半导体中的杂质和缺陷汇总
半导体缺陷类型
半导体缺陷类型
半导体缺陷类型主要包括以下几种：
1.位错：位错是晶体材料中常见的缺陷，它会导致材料的力学性能和电学性能受到影响。
2.杂质条纹：杂质条纹是半导体材料中常见的缺陷，它是由杂质原子在晶体中形成的周期性排列。
3.凹坑：凹坑是晶体表面上的一种缺陷，它通常是由于表面重构或离子注入引起的。
4.空洞：空洞是晶体中一种常见的缺陷，它通常是由于热处理或离子注入过程中引起的。
5.孪晶：孪晶是晶体中一种特殊的缺陷，它是由两个或多个晶体部分以特定的方式排列而形成的。
6.嵌晶：嵌晶是另一种晶体缺陷，它通常是由于杂质原子或结构单元在晶体中形成的。
7.化学抛光：化学抛光是一种通过化学反应来改善晶体表面的方法，但它有时会导致表面缺陷的产生。
8.多晶：多晶是一种特殊的晶体结构，它由多个取向不同的晶粒组成，这使得它的物理和化学性质不同于单晶。
以上只是半导体缺陷的一部分类型，具体类型和产生原因可能会因材料种类和制造过程的不同而有所差异。
第二章半导体中的杂质和缺陷
○- ●+ ○- ●+ ○-
●+ ○- ●+ ○- ●+
a.负离 子空位
○-
●+
○-
●+
○-
●+
○-
电负性
小
●+
●+ -
○-
●+
●原子失去电子后
○-
●+
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○-
●+
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○-
●+
●+
○-
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●+
○-
○-
●+
●+
○-
○-
●+
●+
○-
○-
1. Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体中的杂质和缺陷
(1)杂质
理想的 GaAs 晶格为
= Ga‖
= As+ ‖
= Ga‖
= As+ ‖
= Ga‖
= As+ ‖
= Ga- = ‖
= As+ = ‖
= Ga- = ‖
●施主杂质
Ⅵ族元素(Se、S、Te) 在 GaAs 中通常 都替代Ⅴ族元素As原子的晶格位置。
Ⅵ 族 杂 质 在 GaAs 中 一 般 起 施 主 作 用 ， 为浅施主杂质。
VGa、VAs、AsI 是起施主还是起受主作用， 尚有分歧。 较多的人则采用 VAs、AsI 为施主、VGa 是受主的观点来解释各种实验结果。
2.Ⅱ－Ⅵ族化合物半导体的杂 质和缺陷
Ⅱ－Ⅵ族化合物半导体是 典型的离子键化合物。
第二章半导体中的杂质和缺陷
Ec EA3
EA2
EA1
ED
Ev
EA3=EC－0.04eV
§2.1.6 深能级杂质
三个基本特点：
一、是不容易电离，对载流子浓度影响不大； 二、一般会产生多重能级，甚至既产生施主能级也产生
受主能级。 三、能起到复合中心作用，使少数载流子寿命降低（在
第五章详细讨论）。 四、深能级杂质电离后为带电中心，对载流子起散射作
ED
Ev
§2.1.6 深能级杂质
2，Au获得一个电子－－－受主 Au0 ＋e＝ Au-
Ec
EA1= EV + 0.15eV
EA1
ED
Ev
§2.1.6 深能级杂质
3，Au获得第二个电子 Au- ＋e＝ Au--
Ec
EA2
EA1
ED
Ev
EA2=EC－0.2eV
§2.1.6 深能级杂质
4，Au获得第三个电子 Au-- ＋e＝ Au---
第二章 半导体中杂质和缺陷能级
实际材料中 总是有杂质、缺陷，使周期场破坏，在杂质或
缺陷周围引起局部性的量子态——对应的能级常 常处在禁带中，对半导体的性质起着决定性的影 响。
杂质能级位于禁带之中
Ec
杂质能级
Ev
杂质和缺陷 原子的周期性势场受到破坏
在禁带中引入能级 决定半导体的物理和化学性质
§2.1.2 施主杂质 施主能级
Si、Ge中Ⅴ族杂质的电离能△ED（eV）
晶
杂
质
体
P
As
Sb
Si 0.044 0.049
0.039
Ge 0.0126 0.0127 0.0096
§2.1.3 受主杂质 受主能级
半导体中的杂质能级和缺陷能级
ε 0ε r h m = ε r ∗ a0 a= ∗ 2 π mn e mn
2
8
杂质补偿作用
Ec ED Ec
Ev (a)
a.
