第二章 半导体中杂质和缺陷能级
引言
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
§2.1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
间隙式杂质
替位式杂质
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。上述电子脱离杂质原子的束缚成为导电电子的过程称为杂质电离。使这个多余的价电子挣脱束缚成为导电电子所需的能量称为杂质电离能，用D E ?表示。
Ⅴ族杂质在硅、锗中电离时，能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心，称它们为施主杂质或n 型杂质。它释放电子的过程叫做施主电离。施主杂质未电离时是中性的，称为束缚态或中性态，电离后成为正电中心，称为离化态。
当电子得到能量
D E ?后，就从施主的束缚
态跃迁到导带成为导电电子，所以电子被施主
杂质束缚时的能量比导带底E C 低D E ?。因为
D g
E E ?，所以是施主能级位于离导带底很
近的禁带中。
通常把主要依靠导带电子导电的半导体称为电子型或n 型半导体。
四、受主杂质、受主能级(举例Si 中掺B)
如图所示，一个硼原子占据了硅原子的位置。硼原子有3
个价电子，当它与周围的4个硅原子形成共价键时，还缺少一
个价电子。必须从别的硅原子中夺取一个价电子，于是在硅晶
体的共价键中产生了一个空穴。同时，硼原子接受一个电子后，
成为带负电的硼离子（B -）,称为负电中心。带负电的硼离子和
带正电的空穴间有静电引力作用，所以这个空穴受到硼离子的
束缚，但是这种束缚作用是很弱的，只要有很少的能量就可以
使它挣脱束缚，成为导电空穴在晶格中自由运动，这是硼原子就成为多了一个价电子的硼离子（B -），它是一个不能移动的负电中心。上述空穴脱离杂质原子的束缚成为导电空穴的过程称为杂质电离。使空穴挣脱受主杂质束缚成为导电空穴所需的能量称为受主杂质电离能，用A E ?表示。
Ⅲ族杂质在硅、锗中电离时，能够接受电子而产生导电空穴并形成负电中心，称它们为受主杂质或p 型杂质。空穴挣脱受主杂质束缚的过程叫做受主电离。受主杂质未电离时是中性的，称为束缚态或中性态，电离后成为负电中心，称为离化态。
当空穴得到能量
A E ?后，就从受主的束缚态跃
迁到价带成为导电空穴，所以空穴被受主杂质束缚时
的能量比价带顶E V 低A E ?。因为A
g E E ?，所以是受主能级位于离价带顶很近的禁带中。当然，受主电离的过程实际是电子的运动，是价带中的电子得到
能量A E ?后，跃迁到受主能级上，再与束缚在受主能级上的空穴复合，并在价带产生一个可以自由运动的导电空穴，同时也就形成一个不可移动的受主离子。
通常把主要依靠价带空穴导电的半导体称为空穴型或p 型半导体。 五、浅能级、浅能级杂质及其电离能的简单估算
1. 定义：将很接近于价带顶的受主能级和很接近于导带底的施主能级称为浅能级。将产生
浅能级的杂质称为浅能级杂质，其特点为D
g E E ?；A g E E ?。 2. 浅能级杂质电离能的简单估算
浅能级杂质的电离能很低，电子或空穴受到正电中心或负电中心的束缚很微弱，故可利用类氢模型来估算杂质的电离能。【注意】这种估算没有反映杂质原子的影响，只是实际情况的一种近似。
(1) 氢原子基态电子的电离能
氢原子中电子的能量为：44
0022222200(1,2,3)2(4)8n m q m q E n n h n
πεε=-=-=
氢原子的基态能量为(n=1)：4
012208m q E h
ε=- 氢原子电离态能量为(n=∞)：0E ∞=
氢原子基态电子的电离能：()4
4000122220013.6824r m q m q E E E eV h
επεε∞=-=== (2) 用类氢原子模型估算浅能级的电离能
修正后的电离能可表示为：
施主电离能：()
*4*02220024n n D r r m q
m E E m επεε?== 受主电离能：()*
4*02220024p p A r
r m q m E E m επεε?== 六、杂质的补偿作用
半导体中同时存在施主和受主杂质时，二者之间有相互抵消的作用。
（1）N D >>N A
因为受主能级低于施主能级，所以施主杂质的电子首先跃迁到N A 个受主能级上，还有N D -N A 个电子在施主能级上，杂质全部电离时，跃迁到导带中的导电电子的浓度为n= N D -N A 。即则有效施主浓度为N Deff ≈ N D -N A
（2）N A >>N D
施主能级上的全部电子跃迁到受主能级上，受主能级上还有N A -N D 个空穴，它们可接受价带上的N A -N D 个电子，在价带中形成的空穴浓度p= N A -N D . 即有效受主浓度为N Aeff ≈ N A -N D
（3）N A ≈N D
不能向导带和价带提供电子和空穴，称为杂质的高度补偿。杂质高度补偿的材料中，杂质虽多，但不能向导带和价带提供电子和空穴。该材料容易被误认为高纯半导体，实际上含杂质很多，性能很差，一般不能用来制造半导体器件。
七、深能级杂质
考虑两方面的因素对上式进行修正：
正、负电荷是处于某种介质中；
由于电子是在晶格周期性势场中运动，要用其有效质量代替惯性质量。
1.浅能级杂质、深能级杂质定义、各自特点及作用
浅能级杂质：将III 、V 族中很接近于价带顶的受主能级和很接近于导带底的施主能级称为浅能级。将产生浅能级的杂质称为浅能级杂质。
特点：施主电离能：Δ E D << Eg ; 受主电离能：ΔE A << Eg 。 作用：对半导体的载流子浓度（导电电子浓度、导电空穴浓度）和导电类型有影响。 深能级杂质：非III 、V 族杂质在禁带中产生的施主能级距离导带底较远，它们产生的受主能级距离价带顶也比较远，通常称这种能级称为深能级，相应的杂质称为深能级杂质。
特点：这些深能级杂质能够产生多次电离，每一次电离相应地有一个能级。而且，有的杂质既能引入施主能级，又能引入受主能级； 作用：影响载流子的复合作用。
§2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物中的杂质能级
周期表中的ⅢA 族元素硼、铝、镓、铟、铊和ⅤA 族元素氮、磷、砷、锑、铋组成的二元化合物，称为Ⅲ-Ⅴ族化合物，它们的成分化学比都是1:1。形成的化合物都结晶成闪锌矿型结构，与硅、锗的金刚石型结构相似，每个原子周围有4个最近邻原子，该原子处于正四
