半导体材料-硅锗晶体中的杂质
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半导体物理学-半导体中杂质和缺陷能级模板
3、当NAND时， 不能向导带和价带提供电子和空穴，称为杂 质的高度补偿。 这种材料容易被误认高纯半导体，实际上含 杂质很多，性能很差， 不能用来制造半导体 器件。
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
杂质补偿作用是制造各种半导体器件的基础。
如能根据需要用扩散或离子注人方法来改变半导
体中某一区域的导电类型，以制成各种器件.
施主和受主浓度：ND、NA
深能级杂质和浅能级杂质
• 浅能级杂质：引入能级接近导带底Ec的施主 杂质或引入能级接近价带顶Ev的受主杂质。 其作用是改变半导体导电类型和调节导电 能力，例如室温下，硅、锗中III、V族杂质 几乎全部电离。
• 深能级杂质：引入能级远离导带底Ec 的施 主杂质或引入能级远离价带顶Ev的受主杂质。 一般作为复合中心，它对载流子和导电类 型影响较小。
掺受主的半导体的价带空穴数由受主 决定，半导体导电的载流子主要是空穴 （空穴数>>电子数），对应的半导体称 为P型半导体。
空穴为多子，电子为少子。
总结
施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的电子，并成为带正电的离子。如 Si中掺的P 和As
受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如 Si中掺的B
Ge: mn* 0.12m0 r 16 ED0.00e6V 4
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
杂质补偿作用是制造各种半导体器件的基础。
如能根据需要用扩散或离子注人方法来改变半导
体中某一区域的导电类型，以制成各种器件.
施主和受主浓度：ND、NA
深能级杂质和浅能级杂质
• 浅能级杂质：引入能级接近导带底Ec的施主 杂质或引入能级接近价带顶Ev的受主杂质。 其作用是改变半导体导电类型和调节导电 能力，例如室温下，硅、锗中III、V族杂质 几乎全部电离。
• 深能级杂质：引入能级远离导带底Ec 的施 主杂质或引入能级远离价带顶Ev的受主杂质。 一般作为复合中心，它对载流子和导电类 型影响较小。
掺受主的半导体的价带空穴数由受主 决定，半导体导电的载流子主要是空穴 （空穴数>>电子数），对应的半导体称 为P型半导体。
空穴为多子，电子为少子。
总结
施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的电子，并成为带正电的离子。如 Si中掺的P 和As
受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如 Si中掺的B
Ge: mn* 0.12m0 r 16 ED0.00e6V 4
掺杂方式及杂质能级
EA
杂质作用
施主杂质
N型半导体
受主杂质 P型半导体
杂质补偿作用
当半导体中同时存在施主和受主杂质时，半 导体是n型还是p型呢？
施 主
受 主
能量角度的理解：能量越低系统越稳定
杂质补偿作用
当ND >NA时 受主能级低于施主能级，所以施主杂质的电子首先跃 迁到NA受主能级。
Ec ED
电离施主
电离受主
EA
Ev
有效施主浓度n=ND-NA
此时半导体为n型半导体
杂质补偿作用
当ND Biblioteka BaiduNA时 受主能级低于施主能级，所以施主杂质的电子首先跃 迁到NA受主能级。
Ec 电离施主
ED
电离受主
EA Ev
有效受主浓度p=NA- ND 此时半导体为p型半导体
