半导体晶体结构和缺陷
半导体物理学-半导体中杂质和缺陷能级模板
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
n 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
深能级杂质产生多次电离：
3）III族元素硼、铝、镓、铟、铊在锗和硅中各产生1个 浅受主能级，而铝在硅中，还能产生1个施主能级。
4）IV族元素碳在硅中产生1个施主能级，而锡和铅在硅 中产生1个施主能级和1个受主能级。
5）V族元素磷、砷、锑在硅和锗中各产生一个浅施主 能级。
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
n 2.1.2 施主杂质、施主能级 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Ⅴ族原子形成一个不能移动的 正电中心。
硅、锗中的Ⅴ族杂质，能够释放电子而产生导电 电子并形成正电中心，称为施主杂质或N型杂质， 掺有N型杂质的半导体叫N型半导体。施主杂质未 电离时是中性的，电离后成为正电中心。
mn* 0.12m0
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
n 晶体内杂质原子束缚的电子与类氢模型相比：
m0mn*, mp*; 0 r0
施主杂质的电离能： E D8m r2n *q 0 24 h2m m 0 n *E r2 01.6 3m m 0n *r2
Si: mn* 0.26m0 r 12 ED0.02e5V
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
晶体的结构缺陷精简
形成原因
点缺陷
由于晶体中原子或分子的缺失、多余 或错位，导致局部的原子排列异常。 常见的点缺陷包括空位、间隙原子和 替位式杂质等。
线缺陷
面缺陷
晶体中原子或分子的平面排列异常， 如晶界、相界和表面等。
晶体中由于原子或分子的排列不连续 而形成的线性异常区域，如位错。
对晶体性质的影响
物理性质
晶体结构缺陷可以影响晶体的热 学、光学、电学和磁学等物理性 质。例如，金属导体的电阻率会
03
线缺陷
位错概念
位错
晶体中某处有一列或若干列原子 发生了有规律的错排或缺失，从 而使晶体结构发生畸变，这种畸 变可以延伸到相当远的区域，称
为位错。
位错线
位错延伸的方向称为位错线，其 运动方向与位错线垂直。
柏氏矢量
描述位错特征的矢量，其大小表 示位错的大小，方向表示位错线
的方向。
位错类型
刃型位错
肖脱基缺陷
总结词
肖脱基缺陷是由于晶体表面上的原子 迁移到内部而形成的表面空位。
详细描述
在晶体表面，原子由于热运动或其他 原因迁移到晶体内部，留下表面空位 。这种缺陷通常在高温或高真空条件 下形成。
间隙原子与空位
总结词
间隙原子和空位缺陷是由于原子或分子的位置偏离正常格点 而形成的。
详细描述
间隙原子是指原子进入晶格间隙位置，而空位则是在正常格 点位置上形成的空位。这两种缺陷对晶体的物理和化学性质 产生影响。
表面缺陷在半导体器件、光电 子器件、催化等领域有重要应 用，例如表面改性、表面增强 拉曼散射等。
05
体缺陷
沉淀与固溶体
沉淀
当晶体内部某些组分由于过饱和而析出，形成与基体不同的相，即为沉淀。
tio2 缺陷结构
tio2 缺陷结构
TIO2（二氧化钛）是一种常见的半导体材料，晶体结构主要
有锐钛矿型（Rutile）、金红石型（Anatase）和布列斯特型（Brookite）等。
这些晶体结构中都存在一些缺陷。
常见的TIO2缺陷结构包括点缺陷、线缺陷和面缺陷。
1. 点缺陷：点缺陷是晶体中原子位置存在缺陷造成的。
例如，氧空位是一种常见的点缺陷。
它指的是晶体中某些氧原子位置上缺少氧原子的情况。
此外，还有钛空位和氧空位相互配对的Frenkel缺陷。
2. 线缺陷：线缺陷是晶体中存在着一维缺陷的区域。
例如，晶体中某些原子沿着某个方向排列出现错位或空缺，形成了位错或孤立线缺陷。
3. 面缺陷：面缺陷是晶体中存在着二维缺陷的区域。
例如，晶体中的晶界和位错墙就是一种面缺陷。
晶界是晶体中两个晶粒的交界处，位错墙是晶体中沿某个方向存在位错的平面。