面体中心时，则四面体的
4个顶角为其最近邻的4个另一类原子所占有。所以闪锌矿型结构与金刚石型结构不同的地方是：金刚石型结构中全由一种原子组成，而闪锌矿型结构中则由两种不同的原子交替占据格点的位置。
以GaAs 为代表，杂质原子进入半导体后，也以两种方式存在，形成两种杂质：间隙式杂质和替位式杂质。
一、 施主杂质
Ⅵ族元素与Ⅴ族元素相近，常取代Ⅴ族原子。因为它们比Ⅴ族元素多一个价电子而且容易失去，所以表现为施主杂质（浅施主杂质），并引入施主能级。
二、 受主杂质
Ⅱ族元素与Ⅲ族元素相近，常取代Ⅲ族原子。因为它们比Ⅲ族元素少一个价电子而且容易获得电子，所以表现为受主杂质（浅受主杂质），并引入受主能级。
三、 中性杂质
当Ⅲ族杂质和Ⅴ族杂质掺入不是由它们本身形成的化合物半导体后，在其中既不是施主，又不是受主，而是电中性的杂质，在禁带中不引入能级，称这种杂质为中性杂质。这相当于Ⅲ族杂质和Ⅴ族杂质原子分别取代镓和砷。
四、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。该杂质的这种性质称为双性行为。
这类元素有Ⅳ族元素，若取代Ⅲ族原子起施主作用，若取代Ⅴ族原子起受主作用，起什么作用与掺杂浓度和外界条件有关。例如在掺硅浓度小于183
10cm -时，硅全部取代镓起施主作用，这是掺硅浓度和导带电子浓度相等；而掺硅浓度大于18310cm -时，部分硅原子开始取代A s ,由于杂质补偿作用，使电子浓度逐渐偏低。
五、 等电子杂质、等电子陷阱、束缚激子
在某些化合物半导体中，例如磷化镓中掺入Ⅴ族元素氮或铋，氮或铋将取代磷并在禁带中产生能级。这个能级称为等电子陷阱。这种效应称为等电子杂质效应。
所谓等电子杂质是与基质(本征)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，基本上仍是电中性的。由于原子序数不同，等电子杂质与基质原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 电子陷阱。只有当掺入原子与基质晶体原子在电负性、共价半径方面具有较大差别时，才能形成等电子陷阱(一般来说，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性时，取代后，它便能俘获电子成为负电中心；反之，它能俘获空穴成为正电中心。
等电子陷阱俘获载流子后成为带电中心，这一带电中心由于库仑作用又能俘获另一种相反符号的载流子，形成束缚激子。这种束缚激子在由间接带隙半导体材料制造的发光器件 中起主要作用。
§2.3缺陷、位错能级
一、点缺陷
1.点缺陷的种类:
在一定温度下，晶格原子不仅在平衡位置附近做振动运动，而且有一部分原子会获得足够的能量，克服周围原子对它的束缚，挤入晶格原子间的间隙，形成间隙原子，原来的位置便成为空位：这时间隙原子和空位是成对出现的，称为弗仑克耳缺陷；若只在晶体内形成空位而无间隙原子时，称为肖特基缺陷；间隙原子和空位不断地产生和复合，最后确立一平衡浓度值；这种由温度决定的点缺陷又称为热缺陷，它们总是同时存在的；由于原子须具有较大的能量才能挤入间隙位置，以及它迁移时激活能很小，所以晶体中空位比间隙原子多得多，故空位是常见的点缺陷。在元素半导体中，空位最邻近有4个原子，每个原子各有一个不成对的电子，成为不饱和的共价键，这些键倾向于接受电子，因此空位表现出受主作用。而每个间隙原子有4个可以失去的未形成共价键的电子，表现出施主作用（注意间隙式杂质也会起受主作用）。
在化合物中，除了热振动因素形成空位和间隙原子外，由于成分偏离正常的化学比，也会形成点缺陷。例如在砷化镓中，由于热振动可以使镓原子离开晶格点形成镓空位和镓间隙
原子；也可以使砷原子离开晶格点形成砷空位和砷间隙原子。另外由于砷化镓中镓偏多或砷偏多，也能形成砷空位或镓空位。这些缺陷是起施主还是受主作用，目前仍无法定论，需由实验决定。
(2)复合体
(3)反结构缺陷(替位原子) 在化合物半导体中，存在着另一种点缺陷，称为替位原子。例如二元化合物AB 中：替位原子可以有两种，A 取代B 的称为B A ，B 取代A 的称为A B ，一般认为，A B 是受主，因为B 的价电子比A 的多， A 取代B 后，有接受电子的倾向；B A 是施主， B 取代A 后，有把多余的价电子施放给导带的趋势；这类缺陷(替代原子)在离子性强的化合物中存在的概率很小，因为库仑力的排斥作用，使引入A B 或B A 所需能量很大，所以在离子晶体中常可忽
主要指线缺陷，如Si 中的60°棱位错。
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 §2.1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 间隙式杂质 替位式杂质 硅中的施主杂质
第2章习题解答 1. 有人说，因为在PN 结中存在内建电场，所以将一个二极管的两端短路，在短路线中 将由于此电场的存在而流过电流。此说是否正确？为什么？ 答：此种说法不正确，将一个二极管的两端短路，PN 结外加电压为零，当环境条件稳定 时，多子扩散与少子漂移达到动态平衡，PN 结中扩散电流和漂移电流大小相等，方向相反，流过PN 结的净电流为零。 2. 假设下图中二极管均为理想二极管，试画出v i ~ v o 的转移特性曲线。 +V CC CC v i v o CC CC v v o (a) (b) 解：对图（a ）所示电路，定义节点A 、B 如下所示： +V CC CC v i v o 当i v 小于CC V 、大于CC V -时，1D 、2D 都截止。输出o v 等于零； 当i v 大于CC V 时，节点A 的电位开始大于零，2D 导通，1D 截止； 输出3 2/2CC i CC CC i o V v R R R V R R V v v -=+-+= 当i v 小于CC V -时，节点B 的电位开始小于零，1D 导通，2D 截止；