(b)
EA Ev
N D > N A 施主杂质的电子首先跃迁到受主能
b.
级，剩余的才向导带跃迁； N A > N D 受主杂质上的空位首先接受来自施主 杂质的电子，剩余的向价带释放空穴。
4
受主杂质和受主能级
Ec Eg
∆E A
EA Ev
n
n n n
硼原子这种能够向价带夺取电子的杂质称为受主杂质（p型 杂质）。 被受主杂质束缚的空穴的能量状态称为受主能级。 受主杂质向价带释放空穴的过程称为受主电离； 杂质能级上的电子挣脱杂质原子束缚所需要的最小能量成为 电离能，用 ∆E A 表示。 ∆E A = E A − EV
5
电离能的计算——类氢模型
n
浅能级：在硅和锗中的Ⅲ族和Ⅴ族杂质，它们作
为受主和施主的电离能和禁带宽度相比非常小的，这 些杂质形成的能级，在禁带中很靠近价带顶或导带 底，称这样的杂质能级浅能级。
n
类氢模型：以参入硅中的磷原子为例，磷原子比
周围的硅原子多一个电子电荷的正电中心和一个束缚 着的价电子，相当于在硅晶体上附加了一个“氢原 子”，所以可以用氢原子模型估计 的数值。 ∆ED
18
习题
n
P48，7，8题。
19
13
Ⅲ—Ⅴ族化合物半导体中的杂质
n
Ⅱ 族元素可代替Ⅲ族元素镓成为受主杂质，Ⅵ 族
元素可代替Ⅴ族元素砷成为施主杂质。 Ⅳ 族元素如硅、锗，既可以代替镓成为施主杂质，也 可以代替砷成为受主杂质。这种杂质称为双性杂质。 当Ⅲ 族杂质（如硼、铝）和Ⅴ族杂质（如磷、锑）掺 入砷化镓时，它们将取代同族原子而形成既非施主也 非受主的中性杂质。通常称为等电子杂质。
半导体器件物理1
（2）价带中的空穴浓度 在热平衡状态下，非简并半导体价带中的空穴浓度 p 为：
E v EF p N v exp( ) kBT
① 式中 N v 2
* (2 π mp k BT )3/2
h3
，为价带的有效状态密度，
显然有 N v T 3 / 2 ，是温度的函数。
②
Ev EF f ( Ev ) exp( ) kBT
是玻尔兹曼分布，表示空穴占
据能量为 Ev 的量子态的概率。
③ 上式可理解为把价带中所有量子态都集中在价带顶 E处， v 而它的状态密度为 ，则价带中的空穴浓度是 中有空 Nv Nv 穴占据的量子态数。 ④ 只要确定了费米能级 EF ，在一定温度 T 时，可以求 出价带中空穴浓度 p 。
n Nd
由
np n2 i
可求出价带空穴浓度为：
n n p n Nd
在杂质饱和电离区，导带电子的浓度比价带空穴的浓度大得 多。因此，对于 N 型半导体，导带电子通常称为多子（或多 数载流子），价带空穴被称为少子（或少数载流子），对于 P 型半导体则相反。 费米能级为：
2 i
2 i
Nd E F E c k B T ln Nc
3.非平衡载流子
Ec
光照
Ec
Ev
热平衡情况
Ev
光照产生非平衡载流子
np ni2
np ni2
处于热平衡状态的半导体，在一定温度下，载流子浓度是一 定的。这种处于热平衡状态下的载流子浓度，称为平衡载流 子浓度。 在外界（如光照、外加电场）作用下，能带中的载流子数目 发生明显的改变，比热平衡状态多出来一部分载流子，多出 来的这部分载流子叫做非平衡载流子（或过剩载流子）。
半导体中杂质分类与缺陷能级
决定半导体的物理和化学性质
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
2.1.1 替位式杂质 间隙式杂质
Si和Ge都具有金钢石结构，一个原胞含有8个原子。
原胞内8个原子的体积与立方原胞体积之比为34%，原胞 内存在66%的空隙。
金钢石晶体结构中的四面体间隙位置 内部4个原子构成T空隙
金钢石晶体结构中的六角形间隙位置 3个邻位面心+3个内部原子构成H空隙
称电子为多数载流子，简称多子，空穴为少数 载流子，简称少子。
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
2.1.3 受主杂质 受主能级