杂质（能带）工程
课堂小结
1、间隙式杂质；替位式杂质 2、施主杂质电离—施主能级； 1、受主杂质电离—受主能级 3、杂质补偿---有效杂质浓度
3
1 杂质存在方式 --半导体晶体结构
四 面 体 间 隙
66%的空隙
六 边 形 间 隙
4
杂质存在方式 --两种类型
间隙式杂质： 原子半径较小
替位式杂质：（P、B）原子 半径与价电子结构和晶体原子 相似。
5
杂质电离 --施主杂质
半导体材料第5讲-硅、锗晶体中的杂质
•
用此法拉晶，一般不把内坩埚中的熔体拉光而
精品课件
•6 确定需加入母合金质量
M(母合金W质 硅 C量 m质 ()C母 量 L(0 熔 合硅 金中 度 中杂 )杂质 质浓 浓度
如果蒸发效应很小，则掺杂公式为
M 母 ( 合) 金 W 硅 质 (C L 2 量 C L)1 Cm
精品课件
精品课件
精品课件
精品课件
精品课件
三、杂质掺入的方法
精品课件
• 又因为： d(母合金密度)≈d(锗密度)，
• M合金的质量一般很小
•
W锗+M合金≈W锗
M d母 母 (( 合 合 ))C 金 金 母 m密 质 (合 度 量 金 )W 中 锗杂 d 锗 质 M 母 质 密 量 合 浓 度 C金 单 0 度 (质 晶量 中 ) 杂质
M d 母 锗 (( 合 密 ) )金 C 度 m 母 质 (合 量金中 )W d锗 杂 锗密 质 质 C单 度 0 浓 量 ( 晶 度中)杂质浓
通孔流入，保持内坩埚中液体体积不变，而杂质则不易通
过连通小孔流到大坩埚中。但当晶体生长得较长，内坩埚
中杂质量变少时，晶体电阻率也会上升。
如果K较小时，生长的晶体所带走的杂质少，内坩埚
熔体中杂质浓度变化是缓慢的，晶体纵向电阻率就比较均
匀。
精品课件
•
另一方面，如拉制晶体的总质量m相同，内坩埚
半导体中的杂质能级和缺陷能级
ε 0ε r h m = ε r ∗ a0 a= ∗ 2 π mn e mn
2
8
杂质补偿作用
Ec ED Ec
Ev (a)
a.
(b)
EA Ev
N D > N A 施主杂质的电子首先跃迁到受主能
b.
级，剩余的才向导带跃迁； N A > N D 受主杂质上的空位首先接受来自施主 杂质的电子，剩余的向价带释放空穴。
6
类氢模型
n
氢原子中电子能量为： 氢原子基态电离能：
m0 q 4 En = − 2 2 2 , n = 1, 2,3L 8ε 0 h n
m0 q 4 E0 = E∞ − E1 = 2 2 = 13.6(eV ) 8ε 0 h
n
(2-1)
在采用(2-1)式计算杂质电力能时需要作如下修正： 1. 氢原子中电子在自由空间运动，半导体中电子在周期 性势场运动，所以电子的惯性质量要用有效质量代 替。 2. 在半导体中，由于介质被极化的影响，使得电荷之间 εr 的库仑作用减弱为它们在真空中库仑作用的 1/ ε r 倍， 为半导体的相对介电常数
4
受主杂质和受主能级
Ec Eg
∆E A
EA Ev
n
n n n
硼原子这种能够向价带夺取电子的杂质称为受主杂质（p型 杂质）。 被受主杂质束缚的空穴的能量状态称为受主能级。 受主杂质向价带释放空穴的过程称为受主电离； 杂质能级上的电子挣脱杂质原子束缚所需要的最小能量成为 电离能，用 ∆E A 表示。 ∆E A = E A − EV
固体与半导体物理-第九章 半导体中的杂质和缺陷能级
理和化学性质起决定性的影响。也严重影响半导体器件 的质量和性能。 • 半导体中杂质主要来源于原材料的不纯净和制备过程中 引入的污染。或者是有控制的人为引入杂质。 • 杂质的存在会在半导体的禁带中引入电子许可的能量状 态或能级，这对半导体的输运性质起着断定性的作用。 • 半导体的电导率对杂质十分敏感。以硅、锗为例，掺入 百万分之一的III族或V族杂质，其室温电导率可增加五、 六个数量级。
