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1、关于半导体中杂质和缺陷能级第一张，PPT共四十七页，创作于2022年6月v 理理想想半半导导体体：1 1、原原子子严严格格地地周周期期性性排排列列，晶晶体体具具有有完完整整的的晶晶格格结结构构。2 2、晶晶体体中中无无杂杂质质，无无缺缺陷陷。3 3电电子子在在周周期期场场中中作作共共有有化化运运动动，形形成成允允带带和和禁禁带带电电子子能能量量只只能能处处在在允允带带中中的的能能级级上上，禁禁带带中中无无能能级级。由由本本征征激激发提供载流子发提供载流子v 晶晶体体具具有有完完整整的的（完完美美的的）晶晶格格结结构构，无无任任何何杂杂质质和和缺缺陷陷本本征征半半导导体体。（纯纯净净半半导导体体
2、中中，的的位位置置和和载流子的浓度只是由材料本身的本征性质决定的）载流子的浓度只是由材料本身的本征性质决定的）v 实实际际材材料料中中，1 1、总总是是有有杂杂质质、缺缺陷陷，使使周周期期场场破破坏坏，在在杂杂质质或或缺缺陷陷周周围围引引起起局局部部性性的的量量子子态态对对应应的的能能级级常常常常处处在在禁禁带带中中，对对半半导导体体的的性性质质起起着着决决定定性性的的影影响响。2 2、杂质电离提供载流子。杂质电离提供载流子。第二张，PPT共四十七页，创作于2022年6月2.1 硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级一一.替位式杂质和间隙式杂质替位式杂质和间隙式杂质 按照球形原子堆积模型
3、，金刚石晶体的一个原胞中的按照球形原子堆积模型，金刚石晶体的一个原胞中的8 8个原子只占个原子只占该晶胞体积的该晶胞体积的3434，还有，还有6666是空隙！是空隙！A间隙式杂质原子：原子半径比较小间隙式杂质原子：原子半径比较小B替替位位式式杂杂质质原原子子：原原子子的的大大小小与与被被取取代的晶体原子大小比较相近代的晶体原子大小比较相近杂质浓度：单位体积中的杂质原子数杂质浓度：单位体积中的杂质原子数第三张，PPT共四十七页，创作于2022年6月v二二.施主杂质与施主能级施主杂质与施主能级第四张，PPT共四十七页，创作于2022年6月 元元素素P P在在SiSi中中成成为为替替位位式式杂杂质质
4、且且电电离离时时，能能够够释释放放电电子子而而产产生生导导电电电电子子并并形形成成正正电电中中心心，称称它它们们为为施施主杂质主杂质或或n n型杂质型杂质 第五张，PPT共四十七页，创作于2022年6月2施主能级施主能级 v 由由于于共共价价键键是是一一种种很很强强的的化化学学键键，结结合合非非常常牢牢固固，共共价价键键上上的的电电子子是是几几乎乎不不可可能能在在晶晶体体中中运运动动的的。但但P P 原原子子的的那那个个“多多余余”的的价价电电子子被被离离子子实实P+P+束束缚缚得得相相当当微微弱弱，这这个个电电子子在在不不大大的的外外场场力作用下就可以脱离力作用下就可以脱离P+P+的束缚而在
5、的束缚而在SiSi晶体中自由运动。晶体中自由运动。v 从从能能带带的的角角度度来来看看，处处于于共共价价键键上上的的电电子子就就是是处处在在价价带带中中的的电电子子，而而那那个个“多多余余”的的电电子子并并不不处处在在价价带带中中，它它只只要要得得到到一一个个很很小小的的能能量量（只只要要室室温温就就足足够够了了）就就会会被被激激发发到到导导带带，成成为为导导带带中中的的传传导导电电子子。这这就就相相当当于于在在SiSi禁禁带带中中，在在距距导导带带底底下下方方很很近近的的地地方方有有一一个个能能级级，在在未未激激发发的的情情况况下下（例例如如0K0K时时），那那个个“多多余余”电电子子就就处