这些缺陷结构在TIO2的性质和应用中起到重要作用。
它们可
以影响材料的机械性能、光学性质、电学性质等，也对光催化、光伏等应用具有一定的影响。
因此，研究和控制TIO2的缺陷
结构对于提高其性能和开发新的应用具有重要意义。
第二章-半导体中杂质和缺陷能级
17
ND >>NA时,由于受主能级低 于施主能级, 施主杂质的电子首 先跳到受主杂质的能级上，此 时还有ND- NA个电子在施主能 级上。
在杂质全部电离时,它们跃迁 到导带成为导电电子,有ND- NA 个导带电子,半导体是n型的。
2.1.5 杂质的补偿作用
p＝N A－ND N A
正如一般电子为晶体原子所束缚的情况，电子也可以受杂质的束 缚，形成杂质能级。电子也具有确定的能级，这种杂质能级处于 禁带（带隙）之中，它们对实际半导体的性质起着决定性作用。
2
2.1.1 间隙式杂质和替位式杂质
按照球形原子堆积模型，金刚石型晶体的一个原胞中的8个 原子只占该晶胞体积的34％，还有66％是空隙。
• 加入少一个价电子的替位式杂质原子，在 与近邻4个原子形成共价键时，缺少了一 个电子，这样就使得此处的共价键中相比 原来缺少了一个电子。其它价键中的电子 很容易来填补这个空缺。这样一来，杂质 处多了一个负电荷，同时满带处取去了一 个电子，亦即多一个空穴。如同这个空穴 可以被杂质负电荷所束缚，并类似氢原子 的情形，只有正负电荷对调了，这样一个 束缚的空穴相当于一禁带中一个空的受主 能级。
• Si中几种Ⅴ族施主电离能如下：
• Si中几种Ⅲ族受主电离能如下：
杂质基态的玻尔半径（Bohr):
aB
0 sh2 m * q2
s ( mm0*)a0
0.52
s
(
m*) m0
a0是氢原子基态的玻尔半径
2.1.5 杂质的补偿作用
当同一块半导体中同时存在施主杂质和受主杂质时， 这种两种不同类型的杂质有相互抵偿的作用，称为杂 质补偿作用。
施主杂质 施主电离
第二章 半导体中的杂质和缺陷
半导体物理学
22
深能级的基本特点： 1、含量极少，而且能级较深，不易在室温下电离， 对载流子浓度影响不大； 2、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。 3、能级位臵利于促进载流子的复合，其复合作用 比浅能级杂质强，使少数载流子寿命降低，称 这些杂质为复合中心杂质。（在第五章详细讨 论） 4、深能级杂质电离后对载流子起散射作用，使载 流子迁移率减少，导电性能下降。
半导体物理学
7
施主电离
ED
ED
EC
△ED=EC-ED
ED
电离的结果：导带中的电子数增 加了，这即是掺施主的意义所在。
Eg
施 主 电 离 能：△ED=EC-ED
EV
半导体物理学
8
2.1.3
受主杂质
受主能级
受主杂质 III 族元素在硅、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， 称此类杂质为受主杂质或p型杂质。
浅能级杂质 = 杂质离子 + 束缚电子（空穴）
正、负电荷所处介质：
半导体物理学
0 r
14
q2 电势能 U( r ) 40 r r
mn q mn E0 施主电离能 E D 2 (3) 2 2 2 m0 r 8 0 r h
E0 受主电离能 E A 2 ( 4) 2 2 2 m0 r 8 0 r h mp q
概念：受主电离 受主电离能 p型半导体
受主能级
半导体物理学
9
以硅中掺In为例： In原子占据硅原子的位臵， 与周围的四个硅原于形成共价 键时还缺一个电子，就从别处 夺取价电子，这就在Si形成了 一个空穴。这时In原子就成为 多了一个价电子的离子，它是 一个不能移动的负电中心。空 穴只要很少能量就可挣脱束缚， 成为导电空穴在晶格中自由运 动。
晶体结构与缺陷
晶体结构与缺陷晶体是一种有着高度有序排列的原子、离子或分子的固体材料。
晶体的结构对其性质和应用具有重要影响，而缺陷则是晶体中不完美的部分。
本文将探讨晶体结构、晶格缺陷和它们在材料中的影响。
一、晶体结构晶体结构是指晶体中原子、离子或分子的排列方式。
晶体的结构可以通过晶体学方法（如X射线衍射）来表征。
根据晶体的结构特征，可以将晶体分为多种类型，包括立方晶系、正交晶系、单斜晶系等。
晶体结构的基本单位是晶胞，晶胞由晶体中最小的重复单元构成。