Si
+
Si
Si
Si
B-
Si
Si
Si
Si
受 主 掺 杂（掺硼）
硼原子接受一个电子后， 成为带负电的硼离子， 称为负电中心（B- ） 。 带负电的硼离子和带正 电的空穴间有静电引力 作用，这个空穴受到硼 离子的束缚，在硼离子 附近运动。
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
Si Si Si Si Si
n杂质原子进入半导体硅后，只 可能以两种方式存在。
Si Si Si Si Si Si Si Si P Si Si Si Si Si Si
n一种方式是杂质原子位于晶格 原子间的间隙位置，常称为间隙 式杂质；间隙杂质原子一般较 小，如离子锂（Li+）。 Si：r=0.117nm
多余 价电子
+4 +4
磷原子
+5 +4
Ⅴ族元素有5个价电子，其中的四个价电子与周围的 四个硅原子形成共价键，还剩余一个电子，同时Ⅴ 族原子所在处也多余一个正电荷，称为正离子中心， 所以，一个Ⅴ族原子取代一个硅原子，其效果是形 成一个正电中心和一个多余的电子。
第二章半导体中的杂质和缺陷能级
第二章半导体中的杂质和缺陷能级第二章半导体中杂质和缺陷能级引言1.实际半导体和理想半导体的区别理想半导体实际半导体原子不是静止在具有严格周期性的晶格的格点上，而在其平衡位置附近振动原子静止在具有严格周期性的晶格的格点上半导体不是纯净的，含有若干杂质半导体是纯净的，不含杂质晶格结构不是完整的，含若干缺陷晶格结构是完整的，不含缺陷2.杂质的种类根据杂质能级在禁带中的位置将杂质分为两种浅能级杂质：能级接近导电底Ec 或价带顶Ev ；深能级杂质：能级远离导带底Ec 或价带顶Ev ； 3.缺陷的种类点缺陷，如空位、间隙原子；线缺陷，如位错；面缺陷，如层错、多晶体中的晶粒间界等§硅、锗晶体中的杂质能级一、杂质与杂质能级杂质：半导体中存在的与本体元素不同的其它元素。
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。
单位体积中的杂质原子数称为杂质浓度。
杂质能级：杂质在禁带中引入的能级。
二、替位式杂质、间隙式杂质杂质原子进入半导体后，有两种方式存在：1.间隙式杂质：杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，形成该种杂质时，要求其杂质原子比晶格原子小；2.替位式杂质：杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处，形成该种杂质时，要求其原子的大小与被取代的晶格原子的大小比较接近，而且二者的价电子壳层结构也比较接近。
三、施主杂质、施主能级(举例Si 中掺P)如图所示，一个磷原子占据了硅原子的位置。
磷原子有5个价电子，其中4个价电子与周围的4个硅原子形成共价键，还剩余一个价电子。
同时，磷原子所在处也多余一个正电荷+q ，称这个正电荷为正电中心磷离子（P +）。
所以磷原子替代硅原子后，其效果是形成一个正电中心P +和一个多余的价电子。
这个多余的价电子就束缚在正电中心P +的周围。
但是，这种束缚作用比共价键的束缚作用弱得多，只要有很少的能量就可以使它挣脱束缚，成为导电电子在晶格中自由运动，这是磷原子就成为少了一个价电子的磷离子（P +），它是一个不能移动的正电中心。
半导体缺陷解析及中英文术语一览
半导体缺陷解析及中英⽂术语⼀览⼀、半导体缺陷1.位错：位错⼜可称为差排（英语：dislocation），在材料科学中，指晶体材料的⼀种内部微观缺陷，即原⼦的局部不规则排列（晶体学缺陷）。
从⼏何⾓度看，位错属于⼀种线缺陷，可视为晶体中已滑移部分与未滑移部分的分界线，其存在对材料的物理性能，尤其是⼒学性能，具有极⼤的影响。
产⽣原因：晶体⽣长过程中，籽晶中的位错、固-液界⾯附近落⼊不溶性固态颗粒，界⾯附近温度梯度或温度波动以及机械振动都会在晶体中产⽣位错。