输出3 2/2CC i i i CC o V v R R R v R R v V v +=++-= 图（b ）所示电路是一个双向限幅电路，输出正向限幅电压为：L L CC R R R V +，输出负向限幅电压为：L L CC R R R V +- 当L L CC i R R R V v +≤时，输入与输出相同，当L L CC i R R R V v +>时，输出限幅在L L CC R R R V +-和 L L CC R R R V + 两个电平上。 3. 下图是一种二极管整流电路，称为全波整流电路。其中v 1 = v 2。试分析它的工作原理， 画出输出电压的波形并计算输出电压的平均值。 解：在输入信号的正半周，D 1导通、D 2截止，在输入信号的负半周， D 2导通、D 1截止， 输入信号与输出的关系为：
景德镇陶瓷学院 半导体课程设计报告 设计题目n型半导体材料的设计与性能分析专业班级 姓名 学号 指导教师 完成时间
一﹑杂质半导体的应用背景 半导体中的杂质对电离率的影响非常大，本征半导体经过掺杂就形成杂质半导体，半导体中掺杂微量杂质时，杂质原子的附近的周期势场的干扰并形成附加的束缚状态，在禁带只能够产生的杂质能级。能提供电子载流子的杂质称为施主杂质，相应能级称为施主能级，位于禁带上方靠近导带底附近。 一、N型半导体在本征半导提硅（或锗）中掺入微量的5价元素，例如磷，则磷原子就取代了硅晶体中少量的硅原子，占据晶格上的某些位置。 磷原子最外层有5个价电子，其中4个价电子分别与邻近4个硅原子形成共价键结构，多余的1个价电子在共价键之外，只受到磷原子对它微弱的束缚，因此在室温下，即可获得挣脱束缚所需要的能量而成为自由电子，游离于晶格之间。失去电子的磷原子则成为不能移动的正离子。磷原子由于可以释放1个电子而被称为施主原子，又称施主杂质。 在本征半导体中每掺入1个磷原子就可产生1个自由电子，而本征激发产生的空穴的数目不变。这样，在掺入磷的半导体中，自由电子的数目就远远超过了空穴数目，成为多数载流子（简称多子），空穴则为少数载流子（简称少子）。显然，参与导电的主要是电子，故这种半导体称为电子型半导体，简称N型半导体。 二、P型半导体在本征半导体硅（或锗）中，若掺入微量的3价元素，如硼，这时硼原子就取代了晶体中的少量硅原子，占 据晶格上的某些位置。硼原子的3个价电子分别与其邻近的3个硅原子中的3个价电子组成完整的共价键，而与其相邻的另1个硅原子的共价键中则缺少1个电子，出现了1个空穴。这个空穴被附近硅原子中的价电子来填充后，使3价的硼
实验一半导体材料的缺陷显示及观察 实验目的 1．掌握半导体的缺陷显示技术、金相观察技术； 2．了解缺陷显示原理，位错的各晶面上的腐蚀图象的几何特性； 3．了解层错和位错的测试方法。 一、实验原理 半导体晶体在其生长过程或器件制作过程中都会产生许多晶体结构缺陷，缺陷的存在直接影响着晶体的物理性质及电学性能，晶体缺陷的研究在半导体技术上有着重要的意义。 半导体晶体的缺陷可以分为宏观缺陷和微观缺陷，微观缺陷又分点缺陷、线缺陷和面缺陷。位错是半导体中的主要缺陷，属于线缺陷；层错是面缺陷。 在晶体中，由于部分原子滑移的结果造成晶格排列的“错乱”，因而产生位错。所谓“位错线”，就是晶体中的滑移区与未滑移区的交界线，但并不是几何学上定义的线，而近乎是有一定宽度的“管道”。位错线只能终止在晶体表面或晶粒间界上，不能终止在晶粒内部。位错的存在意味着晶体的晶格受到破坏，晶体中原子的排列在位错处已失去原有的周期性，其平均能量比其它区域的原子能量大，原子不再是稳定的，所以在位错线附近不仅是高应力区，同时也是杂质的富集区。因而，位错区就较晶格完整区对化学腐蚀剂的作用灵敏些，也就是说位错区的腐蚀速度大于非位错区的腐蚀速度，这样我们就可以通过腐蚀坑的图象来显示位错。 位错的显示一般都是利用校验过的化学显示腐蚀剂来完成。腐蚀剂按其用途来分，可分为化学抛光剂与缺陷显示剂，缺陷显示剂就其腐蚀出图样的特点又可分为择优的和非择优的。 位错腐蚀坑的形状与腐蚀表面的晶向有关，与腐蚀剂的成分，腐蚀条件有关，与样品的性质也有关，影响腐蚀的因素相当繁杂，需要实践和熟悉的过程，以硅为例，表1列出硅中位错在各种界面上的腐蚀图象。 二、位错蚀坑的形状 当腐蚀条件为铬酸腐蚀剂时，<100>晶面上呈正方形蚀坑，<110>晶面上呈菱形或矩形蚀坑，<111>晶面上呈正三角形蚀坑。（见图1）。
2-1．P N + 结空间电荷区边界分别为p x -和n x ，利用2T V V i np n e =导出)(n n x p 表达式。给 出N 区空穴为小注入和大注入两种情况下的)(n n x p 表达式。 解：在n x x =处 ()()??? ??????? ??-=?? ? ??-=KT E E n x n KT E E n x p i Fn i n n FP i i n n exp exp ()()VT V i Fp Fn i n n n n e n KT E E n x n x p 22exp =??? ? ??-= 而 ()()() 000n n n n n n n n n n n n p x p p p n x n n n p x =+?≈?=+?=+ （n n n p ?=?） ()()T T V V i n n n V V i n n n e n p n p e n n n p 2020=?+?=?+ 2001T V V n i n n n p n p e n n ???+= ?? ? T V V 2 2n n0n i p +n p -n e =0 n p = (此为一般结果) 小注入：（0n n n p <>? 且 n n p p ?= 所以 T V V i n e n p 22=或 T V V i n e n p 2= 2-2．热平衡时净电子电流或净空穴电流为零，用此方法推导方程 2 0ln i a d T p n n N N V =-=ψψψ。 解：净电子电流为 ()n n n n I qA D n x με?=+? 处于热平衡时，I n ＝0 ，又因为 d dx ψ ε=-