在晶体结构中，晶胞有各种不同的排列方式，例如简单立方晶胞、面心立方晶胞和体心立方晶胞。
这些不同的排列方式导致了不同类型的晶体结构。
二、晶格缺陷晶格缺陷是指晶体中原子、离子或分子位置的非理想性质。
晶格缺陷可以通过外部环境和材料制备过程中的条件引入。
晶格缺陷可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。
1. 点缺陷点缺陷是指晶体中少数几个原子、离子或分子的位置与理想排列位置有所偏离。
最常见的点缺陷是空位缺陷和杂质缺陷。
空位缺陷是指晶体中某个位置上的原子或离子缺失，而杂质缺陷是指原子或离子被其他类型的原子或离子替代。
点缺陷可以对晶体的性质和行为产生重要影响。
例如，在半导体材料中，控制杂质缺陷的浓度可以改变材料的电导率。
在金属材料中，点缺陷可以影响金属的硬度、延展性和热导率等物理性能。
2. 线缺陷线缺陷是指晶体中沿某个方向出现的缺陷线。
常见的线缺陷包括位错和螺旋位错。
位错是晶体中原子排列顺序的偏移，而螺旋位错则是沿某个方向上原子排列的扭曲。
线缺陷可以导致晶体的塑性变形和断裂行为。
位错的运动可以使晶体发生滑移，从而导致材料的塑性变形。
而螺旋位错则可以在晶体中形成螺旋状的断裂。
3. 面缺陷面缺陷是指晶体中的平面缺陷。
最常见的面缺陷是晶界和孪晶。
晶界是两个晶粒之间的界面，它们的晶体结构可能有所不同。
孪晶是指两个对称的晶体结构在某个面上镜面对称的结合。
面缺陷可以对晶体的物理性能产生重要影响。
晶界可以影响晶体的弹性模量和导电性能。
半导体晶体缺陷
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MX ，XM。
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)，SiO2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(vGa )、砷空位(VAs)、间隙镓(Gai)，间隙砷(ASi)、镓占砷位(AsGa)、砷占镓位(GaAs)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(AsGa vGa)、镓占砷位一镓空位复合体(GaAsvGa)在GaAs中形成所谓A能级(0.40eV)和B能级(0.71eV)分别称作HB2、HB5，它们与EL2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，EL2是反位缺陷AsGa或其复合体AsGavGaVAs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。
杂质和缺陷在半导体中的作用
杂质和缺陷在半导体中的作用半导体作为一种重要的材料，在现代科技和电子领域中扮演着重要的角色。
然而，即使是最纯净的半导体也不会是完美的。
杂质和缺陷不可避免地存在于半导体中，并对其性能和功能产生深远的影响。
本文将探讨杂质和缺陷在半导体中的作用，以及它们为半导体的应用带来的挑战和机会。
首先，让我们来关注杂质对半导体性能的影响。
杂质是指在晶体中插入的一些不同原子或分子。
这些杂质可以是意外存在的，也可以是有意添加的。
杂质的类型和浓度决定了半导体的电学性质。
例如，掺入少量的硼元素可以使硅半导体呈现P型特性，而掺入磷元素则使其呈现N型特性。
此外，其他金属杂质的存在也可以改变半导体材料的导电性能。
因此，通过控制杂质的类型和浓度，我们可以定制半导体材料的性能，以适应不同的应用需求。
此外，缺陷也是影响半导体性能的重要因素。
缺陷可以是晶体结构中的点状、线状或面状缺陷，也可以是晶粒边界或界面缺陷。
缺陷的存在会影响到半导体的电学、光学和热学性能。
例如，晶体缺陷可能导致载流子的散射和捕获，从而降低半导体的载流子迁移率和导电能力。
这对于电子器件的性能产生明显的影响。
另外，晶体缺陷还可能在光学应用中引起能带结构的变化，从而影响到光的吸收、发射和传输。
因此，在半导体制备和器件设计过程中，对缺陷的控制和优化是非常关键的。
然而，尽管杂质和缺陷会对半导体产生不可忽视的影响，但它们也为半导体的应用带来了一些机会。
例如，杂质和缺陷可以用来制造特定的半导体器件。