在晶体⽣长后，快速降温也容易增殖位错。
（111）呈三⾓形；（100）呈⽅形；（110）呈菱形。
2.杂质条纹：晶体纵剖⾯经化学腐蚀后可见明、暗相间的层状分布条纹，⼜称为电阻率条纹。
杂质条纹有分布规律，在垂直⽣长轴⽅向的横断⾯上，⼀般成环状分布；在平⾏⽣长轴⽅向的纵剖⾯上，呈层状分布。
反映了固-液界⾯结晶前沿的形状。
产⽣原因：晶体⽣长时，由于重⼒产⽣的⾃然对流和搅拌产⽣的强制对流，引起固-液界近附近的温度发⽣微⼩的周期性变化，导致晶体微观⽣长速率的变化，或引起杂质边界厚度起伏，⼀截⼩平⾯效应和热场不对称等，均使晶体结晶时杂质有效分凝系数产⽣波动，引起杂质中杂质浓度分布发⽣相应的变化，从⽽在晶体中形成杂质条纹。
解决⽅案:：调整热场，使之具有良好的轴对称性，并使晶体的旋转轴尽量与热场中⼼轴同轴，抑制或减弱熔热对流，可以使晶体中杂质趋于均匀分布。
采⽤磁场拉晶⼯艺或⽆重⼒条件下拉晶可以消除杂质条纹。
3.凹坑：晶体经过化学腐蚀后，由于晶体的局部区域具有较快的腐蚀速度，使晶体横断⾯上出现的坑。
腐蚀温度越⾼，腐蚀时间越长，则凹坑就越深，甚⾄贯穿。
4.空洞：单晶切断⾯上⽆规则、⼤⼩不等的⼩孔。
产⽣原因：在⽓氛下拉制单晶，由于⽓体在熔体中溶解度⼤，当晶体⽣长时，⽓体溶解度则减⼩呈过饱和状态。
如果晶体⽣长过快，则⽓体⽆法及时从熔体中排出，则会在晶体中形成空洞。
5.孪晶：使晶体断⾯上呈现⾦属光泽不同的两部分，分界线通常为直线。
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等电子杂质（如N）占据本征原子位置 （如GaP中的P位置）后，即
N
NP
N 的共价半径为 0.07nm，电负性为3.0; P 的共价半径为 0.11nm，电负性为2.1 所以氮取代磷后能俘获电子成为负电中心，它们可以 吸引一个导带电子而变成负离子，这就是电子陷阱， 相反如果成为正电中心即可吸引一个价带空穴而变成 正离子这就是空穴陷阱。
深能级的特点：
施主能级离导带较远，受主能级离价带较远。
一种杂质可以引入若干能级，因为会产生多次电离， 有的杂质既能引入施主能级，又能引入受主能级。
杂质能级是与杂质原子的壳层结构、杂质原子的大 小、杂质在晶格中的位置等等因素有关，目前没有 完善的理论加以说明。
例1：Au（Ⅰ族）在Ge中
Au在Ge中共有五种可能的状态：
半导体是 p 型的
EA
有效的受主浓度 NA*= NA – ND
（C） NA≌ND时
杂质的高度补偿
本征激发的导带电子
Ec ED
EA Ev
本征激发的价带空穴
6、深能级杂质
ED EA
Ec
（1）浅能级杂质
△ED《Eg △EA《Eg
Ev
Ec Ev
△ED
ED
EA
△EA
（2）深能级杂质
△E D≮Eg △EA≮Eg
(2)二族元素，受主能级
(3)三、五族元素，一般是电中性杂质，另一种等电 子杂质效应
等电子杂质： 特征：a、与本征元素同族但不同原子序数 b、以替位形式存在于晶体中，基本 上是电中性的。 条件：电负性、共价半径相差较大 同族元素原子序数越小，电负性越大，共价半 径越小。 等电子杂质电负性大于基质晶体原子的电负时， 取代后将成为负电中心；反之，将成为正电中心。
Si Ga 两性杂质 SiAs
施主 受主
两性杂质：在化合物半导体中，某种杂质在 其中既可以作施主又可以作受 主，这 种杂质称为两性杂质。
§2.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物中的杂质能级
铝、镓、铟和磷、砷、锑组成的九种化合物
化学计量比：1:1
晶体结构：闪锌矿结构
替位式杂质 间隙式杂质
(1)一族元素，引入受主能级
（2）等电子陷阱
等电子杂质（如N）占据本征原子位置 （如GaP中的P位置）后，即
N
NP