6、处在在这这个个能能级级上上，杂杂质质此此时时是是电电中中性性的的。但但是是稍稍稍稍给给它它一一点点能能量量，那那个个“多多余余”的的电电子子就就将将跃跃迁迁到到导导带带。杂杂质质P P原原子子也也因因这这个个价价电电子子的的离离开开而而带带正正电电，此此时时就就称称施施主主杂杂质质电电离离了了。因因掺掺入入施施主主杂杂质质而而在在禁禁带带中中引引入入的的这这个个能能级称为级称为施主能级施主能级。第六张，PPT共四十七页，创作于2022年6月 如如前前所所说说，在在绝绝大大多多数数情情况况下下，半半导导体体的的掺掺杂杂浓浓度度并并不不高高，因因此此，杂杂质质原原子子之之间间距距离离远远大大于于母
7、母体体材材料料的的晶晶格格常常数数（等等价价原原子子之之间间的的最最小小距距离离），相相邻邻杂杂质质所所束束缚缚的的电电子子（即即“多多余余”的的电电子子）的的波波函函数数基基本本不不会会交交叠叠，不不会会形形成成杂杂质质能能带带，它它们们的的能能量量相相同同，所所以以杂杂质质能能级级是是位位于于同同一一水水平平线线上上的的分分立立能能级级。很很显显然然，在在掺掺施施主主杂杂质质的的半半导导体体中中，电电子子的的浓浓度度大大于于空空穴穴的的浓浓度度，半半导导体体中中的的传传导导电电流流主主要要依依靠靠电电子子的的贡贡献献。因因此此我我们们称称这这种种半半导导体体材材料料为为n n型型半半导导体
8、体。在在n n 型型半半导导体体中中，电电子子是是多多数数载载流流子子（简简称称为为多多子子），空空穴穴是少数载流子（简称为少子）。是少数载流子（简称为少子）。若以若以ED 和和EC分别表示施主能级和导带底能量值，则有：分别表示施主能级和导带底能量值，则有：这里的这里的 E 称为施主电离能。它通常较小，对于常见的硅、锗半导体材料的称为施主电离能。它通常较小，对于常见的硅、锗半导体材料的浅施主杂质，其施主电离能一般在浅施主杂质，其施主电离能一般在0.05eV以下以下第七张，PPT共四十七页，创作于2022年6月第八张，PPT共四十七页，创作于2022年6月三三.受主杂质和受主能级受主杂质和受主能
9、级第九张，PPT共四十七页，创作于2022年6月 当当IIIIII族族元元素素B B在在SiSi中中成成为为替替位位式式杂杂质质且且电电离离时时，能能够够接接受受电电子子而而产产生生导导电电空空穴穴并并形形成成负负电电中中心心，称称它它们们为为受受主主杂质杂质或或p p型杂质型杂质。第十张，PPT共四十七页，创作于2022年6月v2受主能级受主能级 由由于于B原原子子欲欲成成4 个个共共价价键键尚尚缺缺少少一一个个价价电电子子，这这样样，B原原子子附附近近的的Si原原子子共共价价键键上上的的电电子子并并不不需需要要增增加加多多少少能能量量就就可可很很容容易易地地填填补补到到B原原子子这这个个“
10、空空缺缺”的的价价键键上上来来，并并在在原原来来的的价价键键上上留留下下一一个个新新的的“空空缺缺”，这这就就相相当当于于“空空缺缺”在在晶晶体体中中产产生生了了移移动动。显显然然，这这个个“空空缺缺”还还会会以以同同样样的的机机制制继继续续在在半半导导体体中中运运动动。从从能能带带上上讲讲就就是是，由由于于受受主主杂杂质质B原原子子的的掺掺入入，在在Si的的禁禁带带中中价价带带的的上上方方附附近近将将引引入入一一个个能能级级，它它就就是是受受主主能能级级EA，它它与与价带顶价带顶EV 之差就是受主电离能。之差就是受主电离能。第十一张，PPT共四十七页，创作于2022年6月v 与与施施主主电电
