜質的電離能 小，在常溫下基本小，在常溫下基本 上為價帶電離的電上為價帶電離的電 子所占據（空穴由子所占據（空穴由

7、受主能級向價帶激受主能級向價帶激 發）。發）。 雜質電離或雜質激發：雜質電離或雜質激發： 雜質向導帶和價帶提供電子和空穴雜質向導帶和價帶提供電子和空穴 的過程（電子從施主能級向導帶的躍遷的過程（電子從施主能級向導帶的躍遷 或空穴從受主能級向價帶的躍遷）。或空穴從受主能級向價帶的躍遷）。 本征激發：本征激發： 電子從價帶直接向導帶激發，成為電子從價帶直接向導帶激發，成為 導帶的自由電子，這種激發稱為導帶的自由電子，這種激發稱為。 只有本征激發的半導體稱為只有本征激發的半導體稱為本征半導體本征半導體。 所需要的能量稱為所需要的能量稱為雜質的電離能雜質的電離能。 P 的濃度/Si 原子的濃度=10

8、-6 Si 的原子濃度為 10 221023/cm3 稱稱電子為多數載流子電子為多數載流子，簡稱，簡稱多子多子，空穴空穴 為少數載流子為少數載流子，簡稱，簡稱少子少子。 摻施主的半導體的導帶電子數主要由摻施主的半導體的導帶電子數主要由 施主決定，半導體導電的載流子主要是電施主決定，半導體導電的載流子主要是電 子（電子數子（電子數空穴數），對應的半導體稱空穴數），對應的半導體稱 為為N型半導體型半導體。 空穴為多子，電子為少子。空穴為多子，電子為少子。 摻受主的半導體的價帶空穴數由受摻受主的半導體的價帶空穴數由受 主決定，半導體導電的載流子主要是空主決定，半導體導電的載流子主要是空 穴（空穴數穴

9、（空穴數電子數），對應的半導體電子數），對應的半導體 稱為稱為P型半導體型半導體。 3. 雜質的補償作用雜質的補償作用 (1) NDNA 半導體中同時存在施主和受主雜質，半導體中同時存在施主和受主雜質， 施主和受主之間有互相抵消的作用施主和受主之間有互相抵消的作用 此時為此時為n型半導體型半導體 n=ND-NA Ec ED 電離施主 電離受主 Ev EA (2) NDNA Ec ED EA Ev 電離施主 電離受主 此時為此時為p型半導體型半導體 p=NA- ND (3) NDNA 雜質的高度補償雜質的高度補償 不能向導帶和價不能向導帶和價 帶提供電子和空穴帶提供電子和空穴 4 4. .元元素

10、素半半導導體體中中的的缺缺陷陷 ( (1 1) )空空位位 = Si = Si = Si = = Si Si = = Si = Si = Si = (2) 間隙間隙 Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si 間隙原子缺陷起施主作用間隙原子缺陷起施主作用 ( (1 1) )雜雜質質 = G a - = A s + = G a - = = A s + = G a - = A s + = = G a - = A s + = G a - = 1. 族化合物半導體中的雜質和缺陷族化合物半導體中的雜質和缺陷 三、三、 化合物半導體中的雜質和缺陷化合物半導體中的雜質和缺陷 施主雜質施主雜質

11、 族元素族元素(Se、S、Te) 在在 GaAs 中通常中通常 都替代都替代族元素族元素As原子的晶格位置。原子的晶格位置。 族雜質在族雜質在GaAs中一般起施主作用，為中一般起施主作用，為 淺施主雜質淺施主雜質。 受主雜質受主雜質 族元素（族元素（Zn、Be、Mg、Cd、Hg） 在在GaAs中通常都取代中通常都取代族元素族元素 Ga 原子的晶格位置。原子的晶格位置。 族元素雜質在族元素雜質在 GaAs 中通常起受主作用，中通常起受主作用， 均為均為淺受主雜質淺受主雜質。 中性雜質中性雜質 族元素（族元素（B、Al、In）和）和族元族元 素（素（P、Sb）在）在 GaAs 中通常分別中通常分別