N 的共价半径为 0.07nm，电负性为3.0; P 的共价半径为 0.11nm，电负性为2.1 所以氮取代磷后能俘获电子成为负电中心，它们可以 吸引一个导带电子而变成负离子，这就是电子陷阱， 相反如果成为正电中心即可吸引一个价带空穴而变成 正离子这就是空穴陷阱。
施主杂质和施主能级：
施主杂质：能够施放电子而产生导电电子并形成 正电中心
受主杂质和受主能级：Si中掺硼B
受主杂质：能够接受电子而产生导电空穴并形成 负电中心
5、杂质的补偿作用
（A） ND > NA 时
n型半导体
ED
杂质的补偿:既掺有施主又掺 有受主 补偿半导体
因 EA 在 ED 之下， ED上的束缚 电子首先填充EA上的空位，即 施主与受主先相互“抵消”，剩 余的束缚电子再电离到导带上。
△EA2
பைடு நூலகம்
（5） Au三： Au二 + e
Au三
△EA3=
EC EA3 EA2
EA1 EV
7、等电子陷阱
（1）等电子杂质 特征：a、与本征元素同族但不同原子序数 b、以替位形式存在于晶体中，基本 上是电中性的。 条件：电负性、共价半径相差较大 同族元素原子序数越小，电负性越大，共价半 径越小。 等电子杂质电负性大于基质晶体原子的电负时， 取代后将成为负电中心；反之，将成为正电中心。 原子的电负性是描述化合物分子中组成原子吸引电 子倾向强弱的物理量，显然与原子的电离能、亲合 能及价态有关
（4）四族元素，两性杂质
举例：GaAs 中 掺 Si（Ⅳ族） Ga：Ⅲ族 As：Ⅴ族
Si Ga 两性杂质 SiAs
施主 受主
两性杂质：在化合物半导体中，某种杂质在 其中既可以作施主又可以作受 主，这 种杂质称为两性杂质。
（5）六族元素，常取代五族元素，施主杂质
（6）过渡族元素除钒产生施主能级，其余均产生 受主能级
n ND N A ND
EA
半导体是 n 型的
有效的施主浓度 ND*= ND - NA
（B）NA>ND时 p型半导体 因 EA 在 ED 之下， ED上的束缚电子首 先填充EA上的空位， 即施主与受主先相互 “抵消”，剩余的束缚 空穴再电离到价带上。
ED
p N A ND N A
（1）Au+； （2） Au0 ； （3） Au一 ； （4） Au二 ； （5） Au三。
（1）Au+： Au0 – e
Au+
EC Eg
ED
△E D
EV (2) Au0 电中性态
（3） Au一： Au0 + e EC
Au一
EA1
△EA
EV
（4） Au二：Au一 + e
Au二
EC △EA2= EA2 EA1 EV
第二章半导体中杂质和缺陷能级
杂质：半导体中存在的与本体元素不同的其它元素
缺陷: 晶格中的原子周期性排列被破坏 a. 点缺陷：空位、间隙原子 b. 线缺陷：位错 c. 面缺陷：层错
杂质和缺陷对半导体的物理性能和化学性能会 产生决定性的影响。
杂质和缺陷出现在半导体中时，
产生的附加势场使严格的周期
性势场遭到破坏。
杂质能级位于禁带之中
Ec 杂质能级 Ev
§2.1 Si、Ge晶体中的杂质能级
间隙式杂质：杂质原子 位于晶格原子的间隙位 置 间隙式杂质原子一般比 较小 替位式杂质：杂质原子 取代晶格原子位于晶格 点处 替位式杂质 原子的大 小与被取代的晶格原子 的大小比较相近,价电 子壳层结构相近。
杂质浓度：单位体积中的 杂质原子数
§2.2 缺 陷 能 级
1、 点 缺 陷：
空位 间隙原子
弗伦克尔缺陷和肖特基缺陷
（1）Si中的点缺陷：
空位 受主作用
间隙原子 施主作用
（2）化合物
砷化镓中的砷空位和镓空位均表现出受主作用 二六族化合物，离子型较强，正离子空位是受 主，负离子空位是施主，正离子间隙原子为施 主，负离子间隙原子为受主。
1、N在GaP中：NP 2、C在Si中：CSi 3、O在ZnTe中： 其存在形式可以是 （1）替位式 （2）复合体，如 Zn-O 8、束缚激子
即等电子陷阱俘获一种符号的载流子后，又 因带电中心的库仑作用又俘获另一种带电符号的载 流子，这就是束缚激子。
9、两性杂质
举例：GaAs 中 掺 Si（Ⅳ族） Ga：Ⅲ族 As：Ⅴ族