11、离离能能一一样样，受受主主电电离离能能EA也也较较小小，当当受受主主杂杂质质B的的空空缺缺共共价价键键被被附附近近的的Si原原子子共共价价键键上上的的电电子子填填充充而而建建立立起起来来时时，B原原子子将将带带负负电电，我我们们称称之之为为受受主主杂杂质质电电离离。这这相相当当于于杂杂质质B向向Si的的价价带带发发射射了了一一个个空空穴穴。掺掺受受主主杂杂质质的的半半导导体体主主要要靠靠空空穴穴导导电电，所所以以称称之之为为p型型半半导导体体。在在p型型半半导导体体中中，空空穴穴是是多多子子，电子是少子。电子是少子。第十二张，PPT共四十七页，创作于2022年6月v 从从物物理理图图像像上上看
12、看，在在晶晶体体禁禁带带中中出出现现杂杂质质能能级级，实实际际上上是是由由于于杂杂质质原原子子替替代代了了母母体体材材料料的的原原子子，引引起起晶晶体体的的局局部部势势场场发发生生改改变变，从从而而使使得得一一部部分分电电子子能能级级从从允允带带中中分分离离出出来来。例例如如，Nd个个施施主主的的存存在在使使得得导导带带中中Nd个个能能级级下下移移到到禁禁带带的的ED处处；而而Na个个受受主主的的存存在在使使得得价价带带中中Na个能级上移到禁带的个能级上移到禁带的EA处。处。第十三张，PPT共四十七页，创作于2022年6月施主能级和受主能级施主能级和受主能级v掺掺入入施施主主杂杂质质的的半半导
13、导体体，施施主主能能级级E ED D上上的的电电子子获获得得能能量量EED D后后由由束束缚缚态态跃跃迁迁到到导导带带成成为为导导电电电电子子，因因此此施施主主能能级级E ED D位位于于比比导导带带底底E Ec c低低EED D的禁带中，且的禁带中，且EED DEEg g。v空穴由于带正电，能带图中能量自上向下是增大的。空穴由于带正电，能带图中能量自上向下是增大的。v对对于于掺掺入入族族元元素素的的半半导导体体，被被受受主主杂杂质质束束缚缚的的空空穴穴能能量量状状态态(称称为为受受主主能能级级E EA A )位位于于比比价价带带顶顶E Ev v低低EEA A的的禁禁带带中中，EEA A Eg
14、 NA：v在在T=0K时，电子按顺序填充能量由低到高的各个能级，由于受主能级时，电子按顺序填充能量由低到高的各个能级，由于受主能级EA比比施主能级施主能级ED低，电子将先填满受主能级低，电子将先填满受主能级EA，然后再填充施主能级，然后再填充施主能级ED，因此施，因此施主能级上的电子浓度为主能级上的电子浓度为ND-NA。v通常当温度达到大约通常当温度达到大约100K以上时，施主能级上的以上时，施主能级上的ND-NA个电子就全部被激发个电子就全部被激发到导带，这时导带中的电子浓度到导带，这时导带中的电子浓度n0=ND-NA，为，为n型半导体。型半导体。第二十一张，PPT共四十七页，创作于2022
15、年6月 当当N NA ANND D时时，将将呈呈现现p p型型半半导导体体的的特特性性，价价带带空空穴穴浓浓度度p p0 0=N=NA A-N-ND D如如果果半半导导体体中中：N ND DNNA A，则则n n0 0-N-ND D-N-NA ANND D；N NA ANND D，则则p p0 0-N-NA A-N-ND DNNA A。通通过过补补偿偿以以后后半半导导体体中中的的净净杂杂质质浓浓度度称称为为有有效效杂杂质质浓浓度度。如如果果N ND DNNA A，称称N ND D-N NA A为有效施主浓度；如果为有效施主浓度；如果N NA ANND D，那么，那么N NA A-N-ND D称