第五章 金属-半导体接触 1、 用不同波长的光照射置于真空中的金、银、铜三种金属和施主浓度皆为1×1016cm -3的锗、硅、砷化镓三种半导体的清洁表面，欲使其向真空发射电子，求各自的激发光临界波长。计算时需要的相关参数见表5-1和5-2（下同）。 解：根据能量与波长关系：λ γc h h E ==可得E hc = λ 金、银、铜三种金属的功函数分别为5.20eV 4.42eV 4.59eV 施主浓度皆为1×1016cm -3的锗、硅、砷化镓三种半导体的功函数分别为 4.31eV 4.25eV 4.17eV 对于金：nm E hc 239106.120.51031062.619 8 34=?????==--λ 对于银：nm E hc 281106.142.41031062.6198 34=?????==--λ 对于铜：nm E hc 270106.159.41031062.619 8 34=?????==--λ 对于锗：nm E hc 288106.131.41031062.619 8 34=?????==--λ 对于硅：nm E hc 292106.125.41031062.6198 34=?????==--λ 对于砷化镓：nm E hc 29810 6.11 7.41031062.619 8 34=?????==--λ 2、 计算N D = 5×1016cm -3 的n-Si 室温下的功函数。将其分别与铝、钨、铂三种金属的清洁 表面相接触，若不考虑表面态的影响，形成的是阻挡层还是反阻挡层？分别画出能带图说明之。 解：设室温下杂质全部电离，则其费米能级由n 0=N D =5?1015cm -3求得： 17 C C C 19 C 10ln 0.026ln 0.15 eV 2.810 D F N E E kT E E N =+=+=-? 其功函数即为：C () 4.050.15 4.20V S F W E E e χ=+-=+= 若将其与功函数较小的Al （W Al =4.18eV ）接触，则形成反阻挡层，若将其与功函数 较大的Au （W Au =5.2eV ）和Mo （W Mo =4.21eV ）则形成阻挡层。 3、 用N D = 3×1015cm -3的 n-Si 与金属Cr 形成理想的肖特基势垒接触。求300K 下该接触的肖特基势垒高度及接触电势差，以及在5V 反偏压下的最大电场强度及势垒比电容。 解：室温下杂志强电离，费米能级为)ln( 0c D c F N N T k E E +=
实验一半导体材料的缺陷显示及观察
实验一半导体材料的缺陷显示及观察 实验目的 1．掌握半导体的缺陷显示技术、金相观察技术； 2．了解缺陷显示原理，位错的各晶面上的腐蚀图象的几何特性； 3．了解层错和位错的测试方法。 一、实验原理 半导体晶体在其生长过程或器件制作过程中都会产生许多晶体结构缺陷，缺陷的存在直接影响着晶体的物理性质及电学性能，晶体缺陷的研究在半导体技术上有着重要的意义。 半导体晶体的缺陷可以分为宏观缺陷和微观缺陷，微观缺陷又分点缺陷、线缺陷和面缺陷。位错是半导体中的主要缺陷，属于线缺陷；层错是面缺陷。 在晶体中，由于部分原子滑移的结果造成晶格排列的“错乱”，因而产生位错。所谓“位错线”，就是晶体中的滑移区与未滑移区的交界线，但并不是几何学上定义的线，而近乎是有一定宽度的“管道”。位错线只能终止在晶体表面或晶粒间界上，不能终止在晶粒内部。位错的存在意味着晶体的晶格受到破坏，晶体中原子的排列在位错处已失去原有的周期性，其平均能量比其它区域的原子能量大，原子不再是稳定的，所以在位错线附近不仅是高应力区，同时也是杂质的富集区。因而，位错区就较晶格完整区对化学腐蚀剂的作用灵敏些，也就是说位错区的腐蚀速度大于非位错区的腐蚀速度，这样我们就可以通过腐蚀坑的图象来显示位错。 位错的显示一般都是利用校验过的化学显示腐蚀剂来完成。腐蚀剂按其用途来分，可分为化学抛光剂与缺陷显示剂，缺陷显示剂就其腐蚀出图样的特点又可分为择优的和非择优的。 位错腐蚀坑的形状与腐蚀表面的晶向有关，与腐蚀剂的成分，腐蚀条件有关，与样品的性质也有关，影响腐蚀的因素相当繁杂，需要实践和熟悉的过程，以硅为例，表1列出硅中位错在各种界面上的腐蚀图象。 二、位错蚀坑的形状 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除谢谢2
2-1.P N + 结空间电荷区边界分别为p x -与n x ,利用2T V V i np n e =导出)(n n x p 表达式。给出N 区空穴为小注入与大注入两种情况下的)(n n x p 表达式。 解:在n x x =处 ()()??? ??????? ??-=?? ? ??-=KT E E n x n KT E E n x p i Fn i n n FP i i n n exp exp ()()VT V i Fp Fn i n n n n e n KT E E n x n x p 22exp =? ?? ? ??-= 而 ()()() 000n n n n n n n n n n n n p x p p p n x n n n p x =+?≈?=+?=+ (n n n p ?=?) ()()T T V V i n n n V V i n n n e n p n p e n n n p 2020=?+?=?+ 2001T V V n i n n n p n p e n n ???+= ?? ? T V V 2 2n n0n i p +n p -n e =0 n p = (此为一般结果) 小注入:(0n n n p <>? 且 n n p p ?= 所以 T V V i n e n p 22=或 T V V i n e n p 2= 2-2.热平衡时净电子电流或净空穴电流为零,用此方法推导方程 2 0ln i a d T p n n N N V =-=ψψψ。 解:净电子电流为 ()n n n n I qA D n x με?=+? 处于热平衡时,I n ＝0 ,又因为 d dx ψ ε=- 所以n n d n n D dx x ψμ?=?,又因为n T n D V μ=(爱因斯坦关系)
第2章 区熔提纯
吉林大学电子科学与工程学院 半导体材料
区熔技术的提出
区熔-区域熔炼（zone melting）
加热环移动方向 再凝固 熔化区 固体
加热环 区域熔炼(示意图)
?半导体工业对原料纯度的要求达到 8 个 “9” (99.999999)以上
一般化学提纯方法无法满足此要求。 ?区熔提纯-1952年蒲凡(W.G.Pfann)提出的一种物理提纯方法
?是制备极高纯度物质的重要方法，可以制备8个“9”以上的半
导体材料（如硅和锗）。
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区熔技术的提出
区熔提纯（zone refining）
(1917-1982)
Zone refining was developed by William Gardner Pfann in Bell Labs as a method to prepare high purity materials for manufacturing transistors.