一些杂质如磷和铋可以增加半导体的禁带宽度，从而制造出高能隙的半导体材料，用于制备太阳能电池、激光器和LED等器件。
此外，通过引入特定的缺陷或控制晶体缺陷的分布，还可以改变半导体的磁性和光学性质，开发出新型的磁性材料和纳米光子学器件。
然而，杂质和缺陷也给半导体的制备和应用带来了一些挑战。
首先，杂质和缺陷的生成和控制是一个复杂的过程。
制备高纯度的半导体材料需要采用精细的制备工艺和精确的控制方法。
半导体晶体结构和缺陷
半导体晶体结构和缺陷半导体是一种介于导体和绝缘体之间的材料，具有很多独特的性质和应用。
在分子水平上，半导体由一系列原子组成。
这些原子有一定的排列方式，形成了晶体结构。
晶体结构的完整性对半导体材料的性能和性质起着至关重要的作用。
半导体晶体结构通常采用三种常见的结构类型：立方晶格、钻石晶格和六边形晶格。
对于立方晶格结构，每个原子都包围着8个相邻的原子，形成了一个立方体。
钻石晶格结构是由两个延伸的、相互交错的面心立方体组成的。
六边形晶格结构则是由六个等距的原子组成的环形结构。
这些不同的结构类型决定了半导体的电子能带结构和电子运动的方式。
半导体晶格结构中可能存在各种类型的缺陷，这些缺陷对半导体材料的性质和性能产生重要影响，同时也为一些应用提供了潜在的优势。
下面介绍一些常见的半导体晶格缺陷。
1.点缺陷：点缺陷是晶体结构中最简单的种类，它们是由缺失或替代原子引起的。
缺失原子形成的空位缺陷能够捕获电子或空穴，从而影响电子和空穴的移动性。
2.赋锗瑕疵：赋锗瑕疵是一种晶格点缺陷，即原子被替代为一个不同元素的原子。
这种替代可能导致该区域的能带发生变化，并影响材料的电子性质。
3.界面缺陷：界面缺陷是晶体结构中两个不同晶体之间的缺陷，形成的界面是不完美的。
这些界面缺陷会导致电子和空穴的散射和捕获，影响材料的载流子传输性质。
4.外延缺陷：外延缺陷是在晶体表面生长的过程中形成的缺陷，由于压力差和表面张力的影响，晶格结构在表面上变形。
这种变形会导致表面损伤和晶格点缺陷的形成。
这些缺陷在半导体材料的性质和性能中起着重要作用。
一方面，缺陷可以捕获和释放电子和空穴，从而影响电荷运输性质和载流子寿命。
另一方面，缺陷还可能引起光学效应，如发光或吸收，这些效应在半导体器件中具有广泛的应用。
因此，对半导体材料中晶格结构和缺陷的深入理解是提高半导体器件性能和开发新型器件的关键。
总之，半导体晶体结构和缺陷对半导体材料的性质和性能起着重要作用。
半导体中的杂质和缺陷
实际半导体： 1、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。 2、杂质电离提供载流子。
杂质半导体
主要内容
§2-1 元素半导体中的杂质能级
1. 浅能级杂质能级和杂质电离； 2. 浅能级杂质电离能的计算； 3. 杂质补偿作用 4. 深能级杂质的特点和作用
也产生受主能级。
0.35eV
EA ED
能起到复合中心作用，
Ev
使少数载流子寿命降
低。
Au doped Silicon
§2-2 化合物半导体中的杂质能级
Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体中的杂质
理想的GaAs晶格
价键结构： 含有离子键成分的 共价键结构
Ga-
As+
Ga
As
Ga
As
Ga
As
Ga
受主杂质
施主杂质
Ge 0.012 0.012 0.009
6
7
6
含有施主杂质的半导体，其导电的载流子主要 是电子——N型半导体，或电子型半导体
2. ⅢA族替位杂质——受主杂质
在Si中掺入B
＋
B获得一个电子变成 负离子，成为负电中
心，周围产生带正电 的空穴。
B－－
EA
B具有得到电子的性质，这类杂质称为受主杂质。 受主杂质向价带提供空穴。 受主浓度：NA
替代III族元素
替代Ⅴ族元素
两性杂质
III、Ⅴ族元素
等电子杂质——同族原子取代
●等电子杂质
等电子杂质是与基质晶体原子具有同数量 价电子的杂质原子．替代了同族原子后， 基本仍是电中性的。但是由于共价半径和 电负性不同，它们能俘获某种载流子而成 为带电中心。带电中心称为等电子陷阱。
第二章 半导体中的杂志和缺陷
硅、锗在T=0K 时的Eg为1.170eV和0.7437eV
How to calculate it?