16、为有效受主浓度。称为有效受主浓度。五五.杂质补偿作用杂质补偿作用(a)T=0K,NDNA (b)室温室温,NDNA 杂质补偿杂质补偿第二十二张，PPT共四十七页，创作于2022年6月第二十三张，PPT共四十七页，创作于2022年6月六六.深能级杂质深能级杂质 非、族杂质在Si、Ge禁带中也产生能级，其特点为：v非、族元素在Si、Ge禁带中产生的施主能级ED距导带底Ec较远，产生的受主能级EA距价带顶Ev较远，这种杂质能级称为深能级，对应的杂质称为深能级杂质。v深能级杂质可以多次电离，每一次电离相应有一个能级，有的杂质既引入施主能级又引入受主能级。第二十四张，PPT共四十七页，创作于2022年6
17、月以以GeGe中掺中掺AuAu为例：为例：图图中中EiEi表表示示禁禁带带中中线线位位置置，EiEi以以上上注注明明的的是是杂杂质质能能级级距距导导带带底底EcEc的的距距离，离，EiEi以下标出的是杂质能级距价带顶以下标出的是杂质能级距价带顶EvEv的距离。的距离。图 Au在Ge中的能级第二十五张，PPT共四十七页，创作于2022年6月 解释：解释：v中中性性Au0的的一一个个价价电电子子可可以以电电离离释释放放到到导导带带，形形成成施施主主能能级级ED,其其电电离离能能为为(Ec-ED)，从从而而成成为为带带一一个个正正电电荷荷的的单单重重电电施施主主离离化化态态Au+。这这个个价价电电子
18、子因因受受共共价价键键束缚，它的电离能仅略小于禁带宽度束缚，它的电离能仅略小于禁带宽度Eg，所以施主能级，所以施主能级ED很接近很接近Ev。v中中性性Au0为为与与周周围围四四个个Ge原原子子形形成成共共价价键键，还还可可以以依依次次由由价价带带再再接接受受三三个个电电子子，分分别别形形成成EA1，EA2，EA3三三个个受受主主能能级级。价价带带激激发发一一个个电电子子给给Au0，使使之之成成为为单单重重电电受受主主离离化化态态Au-，电电离离能能为为EA1-Ev；从从价价带带再再激激发发一一个个电电子子给给Au-使使之之成成为为二二重重电电受受主主离离化化态态 ，所所需需能能量量为为EA2-
19、Ev；从从价价带带激激发发第第三三个个电电子子给给使使之之成成为为三三重电受主离化态重电受主离化态 ，所需能量为，所需能量为 EA3-Ev。v由于电子间存在库仑斥力，由于电子间存在库仑斥力，EA3EA2EA1。第二十六张，PPT共四十七页，创作于2022年6月第二十七张，PPT共四十七页，创作于2022年6月vSi、Ge中其它一些深能级杂质引入的深能级也可以类似地做出解释。中其它一些深能级杂质引入的深能级也可以类似地做出解释。v深能级杂质对半导体中载流子浓度和导电类型的影响不像浅能级杂质深能级杂质对半导体中载流子浓度和导电类型的影响不像浅能级杂质那样显著，其浓度通常也较低，主要起复合中心的作用
20、。那样显著，其浓度通常也较低，主要起复合中心的作用。v采用掺金工艺能够提高高速半导体器件的工作速度。采用掺金工艺能够提高高速半导体器件的工作速度。第二十八张，PPT共四十七页，创作于2022年6月基本概念基本概念：v 施主杂质施主杂质（n型杂质）：杂质电离后能够施放电子而产生自由电型杂质）：杂质电离后能够施放电子而产生自由电子并形成正电中心的杂质子并形成正电中心的杂质施主杂质。施主杂质。v 施主杂质电离能施主杂质电离能：杂质价电子挣脱杂质原子的束缚成为自由电子所：杂质价电子挣脱杂质原子的束缚成为自由电子所需要的能量需要的能量杂质电离能，用表示。杂质电离能，用表示。v 正电中心正电中心：施主电离