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区熔技术的提出
1957 年，中科院物理所半导体 室 ( 现中科院半导体所 ) 获得了纯 度为7个“9”的高纯锗。采用金属 锗铸锭进行区域熔炼提纯工艺制 得。 1957 年下半年，中科院物理所 半导体室在林兰英的指导下，以 区熔提纯制备高纯锗为原料研制 出籽晶，拉制出完整的锗单晶。
中国半导体 材料之母— 林兰英
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基本概念题： 第一章半导体电子状态 1.1 半导体 通常是指导电能力介于导体和绝缘体之间的材料，其导带在绝对零度时全空，价带全满，禁带宽度较绝缘体的小许多。 1.2能带 晶体中，电子的能量是不连续的，在某些能量区间能级分布是准连续的，在某些区间没有能及分布。这些区间在能级图中表现为带状，称之为能带。 1.2能带论是半导体物理的理论基础，试简要说明能带论所采用的理论方法。 答： 能带论在以下两个重要近似基础上，给出晶体的势场分布，进而给出电子的薛定鄂方程。通过该方程和周期性边界条件最终给出E-k关系，从而系统地建立起该理论。 单电子近似： 将晶体中其它电子对某一电子的库仑作用按几率分布平均地加以考虑，这样就可把求解晶体中电子波函数的复杂的多体问题简化为单体问题。 绝热近似： 近似认为晶格系统与电子系统之间没有能量交换，而将实际存在的这种交换当作微扰来处理。
1.2克龙尼克—潘纳模型解释能带现象的理论方法 答案： 克龙尼克—潘纳模型是为分析晶体中电子运动状态和E-k关系而提出的一维晶体的势场分布模型，如下图所示 利用该势场模型就可给出一维晶体中电子所遵守的薛定谔方程的具体表达式，进而确定波函数并给出E-k关系。由此得到的能量分布在k空间上是周期函数，而且某些能量区间能级是准连续的（被称为允带），另一些区间没有电子能级（被称为禁带）。从而利用量子力学的方法解释了能带现象，因此该模型具有重要的物理意义。 1.2导带与价带 1.3有效质量 有效质量是在描述晶体中载流子运动时引进的物理量。它概括了周期性势场对载流子运动的影响，从而使外场力与加速度的关系具有牛顿定律的形式。其大小由晶体自身的E-k 关系决定。 1.4本征半导体 既无杂质有无缺陷的理想半导体材料。
半导体晶体缺陷 创建时间：2008-08-02 半导体晶体缺陷(crystal defect of semiconductor) 半导体晶体中偏离完整结构的区域称为晶体缺陷。按其延展的尺度可分为点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷，这4类缺陷都属于结构缺陷。根据缺陷产生的原因可分为原生缺陷和二次缺陷。从化学的观点看，晶体中的杂质也是缺陷，杂质还可与上述结构缺陷相互作用形成复杂的缺陷。一般情况下，晶体缺陷是指结构缺陷。 点缺陷(零维缺陷)主要是空位、间隙原子、反位缺陷和点缺陷复合缺陷。 空位格点上的原子离开平衡位置，在晶格中形成的空格点称为空位。离位原子如转移到晶体表面，在晶格内部所形成的空位，称肖特基空位；原子转移到晶格的间隙位置所形成的空位称弗兰克尔空位。 间隙原子位于格点之间间隙位置的原子。当其为晶体基质原子时称为自间隙原子，化合物半导体MX晶体中的白间隙原子有Mi、Xi两种。 反位缺陷化合物半导体晶体MX中，X占M位，或M占X位所形成的缺陷，记作M X ，X M 。 点缺陷的复合各种点缺陷常可形成更复杂的缺陷，空位或间隙原子常可聚集成团，这些团又可崩塌成位错环等。例如硅单晶中有：双空位、F中心(空位-束缚电子复合体)，E中心(空位-P原子对)，SiO 2团(空位-氧复合体)，雾缺陷(点缺陷-金属杂质复合体)。 硅单晶中主要点缺陷有空位、自间隙原子、间隙氧、替位碳、替位硼、替位铜，间隙铜等。 化合物如GaAs单晶中点缺陷有镓空位(v Ga )、砷空位(V As )、间隙镓(G ai )，间隙砷(A Si )、镓占砷位(As Ga )、 砷占镓位(Ga As )等，这些缺陷与缺陷、缺陷与杂质之间发生相互作用可形成各种复合体。 GaAs中的深能级。砷占镓位一镓空位复合体(As Ga v Ga )、镓占砷位一镓空位复合体(Ga As v Ga )在GaAs中形 成所谓A能级(0.40eV)和B能级(0.71eV)分别称作HB 2、HB 5 ，它们与EL 2 是三个GaAs中较重要的深能级， 这些深能级与某类缺陷或缺陷之间反应产物有关，EL 2是反位缺陷AsGa或其复合体As Ga v Ga V As 所形成，为非 掺杂半绝缘GaAs单晶和GaAs VPE材料中的一个主要深能级，能级位置是导带下0.82eV(也可能由一族深能级所构成)，其浓度为1016cm-3数量级，与材料的化学配比和掺杂浓度有关。 线缺陷(一维缺陷)半导体晶体中的线缺陷主要是位错。晶体生长过程中由于热应力(或其他外力)作用，使晶体中某一部分(沿滑移面)发生滑移，已滑移区与未滑移区的分界线叫位错线，简称为位错。以位错线与其柏格斯矢量的相对取向来区分位错的类型，两者相互垂直叫刃型位错，两者平行的叫螺型位错，否则叫混合位错。混合位错中较常见的有60℃位错，30℃位错。 滑移了一个原子间距所形成的位错又叫全位错，否则叫不全位错。 由于形成直线位错所需能量较高，因此晶体中的位错大都是位错环；位错环又分棱柱位错环和切变位错环两种。