浅施主杂质电离能的计算（类氢原子模型）
（ 1） ： 氢 原 子 中 的 电 子 的 运 动 轨 道 半 径为： 2
εrεoh 2 rH = n 2 moπ q
+
n=1 为基态电 子的运动轨迹
Si 中受正电中心 P 束缚的电子的运动轨道半 径，考虑正负电荷处在介电常数不同的介质 中以及晶格周期性势场的影响
本征半导体（intrinsic）能带：
Eg
没有 能级
实际半导体（extrinsic）：
1、晶体中晶格位置的原子在平衡位置振动
点缺陷 空位 位错 层错
缺陷的出现：
线缺陷 面缺陷
2、和晶体基质原子不同的杂质原子的存在
无意掺杂 源材料和工艺 有目的控制 材料性质
杂质的出现：
有意掺杂
杂质和缺陷对能带结构的影响： 在半导体的禁带中引入杂质或缺陷能级 影响半导体的电、光性质。
4.杂质的补偿作用
半导体中同时存在施主和受主杂质，施主和 受主之间有互相抵消的作用
(1)ND＞NA
Ec ED 电离施主 电离受主
Ev
n=ND-NA
此时半导体为n型半导体
(2) ND<NA
Ec 电离施主 电离受主 EA Ev ED
p=NA- ND 此时半导体为p型半导体
(3) ND≈NA 杂质的高度补偿
对上述氢原子模型修正
修正
(ε r )Si ε o h 2 r = n * 2 me π q
2
(ε r ) Si = 12
m e = 0.4 m o
*
电子基态的运动半径为：
半导体材料的基础知识
半导体材料的基础知识半导体材料是一种在现代电子学和信息技术中应用广泛的材料。
它的基础性质和应用原理可以说是当代物理学和电子技术的重要研究内容。
在本文中，我们将介绍半导体材料的基础知识。
1. 半导体材料的基本结构半导体材料通常由硅，锗，蓝宝石，碳化硅等多种材料组成。
半导体材料的结构比较复杂，但是可以分为三个主要部分：晶格结构，杂质、缺陷与材料表面。
（1）晶格结构半导体材料是由晶体结构组成的，它具有一定的周期性和对称性。
硅族元素和氮族元素晶格结构通常为立方晶系，锗和砷的晶格结构则为钻石晶系。
晶格结构的大小和组成决定了材料的物理性质。
（2）杂质、缺陷和材料表面半导体材料的表面和晶界可能存在杂质和缺陷。
杂质是指掺入半导体晶体中的不同元素，通常称为掺杂。
这种掺杂可以改变材料的特性，如电导率、热导率等，从而使其达到所需的性能。
缺陷则是材料的晶体中的结构性变化。
他们可以导致材料的导电性变化，从而影响整个电子系统的运行效果。
2. 半导体物理特性半导体材料数电子学通常被用于发展系统和设备。
因为半导体材料具有一些特殊的物理和电学特性。
（1）导电类型半导体材料的导电型别主要有p型和n型。
它们的特点在于材料中的掺杂浓度不同。
p型是指加入含有三个电子的元素，取代了材料中原来的元素。
这些三价元素可以在p型半导体中留下空位置，其中可以容纳自由电子，从而形成电子空穴。
n型半导体与p 型有所不同，它是通过向材料中掺入含有五个电子的元素来形成的，如磷、硒等元素。
这些五价元素可以提供更多的自由电子，从而导致电子流通的过程。
（2）禁带宽度半导体材料有一个固有的能带结构，这个能带称为禁带。
当材料导电时，电子从导带中被激发到价带中。
而导带和价带之间的距离称为禁带宽度。
这个宽度影响材料的电性质，并且也很重要，因为它决定了材料能否被用作半导体器件的基础。
3. 典型半导体器件半导体材料不仅可以作为电子元器件的基础材料，还可以制成各种各样的器件。
半导体材料的微观结构与缺陷分析研究
半导体材料的微观结构与缺陷分析研究半导体材料作为现代电子器件的基础，其微观结构与缺陷分析显得尤为重要。
本文将探讨半导体材料微观结构的基本概念以及常见的缺陷类型，并介绍一些常用的分析方法。
一、半导体材料的微观结构半导体材料的微观结构是指由原子、晶体、晶粒和晶内缺陷等组成的结构。
从原子的角度来看，半导体材料由原子核和围绕核运动的电子组成。
不同的原子种类和排列方式决定了半导体材料的性质。
