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缺陷、位错能级

半导体中杂质和缺陷能级. 硅、锗晶体中的杂质能级. 缺陷、位错能级. 1 、硅、锗半导体中的杂质能级. 理想 Si 单晶的热激发载流子浓度： 1.5×10 10 /cm 3 实际情况 ： 10 14 / cm 3 以上 理想 GaN 单晶： 5×10 7 /cm3 实际情况： 5×10 15 /cm3 * 没有绝对完美的半导体晶体，晶体中总是存在着杂质和缺陷， 对材料和器件性能产生很大影响。 从能带理论来看，是由于杂质或缺陷的存在，在导带和价带之 间的禁带中引入了允许电子存在的能级。. 1 、硅、锗半导体中的杂质能级.

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Presentation Transcript

  1. 半导体中杂质和缺陷能级 • 硅、锗晶体中的杂质能级 • 缺陷、位错能级

  2. 1、硅、锗半导体中的杂质能级 理想Si单晶的热激发载流子浓度：1.5×1010/cm3 实际情况 ：1014/ cm3以上 理想GaN单晶：5×107/cm3 实际情况： 5×1015/cm3 * 没有绝对完美的半导体晶体，晶体中总是存在着杂质和缺陷， 对材料和器件性能产生很大影响。 从能带理论来看，是由于杂质或缺陷的存在，在导带和价带之 间的禁带中引入了允许电子存在的能级。

  3. 1、硅、锗半导体中的杂质能级 (1) 替位式杂质和间隙式杂质 • 晶体中原子所占体积比： • Si：金刚石结构，晶胞中有8个Si原子，所占的体积为： • Si原子所占体积：8×（4/3 × πr3） • 原子所占体积比： Si原子所占体积/晶胞体积=0.34 • 晶胞中0.66是空隙 • 替位式杂质：杂质原子取代位于晶格的原子。 • 间隙式杂质：杂质原子位于晶格原子的间隙。 • 间隙式杂质一般较小，替位式杂质大小与 • 晶格原子接近。 • 杂质浓度：每单位体积中的杂质原子浓度， • /cm3。

  4. 1、硅、锗半导体中的杂质能级 (2) 施主杂质和施主能级 施主杂质：容易释放出自由电子并形成正电中心的杂质。 施主电离：价电子脱离施主杂质的束缚成为自由电子的过程。 没有离化前是电中性的，束缚态或中性态 离化后带正电：称为离化态，正电中心。 施主电离能ΔED：使价电子脱离施主杂质 的束缚成为导电电子所需要的能量。 ΔED远小于Eg，施主能级位于离导带底很 近的禁带中。 n型半导体：主要依靠导带 电子导电的半导体。 施主杂质：n型杂质

  5. 1、硅、锗半导体中的杂质能级 (3) 受主杂质和受主能级 • 受主杂质：容易接受电子而产生导电空穴的杂质。 • 受主电离：空穴脱离受主杂质成为导电空穴的过程。 • 受主没有电离前是电中性的，电离后成为负电中心 。 • 受主电离能ΔEA：使空穴挣脱受主杂质的束缚成为导电空穴所需要的能量ΔEA远小于Eg ，受主能级处于离价带很近的禁带中。 • p型半导体：主要依靠自由空穴导电的半导体。 • 受主杂质：p型杂质

  6. 1、硅、锗半导体中的杂质能级 (4) 浅能级杂质电离能的简单计算：可用类氢模型估算 氢原子中电子能量En为： 基态能量： E∞=0 电离能：E0=E∞-E1= 施主杂质电离能： 受主杂质电离能： εr： Ge：16，Si：12， Ge：ΔED=0.05 mn*/m0， mn*/m0小于1， ΔED小于0.05eV Si：ΔED=0.1 mp*/m0， ΔED小于0.1eV.

  7. 1、硅、锗半导体中的杂质能级 (5)深能级杂质： • 深能级杂质：距离导带或价带较远的杂质。 • 由于电离能大，对半导体的导电性影响远不如浅能级杂质。但可起复合中心或陷阱中心作用。 金在锗中的能级

  8. 2、半导体中的缺陷和缺陷能级 (1) 点缺陷的产生 点缺陷的产生：晶格原子的振动。包括间隙原子、空位，晶体中的原子平均动能=3/2kT。 (2) 平衡状态下的缺陷 空位浓度= Ni：单位体积内格点的数目； E1:形成空位所需要的能量 间隙原子浓度= Ni：单位体积内间隙的数目 E2:形成间隙原子所需要的能量 K：波尔兹曼常数，8.62×10-5电子伏特/度， 300K：kT=0.026eV=26meV 空位和间隙原子是温度和形成能有关，形成能越低，空位或间隙原子越多。空位或间隙原子浓度随温度指数上升。

  9. 2、半导体中的缺陷和缺陷能级 (3) 过饱和缺陷的产生 过饱和缺陷的产生：晶体中的缺陷浓度明显超过平衡值。高温淬火，辐照，冷加工。 (4) 点缺陷在晶体中的行为 （1）空穴和间隙原子的迁移。 有利于原子的扩散； 产生缺陷的聚集（空位片） （2）空位和间隙原子的作用较为复杂。 可起施主或受主作用，或散射中心、复合中心、陷阱中心。

  10. 2、半导体中的缺陷和缺陷能级 位错：线性缺陷，一般存在，伴随着单晶和器件制备工艺的每个环节。 (1) 刃位错 刃位错：晶体中有多余的半原子面而产生的缺陷。可看成是由于晶体在某一个晶面上发生滑移，把一个半原子面挤入晶格中间，滑移方向与位错线垂直。

  11. 2、半导体中的缺陷和缺陷能级 (2) 螺位错 螺位错：局部滑移方向沿与位错平行的方向移动一个原子间距。位错周围的原子呈螺旋状分布。

  12. 2、半导体中的缺陷和缺陷能级 (3)混合型位错

  13. 2、半导体中的缺陷和缺陷能级 (4)位错的运动 通过一定手段可使位错运动到表面（边界），位错数目减少。 (5)位错的作用 为施主或受主，散射中心，复合中心、陷阱中心。 (5)位错密度和浓度 晶体表面单位面积内位错露头的数目。 单位/cm2 受主或施主浓度计算： 位错密度=103/cm2=103cm/cm3， 原子间距为埃量级，1埃=10-8cm， 位错施主或受主的浓度=103/10-8=1011/cm3

  14. 2、半导体中的缺陷和缺陷能级 (6)位错引起能带的变化 ΔV：晶体体积改变量； εc、 εV：形变常数，单位体积变化引起的EC和EV变化。 (7)位错和点缺陷的相互作用 • 位错可以吸收或产生空位。单晶制备过程中有助于防止空位的过饱和，避免产生微缺陷。 • 杂质沿位错的扩散加剧。位错具有把杂质原子吸附到自己周围的作用，降低体系能量。

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