21、后的正离子：施主电离后的正离子正电中心正电中心v 施主能级施主能级：施主电子被施主杂质束缚时的能量对应的能级称为施：施主电子被施主杂质束缚时的能量对应的能级称为施主能级。对于电离能小的施主杂质的施主能级位于禁带中导带底主能级。对于电离能小的施主杂质的施主能级位于禁带中导带底以下较小的距离。以下较小的距离。v 受主杂质受主杂质：能够向（晶体）半导体提供空穴并形成负电中心的杂质：能够向（晶体）半导体提供空穴并形成负电中心的杂质受主杂质受主杂质v 受主杂质电离能受主杂质电离能：空穴挣脱受主杂质束缚成为导电空穴所需的：空穴挣脱受主杂质束缚成为导电空穴所需的能量。能量。v 受主能级受主能级：空穴被受主杂
22、质束缚时的能量状态对应的能级。：空穴被受主杂质束缚时的能量状态对应的能级。第二十九张，PPT共四十七页，创作于2022年6月基本概念基本概念：v浅浅能能级级杂杂质质：电电离离能能小小的的杂杂质质称称为为浅浅能能级级杂杂质质。所所谓谓浅浅能能级级，是是指指施施主主能能级级靠靠近近导导带带底底，受受主主能能级级靠靠近近价价带带顶顶。室室温温下下，掺掺杂杂浓浓度度不不很很高高底底情情况况下下，浅浅能能级级杂杂质质几几乎乎可可以以可可以以全全部部电电离离。五五价价元元素素磷磷（P）、锑锑（Sb)在在硅硅、锗锗中中是是浅浅受受主主杂杂质质，三价元素硼（三价元素硼（B）、铝（）、铝（Al）、镓（）、镓（G
23、a）、铟（）、铟（In）在硅、锗中为浅受主杂质。）在硅、锗中为浅受主杂质。v 杂杂质质补补偿偿：半半导导体体中中存存在在施施主主杂杂质质和和受受主主杂杂质质时时，它它们们底底共共同同作作用用会会使使载载流流子子减减少少，这这种种作作用用称称为为杂杂质质补补偿偿。在在制制造造半半导导体体器器件件底底过过程程中中，通通过过采采用用杂杂质质补补偿偿底底方法来改变半导体某个区域底导电类型或电阻率。方法来改变半导体某个区域底导电类型或电阻率。v 高高度度补补偿偿：若若施施主主杂杂质质浓浓度度与与受受主主杂杂质质浓浓度度相相差差不不大大或或二二者者相相等等，则则不不能能提提供供电电子子或或空空穴穴，这这种
24、种情情况况称称为为杂杂质质的的高高等等补补偿偿。这这种种材材料料容容易易被被误误认认为为高高纯纯度度半半导导体体，实实际际上上含含杂杂质质很多，性能很差，一般不能用来制造半导体器件。很多，性能很差，一般不能用来制造半导体器件。v 深能级杂质深能级杂质：杂质电离能大，施主能级远离导带底，受主能级远离价带顶。：杂质电离能大，施主能级远离导带底，受主能级远离价带顶。v深深能能级级杂杂质质有有三三个个基基本本特特点点：一一是是不不容容易易电电离离，对对载载流流子子浓浓度度影影响响不不大大；二二是是一一般般会会产产生生多多重重能能级级，甚甚至至既既产产生生施施主主能能级级也也产产生生受受主主能能级级。三
25、三是是能能起起到到复复合合中中心心作作用用，使使少少数数载载流流子子寿寿命命降降低低（在在第第五五章章详详细细讨讨论论）。四四是是深深能能级级杂杂质质电电离离后后以以为为带带电电中中心心，对对载载流流子子起起散散射作用，使载流子迁移率减少，导电性能下降。射作用，使载流子迁移率减少，导电性能下降。第三十张，PPT共四十七页，创作于2022年6月2.2 III-V族化合物中的杂质能级族化合物中的杂质能级第三十一张，PPT共四十七页，创作于2022年6月第三十二张，PPT共四十七页，创作于2022年6月第三十三张，PPT共四十七页，创作于2022年6月v 等电子陷阱等电子陷阱：在某些化合物半导体中，