例如，硅材料由硅原子组成，具有较好的半导体特性。
从晶体的角度来看，半导体材料具有有序的、重复出现的结构，称为晶格。
晶格可以分为面心立方、体心立方和简单立方等。
晶格的排列方式直接影响到半导体材料的电学和光学性质。
晶粒是指晶体中较大且连续的晶体区域。
晶粒的大小和分布对半导体材料的性能有一定影响。
较小均匀的晶粒有助于减少缺陷，提高半导体材料的性能。
除了上述的基本结构，半导体材料还存在着一些缺陷，接下来将详细介绍。
二、半导体材料的缺陷类型半导体材料的缺陷可以分为点缺陷、线缺陷和体缺陷三种类型。
1. 点缺陷：点缺陷是指晶体中一个或几个原子的位置出现异常，包括空位、杂质原子和氧化物等。
这些点缺陷会导致晶体结构的紊乱，从而影响半导体材料的导电性能。
2. 线缺陷：线缺陷是指晶体中存在着一维缺陷，如位错和蚀刻沟等。
位错是指晶体中原子排列异常的地方，常常由于晶体生长过程中的应力造成。
蚀刻沟则是指晶体表面的缺陷，可以通过蚀刻过程得到。
3. 体缺陷：体缺陷是指晶体中存在着三维缺陷，如晶界和空间晶格缺陷等。
晶界是两个晶粒的交界处，存在有错配和晶格偏移等缺陷。
空间晶格缺陷是指晶体内部存在着误差的晶格结构，如空穴和空隙等。
了解半导体材料的微观结构和缺陷类型对于分析其性能和改进制备工艺具有重要意义。
下面将介绍一些常用的分析方法。
三、半导体材料的缺陷分析方法1. 透射电镜：透射电镜是一种基于电子束穿透样品并产生像的技术。
通过透射电镜可以观察到半导体材料中的晶体结构和缺陷，如晶格的排列、晶界和位错等。
缺陷与杂质对半导体性质的影响研究
缺陷与杂质对半导体性质的影响研究在当今的科技和电子领域中，半导体起着举足轻重的作用。
然而，在半导体的制造过程中，难免会引入各种缺陷和杂质。
这些缺陷和杂质不仅会对半导体的结构产生影响，还会对其性质产生深远的影响。
本文将探讨缺陷与杂质对半导体性质的影响研究。
一、缺陷与杂质的分类半导体中的缺陷和杂质可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。
点缺陷是指原子晶格中的空位或原子替代点。
线缺陷是指晶体中的位错线、螺旋线等缺损。
面缺陷是指晶体表面的缺陷。
而杂质则是指非半导体晶体结构中的外来原子。
二、缺陷和杂质对半导体性质的影响1. 电学性质缺陷和杂质对半导体的电学性质有重要影响。
在p型半导体中，杂质原子可以成为多余的电子，从而增加半导体的导电性。
而在n型半导体中，杂质原子会形成电子缺陷，并且减少杂质的导电性。
此外，缺陷还会影响半导体的迁移率、载流子浓度等参数，进而影响其电学性能和性质。
2. 光学性质缺陷和杂质对半导体的光学性质也有显著影响。
例如，半导体中的杂质能级会改变半导体的禁带宽度，从而影响其吸收以及发射光谱的范围和峰值。
激子（由电子和空穴对形成的束缚态）的形成和衰减也常常与缺陷有关。
此外，缺陷还可能引起光学吸收的增强或减弱，导致光学效率的提高或降低。
3. 热学性质缺陷和杂质对半导体的热学性质也发挥着重要作用。
缺陷会导致半导体中的晶格振动模式发生变化，影响热传导的速率和效率。
此外，由于缺陷的存在，晶体结构的完整性会受到破坏，导致热膨胀系数增加。
因此，半导体在高温环境下容易产生热应力和热失效。
4. 机械性质缺陷和杂质对半导体的机械性质也有一定的影响。
例如，缺陷可以作为裂纹的起源，导致半导体的断裂和损坏。
杂质原子的尺寸与晶格完整性不匹配可能引起局部应力集中。
此外，晶体中的位错线和晶界缺陷也会影响材料的强度和可靠性。
三、缺陷和杂质控制与应对尽管缺陷和杂质对半导体性质有着不可忽视的影响，但研究人员通过控制和应对这些问题，取得了重大突破。
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。
x射线半导体缺陷
