点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高温 动力学过程等有关。
(a)空位
(b)异类原子
(c)间隙原子
图2-1 晶体中的点缺陷
点缺陷
32 10/22/2019 9:17:44 AM
—— 包括空位、间隙原子、杂质或溶质原子
形成:
原子热振动 部分原子获得足够高的能量
克服约束，迁移到新的位置 形成
空位、间隙原子 引起
原子脱离格点后，并不以填隙的方式存在于晶体的内部，而是运动到晶体的表面，这时 在晶体中只留下一个空位。
杂质或溶质原子——间隙式（小原子）或置换式（大原子）
点缺陷的运动
点缺陷的运动方式： (1) 空位运动。 (2) 间隙原子迁移。 (3) 空位和间隙原子相遇，两缺陷同时消失。 (4) 逸出晶体到表面，或移到晶界，点缺陷消失。 离开平衡位置的原子有三个去处: (1)形成Schottky空位 (2)形成Frankely缺陷 (3)跑到其它空位上使空位消失或移位。
r
接受电子后，位错便带负电，为保持电中
性，周围将形成带正电的圆筒状区。
螺位错没有未饱和的悬挂键，故对晶体的
电学性质影响不明显。
⑤ 在位错线周围的畸变区每个原子具有较大的平均能量 。畸变区是一个狭长的管道。
螺型位错（SCREW ISLOCATION）

螺型位错示意图
螺位错
8
76 3
45
2
1
原 子 面 部 分 错 动 一 个 形成 不吻合过 称作
原子间距
渡区
螺位错
形成 纯剪切应 力区
畸变区
混合位错
刃型位错分量 ＋ 螺型位错分量
局部点阵畸变
类型
弗兰克(Franke)缺陷——原子迁移到间隙中—形成空位-间隙对
在温度作用下，晶体点阵上的原子有可能脱离原来的位置而跑到临近的点阵空隙中，当 这种原子将多余的动能失去之后，就被束缚在那里而使晶体中出现了空位和间隙原子对。 这种成对产生的点缺陷称为弗伦克尔缺陷。
肖脱基(Schottky)缺陷——原子迁移到表面——仅形成空位
过渡金属的危害
在硅中形成深能级中心或沉淀而影响器件的电 学性能；
减少少子扩散长度从而降低寿命；
形成金属复合体，影响器件和材料的性能
3.1.5 硅、锗中的缺陷
理想状态的完整晶体而言，即晶体中所有的 原子都在各自的平衡位置，处于能量最低状态。
然而在实际晶体中原子的排列不可能这样规 则和完整，而是或多或少地存在离开理想的区域 ，出现不完整性。通常把这种偏离完整性的区域 称为晶体缺陷（crystal defect; crystalline perfection)。
第三章 元素半导体
3.1 硅 3.2 锗 3.3 硒 3.4金刚石 3.3 硼、磷、硒和碲等
周期表中与半导体相关元素
周期 2 3 4 5
Ⅱ
锌Zn 镉Cd
Ⅲ 硼B 铝Al 镓Ga 铟In
Ⅳ 碳C 硅Si 锗Ge
Ⅴ 氮N 磷P 砷As
Ⅵ
硫S 硒Se 锑Te
3.1 硅
硅石(硅的氧化物)、水晶早为古代人所认识，古埃 及就已经用石英砂为原料制造玻璃。
晶体中电子的E(K)与K的关系
-2p/a -p/a
(k )2
E
E
2m
Resulted from r-
Eg
k
0
p/a 2p/a
Resulted from r+
本征载流子浓度
n0
p0

Nc NV
exp(-
Eg k0T
)