26、例如磷化镓中：在某些化合物半导体中，例如磷化镓中掺入掺入V V族元素氮或铋，氮或铋将取代磷并在禁带中产生族元素氮或铋，氮或铋将取代磷并在禁带中产生能级。这个能级称为等离子陷阱。这种效应称为等离子能级。这个能级称为等离子陷阱。这种效应称为等离子杂质效应。杂质效应。等离子杂质等离子杂质:所谓等离子杂质是与基质晶体原子具有同所谓等离子杂质是与基质晶体原子具有同数量价电子的杂质原子，它们替代了格点上的同族原子后，数量价电子的杂质原子，它们替代了格点上的同族原子后，基本上仍是电中性的。但是由于原子序数不同，这些原子基本上仍是电中性的。但是由于原子序数不同，这些原子的共价半径和电负性有差别，因而它们能俘获
27、某种载流子的共价半径和电负性有差别，因而它们能俘获某种载流子而成为带电中心。这个带电中心就称为等离子陷阱。而成为带电中心。这个带电中心就称为等离子陷阱。第三十四张，PPT共四十七页，创作于2022年6月v是否周期表中同族元素均能形成等离子陷阱呢？是否周期表中同族元素均能形成等离子陷阱呢？只只有有当当掺掺入入原原子子与与基基质质晶晶体体原原子子在在电电负负性性、共共价价半半径径方方面面有有较较大大差差别别时时，才才能能形形成成等等离离子子陷陷阱阱。一一般般说说，同同族族元元素素原原子子序序数数越越小小，电电负负性性越越大大，共共价价半半径径越越小小。等等电电子子杂杂质质电电负负性性大大于于基基质
28、质晶晶体体原原子子的的电电负负性性时时，取取代代后后，它它便便能能俘俘获获电电子子成成为为负负电电中中心心。反反之之，它它能能俘俘获获空空穴穴成成为为正正电电中中心心。例例如如，氮氮的的共共价价半半径径和和电电负负性性分分别别为为0.070nm0.070nm和和3.03.0，磷磷的的共共价价半半径径和和电电负负性性分分别别为为0.110nm0.110nm和和2.12.1，氮氮取取代代磷磷后后能能俘俘获获电电子子成成为为负负电电中中心心。这这个个俘俘获获中中心心称称为为等等离离子子陷陷阱阱。这这个个电电子子的的电电离离能能 0.008eV0.008eV。铋铋的的共共价价半半径径和和负负电电性性分
29、分别别为为0.146nm0.146nm和和1.91.9，铋取代磷后能俘获空穴，它的电离能是，铋取代磷后能俘获空穴，它的电离能是 0.038eV0.038eV。第三十五张，PPT共四十七页，创作于2022年6月v四族元素硅在砷化镓中的四族元素硅在砷化镓中的双性行为双性行为:即即硅硅的的浓浓度度较较低低时时主主要要起起施施主主杂杂质质作作用用，当当硅硅的的浓浓度度较较高高时时，一一部部分硅原子将起到受主杂质作用。分硅原子将起到受主杂质作用。这这种种双双性性行行为为可可作作如如下下解解释释：实实验验测测得得硅硅在在砷砷化化镓镓中中引引入入一一浅浅施施主主能能级级（EcEc0.0020.002）eVe
30、V，硅硅应应起起施施主主作作用用，那那么么当当硅硅杂杂质质电电离离后后，每每一一个个硅硅原原子子向向导导带带提提供供一一个个导导电电电电子子，导导带带中中的的电电子子浓浓度度应应随随硅硅杂杂质质浓浓度度的的增增加加而而线线性性增增加加。但但是是实实验验表表明明，当当硅硅杂杂质质浓浓度度上上升升到到一一定定程程度度之之后后，导导带带电电子子浓浓度度趋趋向向饱饱和和，好好像像施施主主杂杂质质的的有有效效浓浓度度降降低低了了。这这种种现现象象的的出出现现，是是因因为为在在硅硅杂杂质质浓浓度度较较高高时时，硅硅原原子子不不仅仅取取代代镓镓原原子子起起着着受受主主杂杂质质的的作作用用，而而且且硅硅也也取