x射线半导体缺陷x射线在半导体领域中扮演着非常重要的角色，它不仅可以用于半导体器件的检测和测试，还可以帮助研究人员了解半导体中的缺陷结构。
在半导体材料中，缺陷是不可避免的，它们会对器件的性能产生重要影响。
因此，研究和了解半导体中的缺陷结构对于提高器件性能和稳定性至关重要。
半导体的晶体结构是由原子排列有序构成的，但在生产和加工过程中往往会引入一些缺陷，比如晶格缺陷、位错、空位等。
这些缺陷会影响半导体的电学和光学性能，降低器件的性能和可靠性。
因此，研究半导体中的缺陷结构并找到解决方法是半导体领域的重要课题之一。
x射线是一种高能射线，可以穿透物质并被物质内部的原子和分子所吸收。
当x射线通过半导体材料时，会与材料中的原子发生相互作用，产生散射和吸收现象。
通过分析x射线经过半导体材料后的衰减和衍射等信息，可以得到材料的结构和缺陷信息。
x射线衍射是一种常用的方法，通过衍射图案的特征可以推断出半导体中的缺陷结构。
在衍射图案中，缺陷会引起衍射峰的偏移或者增强，从而可以确定缺陷的位置和类型。
此外，x射线还可以用于扫描探测半导体中的缺陷分布，通过对比不同位置的x射线衍射图案，可以得到缺陷的三维分布信息。
除了x射线衍射，x射线透射也是一种常用的方法，可以通过测量x 射线透射率来推断半导体中的缺陷密度。
缺陷密度是衡量半导体质量和性能的重要指标之一，通过x射线透射可以对半导体材料的质量进行快速检测和评估。
总的来说，x射线在半导体领域中具有重要的应用价值，可以帮助研究人员了解半导体中的缺陷结构，优化器件设计和生产工艺，提高器件性能和可靠性。
未来随着x射线技术的不断发展和完善，相信在半导体缺陷研究领域会有更多的突破和进展。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
School of Microelectronics
晶体又可分为：单晶和多晶。 单晶：指整个晶体主要由原子(或离子)的一种规则排列方式 所贯穿。常用的半导体材料锗(Ge)、硅(Si)、砷化镓 (GaAs)都是单晶。 多晶：是由大量的微小单晶体（晶粒）随机堆积成的整块材
料，如各种金属材料和电子陶瓷材料。
School of Microelectronics
共价键的性质：饱和性和方向性
饱和性：指每个原子与周围原子之间的共价键数目有一定
的限制。
Si、Ge等Ⅳ族元素有4个未配对的价电子，每个原子只能与周围4 个原子共价键合，使每个原子的最外层都成为8个电子的闭合壳层，因 此共价晶体的配位数(即晶体中一个原子最近邻的原子数)只能是4。
Hale Waihona Puke 方向性：指原子间形成共价键时，电子云的重叠在空间一 定方向上具有最高密度，这个方向就是共价键方向。
共价键方向是四面体对称的，即共价键是从正四面体中心原子出 发指向它的四个顶角原子，共价键之间的夹角为109°28´，这种正四
面体称为共价四面体。
School of Microelectronics
图中原子间的二条连线表示共有一对价电子，二条 线的方向表示共价键方向。 共价四面体中如果把原子粗 略看成圆球并且最近邻的原 子彼此相切，圆球半径就称
图1.2 共价四面体
为共价四面体半径。
School of Microelectronics
三、Si、Ge晶体结构
图1.3(a)画出了由四个共价四面体所组成的一个Si、Ge晶体结构
的晶胞，统称为金刚石结构晶胞
整个Si、Ge晶体就是由这样的晶胞周期性重复排列而成 它是一个正立方体，立方体的八个顶角和六个面心各有一个原 子，内部四条空间对角线上距顶角原子1/4对角线长度处各有一 个原子，金刚石结构晶胞中共有8个原子
金刚石结构晶胞也可以看作是两个面心立方沿空间对角线相互 平移1/4对角线长度套构而成的
面心立方是指一个正立方体的八个顶角和六个面心各有一个原
子的结构，如图1.3(b)所示
School of Microelectronics
图1.3 (a)金刚石结构的晶胞 (b)面心立方
