半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷(1)(已修改)
2025-05-28 20:52 本頁面
【正文】 半 導(dǎo) 體 物 理 (Semiconductor Physics) 主 講 ： 彭 新 村 信工樓 519室， 13687940615 Email: 東華理工機(jī)電學(xué)院 電子科學(xué)與技術(shù) 第二章 半導(dǎo)體中的缺陷和雜質(zhì) 硅 、 鍺晶體中的雜質(zhì)能級 Ⅲ Ⅴ 族化合物中特殊的雜質(zhì)能級 半導(dǎo)體中的缺陷和位錯 理想的半導(dǎo)體晶體 十分純凈 不含任何雜質(zhì) 晶格中的原子嚴(yán)格按周期排列 實際應(yīng)用中的 半導(dǎo)體材料 原子不是靜止在具有嚴(yán)格周期性晶格的格點位置上 ， 而是在其平衡位置附近 振動 半導(dǎo)體材料不純凈 ， 而是含有若干 雜質(zhì) ， 在半導(dǎo)體晶格中存在著與組成半導(dǎo)體元素不同的其他化學(xué)元素原子 實際半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)并不是完整無缺的 ， 而存在著各種形式的 缺陷 極其 微量 的雜質(zhì)和缺陷， 能夠?qū)Π雽?dǎo)體材料的物理性質(zhì) 和化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生 決定性 的影響 在硅晶體中 ， 若以 105個硅原子中摻入一個雜質(zhì)原子的比例摻入硼 (B)原子 ， 則硅晶體的導(dǎo)電率在室溫下將增加 103倍 。 用于生產(chǎn)一般硅平面器件的硅單晶 ， 位錯密度要求控制在 103cm2以下 ， 若位錯密度過高 ， 則不可能生產(chǎn)出性能良好的器件 。 (缺陷的一種 ) 例 1 例 2 理論分析認(rèn)為 由于雜質(zhì)和缺陷的存在，會使嚴(yán)格按周期排列的原子所產(chǎn)生的 周期性勢場受到破壞 ，有可能在 禁帶中引入 允許電子存在的能量狀態(tài)（即 能級 ），從而對半導(dǎo)體的性質(zhì)產(chǎn)生決定性的影響。 雜質(zhì)來源 一）制備半導(dǎo)體的原材料 純度不夠高 ； 二）半導(dǎo)體單晶制備過程中及器件制造過程中的 沾污 ； 三）為了半導(dǎo)體的性質(zhì)而 人為地?fù)饺?某種化學(xué)元素的原子。 硅 、 鍺晶體中的雜質(zhì)能級 替位式雜質(zhì) 間隙式雜質(zhì) 1 金剛石結(jié)構(gòu)的特點 原子只占晶胞體積的 34%，還有 66%是空隙，這些空隙通常稱為 間隙位置 。 雜質(zhì)的填充方式 一 ） 雜質(zhì)原子位于晶格 原子間的間隙位置 ， 間隙式雜質(zhì) /填充 ； 二 ） 雜質(zhì)原子取代晶格 原子而位于晶格格點處 ，替位式雜質(zhì) /填充 。 間隙式雜質(zhì) 替位式雜質(zhì) 兩種雜質(zhì)的特點 間隙式雜質(zhì) 原子半徑一般比較小 ，如鋰離子（ Li+）的半徑為 197。，所以鋰離子進(jìn)入硅、鍺、砷化鎵后以間隙式雜質(zhì)形式存在。 替位式雜質(zhì) 原子的半徑與被取代的晶格原子的半徑大小比較相近 ，且它們的 價電子殼層結(jié)構(gòu)也比較相近 。如硅、鍺是 Ⅳ 族元素，與Ⅲ 、 Ⅴ 族元素的情況比較相近，所以 Ⅲ 、 Ⅴ 族元素在硅、鍺晶體中都是替位式雜質(zhì)。 雜質(zhì)濃度 單位體積中的雜質(zhì)原子數(shù)，單位 cm3 替位式雜質(zhì) 間隙式雜質(zhì) 2 以硅中摻入磷 （ P） 為例 ， 研究Ⅴ 族元素雜質(zhì)的作用 。 當(dāng)一個磷原子 占據(jù) 了硅原子位置 ， 磷原子有五個價電子 ， 其中四個價電子與周圍四個硅原子形成共價鍵 ，還剩余一個價電子 。 磷原子成為一個帶有一個正電荷的磷離子（ P+） ， 稱為 正電中心磷離子 。其效果相當(dāng)于形成了 一個正電中心和一個多余的電子 。 施主雜質(zhì) 、
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