第二章常用半导体器件及应用 一、习题 2.1填空 1. 半导材料有三个特性，它们是、、。 2. 在本征半导体中加入元素可形成N型半导体，加入元素可形成P型半导体。 3. 二极管的主要特性是。 4．在常温下，硅二极管的门限电压约为V，导通后的正向压降约为V；锗二极管的门限电压约为V，导通后的正向压降约为V。 5．在常温下，发光二极管的正向导通电压约为V，考虑发光二极管的发光亮度和寿命，其工作电流一般控制在mA。 6. 晶体管(BJT)是一种控制器件；场效应管是一种控制器件。 7. 晶体管按结构分有和两种类型。 8. 晶体管按材料分有和两种类型。 9. NPN和PNP晶体管的主要区别是电压和电流的不同。 10. 晶体管实现放大作用的外部条件是发射结、集电结。 11. 从晶体管的输出特性曲线来看，它的三个工作区域分别是、、。 12. 晶体管放大电路有三种组态、、。 13. 有两个放大倍数相同，输入电阻和输出电阻不同的放大电路A和B，对同一个具有内阻的信号源电压进行放大。在负载开路的条件下，测得A放大器的输出电压小，这说明A 的输入电阻。 14．三极管的交流等效输入电阻随变化。 15．共集电极放大电路的输入电阻很，输出电阻很。 16．射极跟随器的三个主要特点是、、。 17．放大器的静态工作点由它的决定，而放大器的增益、输入电阻、输出电阻等由它的决定。 18．图解法适合于，而等效电路法则适合于。 19．在单级共射极放大电路中，如果输入为正弦波，用示波器观察u o和u i的波形的相位关系为；当为共集电极电路时，则u o和u i的相位关系为。 20. 在NPN共射极放大电路中，其输出电压的波形底部被削掉，称为失真，原因是Q点(太高或太低)，若输出电压的波形顶部被削掉，称为失真，原因是Q 点(太高或太低)。如果其输出电压的波形顶部底都被削掉，原因是。 21．某三极管处于放大状态，三个电极A、B、C的电位分别为9V、2V和1.4V，则该三极管属于型，由半导体材料制成。 22．在题图P2.1电路中，某一元件参数变化时，将U CEQ的变化情况(增加；减小；不变)填入相应的空格内。 (1) R b增加时，U CEQ将。 (2) R c减小时，U CEQ将。 (3) R c增加时，U CEQ将。 (4) R s增加时，U CEQ将。 (5) β增加时(换管子)，U CEQ将。
第二章习题 1. 实际半导体与理想半导体间的主要区别是什么？ 答：（1）理想半导体：假设晶格原子严格按周期性排列并静止在格点位置上，实际半导体中原子不是静止的，而是在其平衡位置附近振动。 （2）理想半导体是纯净不含杂质的，实际半导体含有若干杂质。 （3）理想半导体的晶格结构是完整的，实际半导体中存在点缺陷，线缺陷和面缺陷等。 2. 以As掺入Ge中为例，说明什么是施主杂质、施主杂质电离过程和n 型半导体。 As有5个价电子，其中的四个价电子与周围的四个Ge原子形成共价键，还剩余一个电子，同时As原子所在处也多余一个正电荷，称为正离子中心，所以，一个As原子取代一个Ge原子，其效果是形成一个正电中心和一个多余的电子.多余的电子束缚在正电中心，但这种束缚很弱,很小的能量就可使电子摆脱束缚，成为在晶格中导电的自由电子，而As原子形成一个不能移动的正电中心。这个过程叫做施主杂质的电离过程。能够施放电子而在导带中产生电子并形成正电中心，称为施主杂质或N型杂质，掺有施主杂质的半导体叫N型半导体。 3. 以Ga掺入Ge中为例，说明什么是受主杂质、受主杂质电离过程和p 型半导体。 Ga有3个价电子，它与周围的四个Ge原子形成共价键，还缺少一个电子，于是在Ge晶体的共价键中产生了一个空穴，而Ga原子接受一个电子后所在处形成一个负离子中心，所以，一个Ga原子取代一个Ge原子，其效果
是形成一个负电中心和一个空穴，空穴束缚在Ga原子附近，但这种束缚很弱，很小的能量就可使空穴摆脱束缚，成为在晶格中自由运动的导电空穴，而Ga原子形成一个不能移动的负电中心。这个过程叫做受主杂质的电离过程，能够接受电子而在价带中产生空穴，并形成负电中心的杂质，称为受主杂质，掺有受主型杂质的半导体叫P型半导体。 4. 以Si在GaAs中的行为为例，说明IV族杂质在III-V族化合物中可能 出现的双性行为。 Si取代GaAs中的Ga原子则起施主作用； Si取代GaAs中的As原子则起受主作用。导带中电子浓度随硅杂质浓度的增加而增加，当硅杂质浓度增加到一定程度时趋于饱和。硅先取代Ga原子起施主作用，随着硅浓度的增加，硅取代As原子起受主作用。 5. 举例说明杂质补偿作用。 当半导体中同时存在施主和受主杂质时， 若（1） N D>>N A 因为受主能级低于施主能级，所以施主杂质的电子首先跃迁到N A个受主能级上，还有N D-N A个电子在施主能级上，杂质全部电离时，跃迁到导带中的导电电子的浓度为n= N D-N A。即则有效受主浓度为N Aeff≈ N D-N A （2）N A>>N D 施主能级上的全部电子跃迁到受主能级上，受主能级上还有N A-N D 个空穴，它们可接受价带上的N A-N D个电子，在价带中形成的空穴浓度p= N A-N D. 即有效受主浓度为N Aeff≈ N A-N D （3）N A N D时，
第二章 1 一个硅p －n 扩散结在p 型一侧为线性缓变结，a=1019cm -4，n 型一侧为均匀掺杂，杂质浓度为3×1014cm －3，在零偏压下p 型一侧的耗尽层宽度为0.8μm ，求零偏压下的总耗尽层宽度、内建电势和最大电场强度。 解：)0(,22≤≤-=x x qax dx d p S εψ )0(,2 2n S D x x qN dx d ≤≤-=εψ 0),(2)(22 ≤≤--=- =E x x x x qa dx d x p p S εψ n n S D x x x x qN dx d x ≤≤-=- =E 0),()(εψ x ＝0处E 连续得x n ＝1.07μm x 总=x n +x p =1.87μm ?? =--=-n p x x bi V dx x E dx x E V 0 516.0)()( m V x qa E p S /1082.4)(25 2max ?-=-= ε,负号表示方向为n 型一侧指向p 型一侧。 2 一个理想的p-n 结，N D ＝1018cm －3，N A ＝1016cm －3，τp ＝τn ＝10－6s ，器件的面积为1.2×10－5cm －2，计算300K 下饱和电流的理论值，±0.7V 时的正向和反向电流。 解：D p ＝9cm 2/s ，D n ＝6cm 2/s cm D L p p p 3103-?==τ，cm D L n n n 31045.2-?==τ n p n p n p S L n qD L p qD J 0 + = I S =A*J S =1.0*10-16A 。 ＋0.7V 时，I ＝49.3μA ， －0.7V 时，I ＝1.0*10-16A 3 对于理想的硅p +-n 突变结，N D ＝1016cm －3，在1V 正向偏压下，求n 型中性
