2021年2021年度半导体材料硅锗晶体中的杂质讲义.ppt

杂质能级
杂质对硅、锗电学性质的影响与杂质的类型和它们的能级在禁带中的位置等有关。
硅、锗中的杂质大致可分为两类：一类是周期表中Ⅲ族或V族杂质，它们的电离能低，对材料的电导率影响大，起受主或施主的作用。
另一类杂质是周期表中除Ⅲ族和V族以外的杂质，特别是I副族和过渡金属元素，它们的电离能大，对材料的导电性质影响较小，主要起复合中心或陷阱的作用。
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半导体材料硅锗晶体中的杂质
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杂质在硅、锗中的能级与它的原子构造，在晶格中所占的位置有关。
如Ⅲ族和V族杂质在锗中占替代式晶格位置，在它们与邻近的锗原子形成四个共价键时，缺少或剩余一个价电子。如它们电离，可接受或提供一个电子，即提供一个受主或施主能级。
Ⅱ族的Zn或Cd杂质原子进入锗中也居替代位置，因其价电子为2，在成键时它们可从邻近的锗原子接受两个电子，即提供两个受主能级，这两个能级在禁带中的位置是不同的，较低的受主能级是在中性的Zn或Cd原子上放上一个电子，而较高的受主能级则是在已具有一个负电荷的Zn或Cd离子上再放上一个电子。
I副族元素金则有三个受主能级和一个施主能级。这种多重能级的作用与温度及材料中存在的其他杂质的类型和浓度等有关系。
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半导体材料硅锗晶体中的杂质
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杂质对材料性能的影响
在世界上没有绝对纯的物质，纯只是相对的。因此在实际制备的半导体材料中，常共存着多种杂质，材料最终显现的电学性质则是它们共同作用的结果。
1．杂质对材料导电类型的影响
当材料中共存施主和受主杂质时，它们将相互发生补偿，材料的导电类型取决于占优势的杂质。例如，在锗、硅材料中，当Ⅲ族杂质元素在数量上占优势时，材料呈现P型，反之当V族元素占优势时则呈现N型。如材料中N型杂质和P型杂质的数量接近，它们相互补偿，结果材料将呈现弱N型或弱P型。
值得提出的是，一些离子半导体材料，如大多数Ⅱ一Ⅵ族化合物，晶体中的缺陷能级对半导体的导电类型可起支配作用，这将在第九章中加以介绍。
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半导体材料硅锗晶体中的杂质
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2．杂质对材料电阻率的影响
半导体材料的电阻率一方面与载流子密度有关，另一方面又与载流子的迁移率有关。
同样的掺杂浓度，载流子的迁移率越大，材料的电阻率越低。如果半导体中存在多种杂质，在通常情况下，会发生杂质补偿，可以其电阻率与杂质浓度的关系可近似表示为:
如果施主杂质占优势，则有：
如果受主杂质占优势，则有：
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半导体材料硅锗晶体中的杂质
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上两式表明，在有杂质补偿的情况下，电阻率主要由有效杂质浓度决定。但是总的杂质浓度NI=NA+ND也会对材料的电阻率产生影响，因为当杂质浓度很大时，杂质对载流子的散射作用会大大降低其迁移率。
例如，在硅中Ⅲ、V族杂质，当N>1016cm-3时，对室温迁移率就有显著的影响，这时需要用实验方法(Hall法)来测定材料的电阻率与载流子浓度。
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半导体材料硅锗晶体中的杂质
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工作电流I与载流子电荷e、n型载流子浓度n、迁移速率v及霍尔元件的截面积bd之间的关系为I=nevbd，
霍尔电压，即l、2两点间的电位差为
式中K=1／(end)，称该霍尔元件的灵敏度。如果霍尔元件是P型(即载流子是
空穴)半导体材料制成的，则K=l／(epd)，其中p为空穴浓度。
载流子浓度为：
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半导体材料硅锗晶体中的杂质
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课本图4—1示出了在室温下(300K)硅、锗的电阻率值随施主或受主浓度的变化关系。在半导体材料和器件生产中，常用这些曲线进行电阻率与杂质浓度(ρ-N)换算。
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半导体材料硅锗晶体中的杂质
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硅、锗晶体的掺杂
通过掺杂的方法来控制半导体材料的电学参数。
掺杂方式：在拉晶过程中掺杂，是将杂质与纯材料一起在坩埚里熔化或是向已熔化的材料中加入杂质，然后拉单晶。
影响单晶内杂质数量及分布的主要因素是：
原料中的杂质种类和含量
杂质的分凝效应
杂质的蒸发效应
生长过程中坩埚或系统内杂质的沾污
加入杂质量
　这些因素的大小随材料和拉晶工艺而变动，应针对问题具体分析。
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半导体材料硅锗晶体中的杂质
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直接硅单晶中杂质的掺入
一、掺杂量的计算
1、只考虑杂质分凝时的掺杂
直拉法生长晶体的过程，实际上是一个正常凝固的过程。如果材料很纯，材料的电阻率ρ与杂质浓度CS有如下关系：
　　　 ρ＝1/CSeμ　　（4－3）μ为电子（或空穴）迁移率
正常凝固的杂质分布为
　　　CS=kC0(1-g)k-1　　　　　　　　　　　　（4－4）
将4－3代入4－4式可算出在拉单晶时，拉出的单晶的某一位置g处的电阻率与原来杂