4(
2p k0
h2
)3
(mn*m*p
)3
2T
3
exp(-
Eg k0T
)
1. 电子和空穴的浓度乘积和费米能级无关
线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。
位错的类型：
刃型位错 （edge dislocation） 螺型位错（screw dislocation）
(a)
(A)刃位错
(b)
(B)螺位错
晶体局部滑移造成的刃型位错
刃型位错立体示意图
刃型位错的分类
刃型位错特征
① 刃型位错有一个额外的（多余）半原子面。正刃型位 错用“⊥”表示，负刃型位错用“┬”表示；其正负只 是相对而言。判断用右手定则：食指指向位错线方向， 中指指向柏氏矢量方向，拇指指向多余半原子面方向。
14Si
32Ge
晶体硅
晶体硅为钢灰色，密度2.4 g／cm3，熔点1420℃， 沸点2355℃，晶体硅属于原子晶体，硬而有光泽， 有半导体性质。
硅
化学性质稳定
常温下，只与强碱、氟化氢、氟气反应
①Si+2F2=SiF4 ②Si+4HF=SiF4 ↑+2H2↑
③Si+ 2NaOH + H2O = Na2SiO3 +2H2↑
高温下，较活泼
△
Si + O2
SiO2
表面易纯化，形成本征二氧化硅层
二氧化硅层在半导体器件中起着重要作用： 1. 对杂质扩散起掩蔽作用； 2. 对器件的表面保护和钝化作用 3. 用于器件的绝缘隔离层 4. 用作MOS器件的绝缘栅材料等
3.1.2 硅的晶体结构
金刚石结构
正四面体
109º28´
硅、锗中的缺陷
★根据缺陷产生的原因可分为原生缺陷和二次缺陷。
★按其延展的尺度可分为点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺 陷、微缺陷，这些都属于结构缺陷。
★原生缺陷：晶体生长过程中生成的缺陷称为原生缺陷。
★二次缺陷：晶体加工过程中和器件制备过程中新生成的 晶体缺陷称为二次缺陷，也称为再生缺陷。 在加工晶 体过程中，晶体要经受切割，磨片，抛光，能束辐照， 掺杂和高温热处理等各种过程，即使在原生缺陷极少的 晶体中也将产生大量的二次缺陷；一些原生缺陷，在加 工过程中也经常发生变化，导致二次缺陷产生。 所以 在制备器件的晶片中，大量的缺陷都是二次缺陷。
2. 对于一个给定的半导体材料，乘积只取决于温度 T，与所含杂质无关
SI的本征载流子浓度
温度T=300 K，Eg=1.12 eV
ni 1.07 1010 cm-3
电导率和电阻率
电导率
nqn pq p
电阻率
r 1
掺杂浓度
轻掺杂 掺杂浓度为1017 cm-3 杂质离子100%电离
氧沉淀过大会导致硅片翘曲，并引入二次缺陷；
C的危害
C会降低击穿电压，增加漏电流； C会促进氧沉淀和新施主的形成； C会抑制热施主的形成
H的作用
H在硅中处于间隙位置，可以正负离子两种形态出现； H在硅中形成H-O复合体 H能促进氧的扩散和热施主的形成； H会钝化杂质和缺陷的电活性； H能钝化晶体的表面或界面，提高器件的性能
ห้องสมุดไป่ตู้
SIO2 室温时，硅晶体总是一层SIO2层（约2.0－3.0NM），650℃时开
始更完全的氧化硅的这种表明自钝化，易形成本征SIO2层，是使硅成为当今 最重要的固态器件材料的独特性能之一。
水晶
光导纤维
玛瑙
石英坩埚
3.1.1 硅的化学性质
原子序数14，相对原子质量28.09，有 无定形和晶体两种同素异形体，属于元 素周期表上IVA族的类金属元素。
3.1.3 电学性质
本征载流子浓度 1. 本征半导体在一定温度下，就会在热激发
下产生自由电子和空穴对，从而形成本征载流 子浓度。
2. 温度一定，本征半导体中载流子的浓度是 一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。
3. 当温度升高时，热运动加剧，挣脱共价键 束缚的自由电子增多，空穴也随之增多（即载 流子的浓度升高），导电性能增强；当温度降 低，则载流子的浓度降低，导电性能变差。
位错对半导体材料和器件的影响
位错对半导体材料性能的影响： ★位错对载流子浓度的影响 ★位错对迁移率的影响 ★位错对载流子寿命的影响 ★位错对材料扩散及腐蚀性能的影响 位错对器件性能的影响： ★位错同杂质沉淀相结合使P-N结反向性能劣化 ★位错的存在易造成P-N结贯通 ★位错易引起晶体管的噪声增加
刃型位错形成圆筒状空间电荷区模型
1823年，瑞典化学家贝采里乌斯(Berzelius J.J.)用金 属钾还原四氟化硅或用金属钾与氟硅酸钾共热，首 次制得较纯的粉状单质硅。
1854年，法国人德维尔（S.C.Deville）用混合物氯 化物熔盐电解法制得晶体硅。
地壳中各元素的含量
硅的分布
硅在自然界分布极广，地壳中约含27％ 在自然界中是没有游离态的硅 主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在。
点缺陷对结构和性能的影响
点缺陷引起晶格畸变，能量升高，结构不稳定，易发生转变。 点缺陷的存在会引起性能的变化：
(1)物理性质：如电阻，光性能等； ①电容——产生空位，导致晶体体积增加。 ②热容——引起附加热容。 ③电阻率——导致晶体的电阻率增大。 如扩散系数、内耗、介电常数等，在碱金属的卤化物晶体中，由于杂质或过多的金属 离子等点缺陷对可见光的选择性吸收，会使晶体呈现色彩，这种点缺陷便称色心。 (2)力学性能：采用高温急冷（如淬火），高能粒子辐照等方法可获得过饱和点缺陷。 (3)影响固态相变,化学热处理(渗碳，渗氮)等。
氧原子
[SiO2]四面体
能带结构
间接带隙结构
Si的能带结构如所示，给出了带隙下方最高 能量(价带顶)及带隙上方最高能量(导带底)(沿 [100]和[111)方向)与简约波矢κ的关系。最低导 带C2极小沿6个〈100〉轴、在布里渊区中心(κ ＝0)与边缘之间距离约80％处，等能面不是球
面而是椭球面；在给定极小处，能带曲率在不 同方向是不同的。第3个导带C3的极小在κ＝0 处，距价带V2顶的距离(能隙)为2．5eV；在一 定条件下也可观察到这个带的直接跃迁。Si的 价带在κ＝0处有单一极大值，上面两个价带V1、 V2的极大值是简并的，其等能面是翘曲的球面。 V1为重空穴带、V2为轻空穴带。第三个（分裂） 价带极大值在V1、V2极大值下方0.04 eV处，这 个带是球形的，其曲率介于重空穴带和轻空穴 带的曲率之间。