习题 2-1．填空 （1）N型半导体是在本征半导体中掺入；P型半导体是在本征半导体中掺入。 （2）当温度升高时，二极管的反向饱和电流会。 （3）PN结的结电容包括和。 （4）晶体管的三个工作区分别是、和。在放大电路中，晶体管通常工作在区。 （5）结型场效应管工作在恒流区时，其栅-源间所加电压应该。（正偏、反偏） 答案：（1）五价元素；三价元素；（2）增大；（3）势垒电容和扩散电容；（4）放大区、截止区和饱和区；放大区；（5）反偏。 2-2．判断下列说法正确与否。 （1）本征半导体温度升高后，两种载流子浓度仍然相等。（） （2）P型半导体带正电，N型半导体带负电。（） （3）结型场效应管外加的栅-源电压应使栅-源间的耗尽层承受反向电压，才能保证R GS大的特点。（） （4）只要在稳压管两端加反向电压就能起稳压作用。（） （5）晶体管工作在饱和状态时发射极没有电流流过。（） （6）在N型半导体中如果掺入足够量的三价元素，可将其改型为P型半导体。（）（7）PN结在无光照、无外加电压时，结电流为零。（） （8）若耗尽型N沟道MOS场效应管的U GS大于零，则其输入电阻会明显减小。（）答案：（1）对；温度升高后，载流子浓度会增加，但是对于本征半导体来讲，电子和空穴的数量始终是相等的。 （2）错；对于P型半导体或N型半导体在没有形成PN结时，处于电中性的状态。 （3）对；结型场效应管在栅源之间没有绝缘层，所以外加的栅-源电压应使栅-源间的耗尽层承受反向电压，才能保证R GS大的特点。 （4）错；稳压管要进入稳压工作状态两端加反向电压必须达到稳压值。 （5）错；晶体管工作在饱和状态和放大状态时发射极有电流流过，只有在截止状态时没有电流流过。 （6）对；N型半导体中掺入足够量的三价元素，不但可复合原先掺入的五价元素，而且可使空穴成为多数载流子，从而形成P型半导体。 （7）对；PN结在无光照、无外加电压时，处于动态平衡状态，扩散电流和漂移电流相等。 （8）错。绝缘栅场效应管因为栅源间和栅漏之间有SiO2绝缘层而使栅源间电阻非常大。因此耗尽型N沟道MOS场效应管的U GS大于零，有绝缘层故而不影响输入电阻。 2-3．为什么说在使用二极管时，应特别注意不要超过最大整流电流和最高反向工作电压？ 答：当正向电流超过最大整流电流会使二极管结温过高，性能变坏，甚至会烧毁二极管；当反向工作电压超过最高反向工作电压时，会发生击穿。 2-4．当直流电源电压波动或外接负载电阻R L变动时，稳压管稳压电路的输出电压能
半导体器件物理(第二版)第二章答案
2-1．P N + 结空间电荷区边界分别为p x -和n x ，利用 2T V V i np n e =导出)(n n x p 表达式。给出N 区空穴为 小注入和大注入两种情况下的)(n n x p 表达式。 解：在 n x x =处 ()()??? ??? ???? ??-=?? ? ??-=KT E E n x n KT E E n x p i Fn i n n FP i i n n exp exp ()()VT V i Fp Fn i n n n n e n KT E E n x n x p 22exp =? ?? ? ??-= 而 ()()()000n n n n n n n n n n n n p x p p p n x n n n p x =+?≈?=+?=+ （n n n p ?=?） ()()T T V V i n n n V V i n n n e n p n p e n n n p 202 0=?+?=?+ 200 1T V V n i n n n p n p e n n ???+= ??? T V V 22n n0n i p +n p -n e =0 T V V 2 2n0n0i n -n +n +4n e p = (此为一般结果) 小注入：（0 n n n p <>? 且 n n p p ?= 所以 T V V i n e n p 22=或 T V V i n e n p 2= 2-2．热平衡时净电子电流或净空穴电流为零， 用此方法推导方程
第二章习题参考答案 2-1 N 型半导体中的多数载流子是电子，P 型半导体中的多数载流子是空穴，能否 说N 型半导体带负电，P 型半导体带正电？为什么? 答 不能。因为不论是N 型半导体还是P 型半导体，虽然它们都有一种载流子占多数，整个晶体仍然不带电。因原子核外层电子和空穴的总带电量总是与原子核电量相等，极性相反，所以不能这样说。 2-2 扩散电流是由什么载流子运动而形成的?漂移电流又是由什么载流子在何种作用下而形成的? 答 扩散电流是由多数载流子运动而形成的；漂移电流是由少数载流子运动形成的。 2-3 把一个PN 结接成图2-42所示的电路，试说明这三种情况下电流表的读数有什 么不同?为什么？ a) b) c) 图2-42 题2-3图 答 a ）电流表无读数。因为电路中无电源，PN 结本身不导电。 b ）电流表读数 R E 。因为PN 结正向导通，结压降近似为零。。 c ）电流表读数很小或为零。因为PN 结反向截止，电路不通。 2-4 图2-43a 是输入电压I u 的波形。试画出对应于I u 的输出电压O u ，电 阻R 上电压R u 和二极管V 上电压V u 的波形，并用基尔霍夫电压定律检验各电压之间的关系。二极管的正向压降可忽略不计。 a) b) 图2-43 题2-4图