12、 替代替代 Ga 和和 As，由于雜質在晶格位，由于雜質在晶格位 置上并不改變原有的價電子數，因置上并不改變原有的價電子數，因 此既不給出電子也不俘獲電子而呈此既不給出電子也不俘獲電子而呈 電中性，對電中性，對 GaAs 的電學性質沒有的電學性質沒有 明顯影響。明顯影響。 在禁帶中不引入能級在禁帶中不引入能級 兩性雜質兩性雜質 族元素雜質（族元素雜質（Si、Ge、Sn、Pb）在）在 GaAs 中的作用比較復雜，可以取代中的作用比較復雜，可以取代族族 的的 Ga，也可以取代，也可以取代族的族的 As，甚至可以，甚至可以 同時取代兩者。同時取代兩者。 族雜質不僅可以起施主作用和受主作用，族雜質不僅

13、可以起施主作用和受主作用， 還可以起還可以起中性雜質中性雜質作用。作用。 在摻在摻 Si 濃度小于濃度小于 11018 cm-3 時，時，Si 全部全部 取代取代 Ga 位而起施主作用，這時摻位而起施主作用，這時摻 Si 濃度濃度 和電子濃度一致；和電子濃度一致； 例如：例如： 而在摻而在摻 Si 濃度大于濃度大于 1018 cm-3 時，部分時，部分 Si 原子開始取代原子開始取代 As 位，出現補償作用，使位，出現補償作用，使 電子濃度逐漸偏低。電子濃度逐漸偏低。 （2）GaAs 晶體中的點缺陷晶體中的點缺陷 當當 T 0 K 時：時： 空位空位 VGa、VAs 間隙原子間隙原子 GaI、

14、AsI 反結構缺陷反結構缺陷 Ga原子占據原子占據 As 空位，或空位，或 As 原子占據原子占據 Ga 空空 位，記為位，記為 GaAs和和 AsGa。 化合物晶體中的各類點缺陷可以電離，化合物晶體中的各類點缺陷可以電離， 釋放出電子或空穴，從而影響材料的釋放出電子或空穴，從而影響材料的 電學性質。電學性質。 當 Ga 的位置被 As 取代后，多出一個電 子，相當于施主； 實際晶體中，由于各種缺陷形成時所需實際晶體中，由于各種缺陷形成時所需 要的能量不同，他們濃度會有很大差別。要的能量不同，他們濃度會有很大差別。 GaAs 曾認為曾認為VAs、VGa是比較重要的。是比較重要的。 最近發現，主

15、要缺陷是最近發現，主要缺陷是VAs、AsI。 VGa、VAs、AsI 是起施主還是起受主作用，是起施主還是起受主作用， 尚有分歧。尚有分歧。 較多的人則采用較多的人則采用 VAs、AsI 為施主、為施主、VGa 是受主的觀點來解釋各種實驗結果。是受主的觀點來解釋各種實驗結果。 2.2.族化合物半導體的雜族化合物半導體的雜 質和缺陷質和缺陷 （2）- 族化合物半導體中的缺陷族化合物半導體中的缺陷 其導電類型主要是由它們自身結構的缺其導電類型主要是由它們自身結構的缺 陷（間隙離子或空格點）所決定，這類陷（間隙離子或空格點）所決定，這類 缺陷在半導體中常起施主或受主作用。缺陷在半導體中常起施主或受主

16、作用。 主要是離子鍵起作用，正負離子相間排主要是離子鍵起作用，正負離子相間排 列組成了非常穩定的結構，所以外界雜列組成了非常穩定的結構，所以外界雜 質對它們性能的影響不顯著。質對它們性能的影響不顯著。 -負離子 +正離子 -+-+- +-+-+ -+-+- +-+-+ a.負離負離 子空位子空位 產產 生生 正正 電電 中中 心，心， 起起 施施 主主 作作 用用 電負性 小 b.正離正離 子填隙子填隙 產產 生生 正正 電電 中中 心，心， 起起 施施 主主 作作 用用 c.正離正離 子空位子空位 產產 生生 負負 電電 中中 心，心， 起起 受受 主主 作作 用用 電負性 大 d.負離負離 子填隙子填隙 產產 生生 負負 電電 中中 心，心， 起起 受受 主主 作作 用用 負離子空位負離子空位 產生正電中心，起施主作用產生正電中心，起施主作用 正離子填隙正離子填隙 正離子空位正離子空位 負離子填隙負離子填隙 產生負電中心，起受主作用產生負電中心，起受主作用 Ge Ge Au Ge Ge Ec Ev ED Ec Ev ED EA1 Ec Ev ED EA1 EA2 EA3 深能級一般作為復合中心深能級一