School of Microelectronics
School of Microelectronics
非晶（体）的基本特点：
无规则的外形和固定的熔点，内部结构也不存在长程 有序，但在若干原子间距内的较小范围内存在结构上的 有序排列——短程有序 （如非晶硅：a-Si）
School of Microelectronics
图1.1 非晶、多晶和单晶示意图
微量杂质含量可以显著改变半导体的导电能力
以纯硅中每100万个硅原子掺进一个Ⅴ族杂质（比如磷）为例，这时
硅的纯度仍高达99.9999%，但电阻率在室温下却由大约214,000Ωcm
降至0.2Ωcm以下
适当波长的光照可以改变半导体的导电能力
如在绝缘衬底上制备的硫化镉(CdS)薄膜，无光照时的暗电阻为几十 MΩ，当受光照后电阻值可以下降为几十KΩ
此外，半导体的导电能力还随电场、磁场等的作用而改变
School of Microelectronics
本课程的内容安排
以元素半导体硅(Si)和锗(Ge)为对象：
介绍了半导体的晶体结构和缺陷，定义了晶向和晶面
讨论了半导体中的电子状态与能带结构，介绍了杂质半导体及
其杂质能级
在对半导体中载流子统计的基础上分析了影响因素，讨论了非 平衡载流子的产生与复合
图1.5 立方晶系的晶轴
School of Microelectronics
School of Microelectronics
1.2 晶体的晶向与晶面
晶体是由晶胞周期性重复排列构成的，整个晶体就像网格，
称为晶格，组成晶体的原子(或离子)的重心位置称为格点， 格点的总体称为点阵。
对半导体Si、Ge和GaAs等具有 金刚石或闪锌矿结构的立方晶
系，通常取某个格点为原点，
再取立方晶胞的三个互相垂直 的边OA,OB,OC为三个坐标轴， 称为晶轴，见图1.5。
对半导体中载流子的漂移运动和半导体的导电性进行了讨论， 介绍了载流子的扩散运动，建立了连续性方程
简要介绍了半导体表面的相关知识
School of Microelectronics
1.1 半导体的晶体结构
一、晶体的基本知识
长期以来将固体分为：晶体和非晶体。 晶体的基本特点： 具有一定的外形和固定的熔点，组成晶体的原子（或 离子）在较大的范围内（至少是微米量级）是按一定的方式 有规则的排列而成——长程有序。（如Si，Ge，GaAs）
表1.1 导体、半导体和绝缘体的电阻率范围 材料 导体 半导体 绝缘体
电阻率ρ(Ωcm)
＜ 10-3
10-3～109
＞109
School of Microelectronics
此外，半导体还具有一些重要特性，主要包括：
温度升高使半导体导电能力增强，电阻率下降
如室温附近的纯硅(Si)，温度每增加8℃，电阻率相应地降低50%左右
半导体晶体结构和缺陷
School of Microelectronics
第一章 半导体晶体结构和缺陷
1.1 半导体的晶体结构
1.2 晶体的晶向与晶面 1.3 半导体中的缺陷
School of Microelectronics
绪论
什么是半导体
按不同的标准，有不同的分类方式。 按固体的导电能力区分，可以区分为导体、半导体和绝缘体
四、GaAs晶体结构
具有类似于金刚石结构的硫化锌(ZnS)晶体结构，或称为闪锌
矿结构。
GaAs晶体中每个Ga原子和As原子共有一对价电子，形成四个
共价键，组成共价四面体。
闪锌矿结构和金刚石结构 的不同之处在于套构成晶 胞的两个面心立方分别是 由两种不同原子组成的。
图1.4 GaAs的闪锌矿结构
School of Microelectronics
二、共价键的形成和性质
对于单晶Si或Ge，它们分别由同一种原子组成，通过二个原 子间共有一对自旋相反配对的价电子把原子结合成晶体。
这种依靠共有自旋相反配对的价电子所形成的原子间的结合 力，称为共价键。
由共价键结合而成的晶体称为共价晶体。Si、Ge都是典型的 共价晶体。