2 解 题2-4解图 2-5 在图2-44的各电路图中，V 5=E ，V sin 10t u i ω=，二极管的正向 压降可忽略不计，试分别画出输出电压O u 的波形。 a) b) c) d) 图2-44 题2-5图
3 解 a) b) c) d) 题1-5解图 2-6 在图2-45所示的两个电路中，已知V sin 30t u i ω=，二极管的正向压 降可忽略不计，试分别画出输出电压o u 的波形。 a ） b) 图2-45 题2-6图
半导体材料中的杂质 半导体材料中的杂质(impurity in semiconductor material) 半导体晶格中存在的与其基体不同的其他化学元素原子。杂质的存在使严格按周期性排列的原子所产生的周期性势场受到破坏，这对半导体材料的性质产生决定性的影响。杂质元素在半导体材料中的行为取决于它在半导体材料中的状态，同一种杂质处于间隙态或代位态，其性质也会不同。电活性杂质在半导体材料的禁带中占有一个或几个位置作为杂质能级。按照杂质在半导体材料中的行为可分为施主杂质、受主杂质和电中性杂质。按照杂质电离能的大小可分为浅能级杂质和深能级杂质。浅能级杂质对半导体材料导电性质影响大，而深能级杂质对少数载流子的复合影响更显著。氧、氮、碳在半导体材料中的行为比较复杂，所起的作用与金属杂质不同，以硅和砷化镓为例叙述杂质的行为。 硅中的杂质主要有金属杂质和氧、碳。 金属杂质分为浅能级杂质和深能级杂质。Ⅲ族元素硼、铝、镓、铟和V族元素磷、砷、锑，它们在硅中的能级，位于导带底或价带顶的附近，电离能级小，极易离化，因此称为浅能级杂质。它们是硅中主要的电活性杂质。Ⅲ族元素起受主作用，V族元素起施主作用，常用作硅的掺杂剂。这两种性质相反的杂质，在硅中首先相互补偿，补偿后的净杂质量提供多数载流子浓度。 其他金属杂质，尤其是过渡元素(重金属)，如铜、银、金、铁、钴、镍、铬、锰、钼等，在硅中的能级位置一般远离导带底或价带顶，因此称为深能级杂质。它们在硅中扩散快，并起复合中心作用，严重影响少子寿命。它们本身可产生缺陷，并易与缺陷络合，恶化材料和器件的性能。除特殊用途外，重金属元素在硅中都是有害杂质。 镍、钴、铜、铁、锰、铬和银所造成的“雾”缺陷，按次序降低。铜和镍具有高的扩散系数和高的间隙溶解度，在“雾”缺陷形成中，它们会溶解、扩散并沉淀在硅中，而铁、铬、钴则在热处理中将留在硅的表面。 锂、钠、钾、镁、钙等碱金属和碱土金属离子，在电场作用下易在p—n结中淀积，使结退化，导致击穿蠕变，MOs阈电压漂移，沟道漏电，甚至反型。 锗是替位式杂质，电中性，能有效地消除氧化片滑移，增加硅的机械强度。 氧氧在硅中是间隙型杂质，分散在硅中的氧原半bar1子呈电中性。是硅中含量最多又极为重要的杂质。硅中氧主要来源于熔融硅与石英坩埚的反应。因此直拉硅单晶比区熔硅单晶的氧含量要高得多。前者一般在1～1.7×1018cm-3，后者则可<5×1015cm-3。氧在硅中的极限溶解度约为2×1018cm-3。 间隙氧原子与最邻近的硅原子键合成为si-0-Si键，键角约162°，称为准线性分子。si—O键振动在室温下有三个对应的吸收峰，分别为1205cm-1、1106cm-1和515cm-1。 氧在硅中的行为及其状态与热处理过程有密切关系。表面氧沉淀会造成漏电，甚至使器件失效。体内低密度的氧沉淀有吸除金属杂质的作用。但高密度的氧沉淀则能产生位错，使硅片翘曲。氧施主的存在使硅片电阻率变化，器件的阈值电压漂移。晶体内的氧可起钉扎位错的作用，使硅片机械强度增加，因此制作集成电路多用直拉硅单晶。
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。造成原因：晶体生长过程中固-液界面处存在固态小颗粒、机械振动、拉晶速度过快、温度的突变以及熔体中局部过冷都会造成核中心而产生孪晶。
半导体材料中的杂质 impurity in semiconductor material 半导体晶格中存在的与其基体不同的其他化学元素原子。杂质的存在使严格按周期性排列的原子所产生的周期性势场受到破坏，这对半导体材料的性质产生决定性的影响。杂质元素在半导体材料中的行为取决于它在半导体材料中的状态，同一种杂质处于间隙态或代位态，其性质也会不同。电活性杂质在半导体材料的禁带中占有一个或几个位置作为杂质能级。 按照杂质在半导体材料中的行为可分为施主杂质、受主杂质和电中性杂质。按照杂质电离能的大小可分为浅能级杂质和深能级杂质。浅能级杂质对半导体材料导电性质影响大，而深能级杂质对少数载流子的复合影响更显著。氧、氮、碳在半导体材料中的行为比较复杂，所起的作用与金属杂质不同，以硅和砷化稼为例叙述杂质的行为。硅中的杂质主要有金属杂质和氧、碳。金属杂质分为浅能级杂质和深能级杂质。l族元素硼、铝、稼、锢和v族元素磷、砷、锑，它们在硅中的能级，位于导带底或价带顶的附近，电离能级小，极易离化，因此称为浅能级杂质。它们是硅中主要的电活性杂质。妞族元素起受主作用，v 族元素起施主作用，常用作硅的掺杂剂。这两种性质相反的杂质，在硅中首先相互补偿，补偿后的净杂质量提供多数载流子浓度。其他金属杂质，尤其是过渡元素(重金属)，如铜、银、金、铁、钻、镍、铬、锰、铂等，在硅中的能级位置一般远离导带底或价带顶，因此称为深能级杂质。它们在硅中扩散快，并起复合中心作用，严重影响少子寿命。它们本身可产生缺陷，并易与缺陷络合，恶化材料和器件的性能。除特殊用途外，重金属元素在硅中都是有害杂质。镍、钻、铜、铁、锰、铬和银所造成的“雾”缺陷，按次序降低。铜和镍具有高的扩散系数和高的间隙溶解度，在“雾”缺陷形成中，它们会溶解、扩散并沉淀在硅中，而铁、铬、钻则在热处理中将留在硅的表面。铿、钠、钾、镁、钙等碱金属和碱土金属离子，在电场作用下易在p一n结中淀积，使结退化，导致击穿蠕变，MOS闽电压漂移，沟道漏电，甚至反型。锗是替位式杂质，电中性，能有效地消除氧化片滑移，增加硅的机械强度。氧氧在硅中是间隙型杂质，分散在硅中的氧原子呈电中性。是硅中含量最多又极为重要的杂质。硅中氧主要