31、取代代了了一一部部分分V V族族砷砷原原子子而而起起着着受受主主杂杂质质的的作作用用，因因而而对对于于取取代代族族原原子子镓镓的的硅硅施施主主杂杂质质起起到到补补偿偿作作用用，从从而而降降低低了了有有效效施施主主杂杂质质的的浓浓度度，电电子子浓浓度度趋趋于于饱饱和和。可可见见，在在这这个个粒粒子子中中，硅硅杂杂质质的的总总效效果果是是起起施施主主作作用用，保保持持砷砷化化镓镓为为n n型型半半导导体体。实实验验还还表表明明，砷砷化化镓镓单单晶晶体体中中硅硅杂杂质质浓浓度度为为1010-18-18cmcm-3-3时时，取取代代镓镓原原子子的的硅硅施施主主浓浓度度与与取取代代砷砷原原子子的的硅硅受
32、受主主浓浓度度之之比比约约为为5.3:15.3:1。硅硅取取代代砷砷所所产产生生的的受受主主能能级级在在（Ev+0.03Ev+0.03）eVeV处。处。第三十六张，PPT共四十七页，创作于2022年6月2.4 缺陷、位错能级缺陷、位错能级一点缺陷一点缺陷 点点缺缺陷陷是是发发生生在在一一个个原原子子尺尺度度范范围围内内的的缺缺陷陷。如如，空空位位、填填隙隙原原子子、杂杂质质原原子子等等等等。其其中中空空位位和和填填隙隙原原子子的的产产生生主主要要是是因因为为热热起起伏而引起的，因此它们又常称为热缺陷。伏而引起的，因此它们又常称为热缺陷。第三十七张，PPT共四十七页，创作于2022年6月v Fr
33、enkel缺陷缺陷 弗兰克尔缺陷弗兰克尔缺陷 原原处处在在正正常常格格点点位位置置的的原原子子常常受受热热激激发发而而脱脱离离格格点点，这这样样就就在在原原来来的的格格点点上上就就留留下下一一个个空空位位（vacancy），同同时时，脱脱离离正正常常格格点点的的原原子子进进入入到到晶晶格格中中原原子子的的空空隙隙之之中中，形形成成所所谓谓的的填填隙隙原原子子，一一个个空空位位加加一一个个填填隙隙原原子子的的总总体体称为称为Frenkel缺陷。缺陷。第三十八张，PPT共四十七页，创作于2022年6月v Schottky缺陷缺陷 肖特基缺陷肖特基缺陷 如如果果晶晶体体内内部部只只有有空空位位，这这
34、 样样 的的 缺缺 陷陷 称称 为为Schottky 缺缺陷陷。由由图图显显而而易易见见，此此时时脱脱离离正正常常格格点点的的原原子子跑跑到到晶晶体体表表面面上上正正常常格格点点的的位位置置，形形成成新新的的一层。一层。第三十九张，PPT共四十七页，创作于2022年6月v 替位杂质原子（离子）替位杂质原子（离子）当当外外来来杂杂质质进进入入晶晶体体后后，以以替替位位的的方方式式占占据据本本体体原原子子的的格格点点位位置置，从从而而也也使使周周期期性性遭遭到到破破坏坏，这这种种缺缺陷陷称称为为替替位位杂杂质质原原子子。这这种种缺缺陷陷往往往往是是人人们们为为改改变变晶晶体体的的性性能能而而有有目
35、目的的地地故故意意引引入入的的。替替位位杂杂质质原原子子在在实实际际中中应应用用非非常常广广泛泛。例例如如：半半导导体体材材料料的的不不同同导导电电类类型型就就是是因因为为掺掺入入不不同同的的杂杂质质原原子子而而导导致致的的。当当然然，杂杂质质原原子子也也可可以以填填隙隙的的方方式式进进入到晶体中，成为填隙式杂质。入到晶体中，成为填隙式杂质。第四十张，PPT共四十七页，创作于2022年6月v点点缺缺陷陷的的种种类类还还有有很很多多,例例如如色色心心（color center），它它是是在在含含碱碱金金属属过过剩剩（组组分分超超过过化化学学配配比比）的的碱碱卤卤化化合合物物晶晶体体中中的的一一种
36、种点点缺缺陷陷，它它实实际际上上是是一一个个卤卤素素负负离离子子空空位位加加上上一一个个被被束束缚缚在在其其库库仑仑场场中中的的电电子子。又又如如极极化化子子（polaron），它它是是进进入入完完整整的的离离子子晶晶体体中中的的电电子子，由由于于它它的的库库仑仑势势而而使使得得晶格发生局部的极化畸变，从而也构成了一种点缺陷晶格发生局部的极化畸变，从而也构成了一种点缺陷。第四十一张，PPT共四十七页，创作于2022年6月4.4.点缺陷（热缺陷）特点点缺陷（热缺陷）特点：1.1.热缺陷的数目随温度升高而增加热缺陷的数目随温度升高而增加.2.2.热缺陷中以肖特基缺陷为主（即原子空位为热缺陷中以肖特
37、基缺陷为主（即原子空位为主）。原因：三种点缺陷中形成肖特基缺陷主）。原因：三种点缺陷中形成肖特基缺陷需要的能量最小。需要的能量最小。3.3.淬火后可以淬火后可以“冻结冻结”高温下形成的缺陷。高温下形成的缺陷。4.4.退火后可以消除大部分缺陷。半导体器件生退火后可以消除大部分缺陷。半导体器件生产工艺中，经高温加工（如扩散）后的晶片产工艺中，经高温加工（如扩散）后的晶片一般都需要进行退火处理。离子注入形成的一般都需要进行退火处理。离子注入形成的缺陷也用退火来消除。缺陷也用退火来消除。第四十二张，PPT共四十七页，创作于2022年6月5.5.点缺陷对半导体性质的影响：点缺陷对半导体性质的影响：v缺陷
38、处晶格畸变，周期性势场被破坏，致使在禁带中产生能缺陷处晶格畸变，周期性势场被破坏，致使在禁带中产生能级。级。v热缺陷能级大多为深能级，在半导体中起复合中心作用，热缺陷能级大多为深能级，在半导体中起复合中心作用，使非平衡载流子浓度和寿命降低。使非平衡载流子浓度和寿命降低。v空位缺陷有利于杂质扩散空位缺陷有利于杂质扩散v对载流子有散射作用，使载流子迁移率和寿命降低。对载流子有散射作用，使载流子迁移率和寿命降低。第四十三张，PPT共四十七页，创作于2022年6月二二.线缺陷位错线缺陷位错v线线缺缺陷陷是是发发生生在在晶晶体体内内部部一一条条线线附附近近的的晶晶格格周周期期性性的的破破坏坏，一一般般将
39、将它它们们称称为为位位错错。典典型型的的位位错错有有两两种种：刃刃位位错错：位位错错线线垂垂直直于于滑移的方向。滑移的方向。螺位错：位错线平行于滑移方向。螺位错：位错线平行于滑移方向。v晶晶体体中中的的位位错错对对晶晶体体的的性性质质影影响响很很大大。例例如如，在在位位错错周周围围存存在在应应力力场场，对对于于替替位位式式杂杂质质，半半径径较较大大（半半径径较较小小）的的杂杂质质原原子子将将聚聚集集到到受受张张（压压）应应力力的的区区域域，以以在在一一定定的的程程度度上上减减弱弱晶晶体体中中的的应应力力，从从而而降降低低晶晶体体的的形形变变能能。对对于于填填隙隙式式杂杂质质，如如果果外外来来杂
40、杂质质引引起起晶晶格格发发生生局局部部膨膨胀胀，它它们们将将扩扩散散到到受受张张应应力力的的区区域域；反反之之，则则扩扩散散到到受受压压应应力力的的区区域域。所所以以，在在晶晶体中杂质原子是较容易聚集到位错附近的。体中杂质原子是较容易聚集到位错附近的。v如如果果在在半半导导体体材材料料中中存存在在位位错错，由由于于杂杂质质容容易易向向位位错错周周围围聚聚集集，就就可可能能形成复杂的电中心，影响材料的电学、光学以及其它物理性质。形成复杂的电中心，影响材料的电学、光学以及其它物理性质。第四十四张，PPT共四十七页，创作于2022年6月第四十五张，PPT共四十七页，创作于2022年6月施主情况施主情况 受主情况受主情况第四十六张，PPT共四十七页，创作于2022年6月感感谢谢大大家家观观看看第四十七张，PPT共四十七页，创作于2022年6月