4. 浅能级杂质电离能的计算 • 浅能级杂质：硅、锗中的Ⅲ族或Ⅴ族杂质，施主能级或
受主能级位于禁带中导带底附近和价带顶附近，其施主 电离能或受主电离能均远小于禁带宽度，称之为浅能级 杂质。
• 未电离的浅能级杂质可视为类氢离子，应用类氢离子电 离能公式：
En
m0q
32
2
2 0
4
2
n
2
n1 E1
m0 q 4
族化合物的提纯和单晶制备技术不如单质半导体sige成熟虽然近年来以经有了很大的发展使晶体的完善性和纯度得到了很大的改善给研究工作提供了有利的条件但是到目前为止人们对族化合物中的杂质的了解仍然没有象sige中的杂质那样清楚
第九章 半导体中的杂质和缺陷能级
• 硅、锗中的杂质能级 • Ⅲ-Ⅴ族化合物中杂质的能级 • 缺陷、位错能级
m0
2 r
• 式中有效质量为电导有效质量
1 mn*
1 1
4. 浅能级杂质电离能的计算 • 浅能级杂质：硅、锗中的Ⅲ族或Ⅴ族杂质，施主能级或
受主能级位于禁带中导带底附近和价带顶附近，其施主 电离能或受主电离能均远小于禁带宽度，称之为浅能级 杂质。
• 未电离的浅能级杂质可视为类氢离子，应用类氢离子电 离能公式：
En
m0q
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2
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4
2
n
2
n1 E1
m0 q 4
族化合物的提纯和单晶制备技术不如单质半导体sige成熟虽然近年来以经有了很大的发展使晶体的完善性和纯度得到了很大的改善给研究工作提供了有利的条件但是到目前为止人们对族化合物中的杂质的了解仍然没有象sige中的杂质那样清楚
第九章 半导体中的杂质和缺陷能级
• 硅、锗中的杂质能级 • Ⅲ-Ⅴ族化合物中杂质的能级 • 缺陷、位错能级
m0
2 r
• 式中有效质量为电导有效质量
1 mn*
1 1
第二章 半导体中的杂质和缺陷能级
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
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
§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 +
硅锗晶体中的杂质和缺陷
利用这种方法可以得到比较均匀的电阻 率分布，因此又称为区域匀平法。
8
掺杂元素的选择标准
➢ 根据导电类型和电阻率的要求选择掺杂元素 轻掺杂（1014～1016，在功率整流级单晶）、 中掺杂（1016～1019，晶体管级单晶）、重掺 杂（大于1019外延衬底级单晶）
➢ 根据杂质元素在硅、锗中的溶解度选择
增加晶体转动速度，界面由凸变凹 增加坩锅转动速度，界面由凹变凸 D：增大坩锅内径与晶体直径的比值，一般
坩锅内径：晶体直径＝3～2.5：1
6
✓小平面效应
晶体生长的固液界面，由于受坩锅中熔体等温 线的限制，常常是弯曲的。如果在晶体生长时 迅速提起晶体，在原子密排面的固液界面会出 现一小片平整的平面，称之为小平面。
位错同杂质沉淀相结合使P-N结反向性能劣化 纯净位错并不对P-N结造成可觉察的坏影响 但位错处易导致重金属杂质沾污
位错的存在易造成P-N结贯通 杂质在位错线附近扩散快，因此在晶体管中，扩散发
射区时，局部穿透了基区，形成C-E穿通。 （器件课本P20）
位错引起噪声增加 位错线附近载流子的产生与复合，引起电导率的局部涨落，使 有位错的单晶器件的噪声电压明显地高于无位错单晶器件。 16
第四章 硅/锗晶体中的杂质和缺陷
1
一、杂质能级
对材料电阻
杂质的分类
率影响大
浅能级杂质
Ⅲ族杂质 起或Ⅴ复陷族合阱杂中作心用质
8
掺杂元素的选择标准
➢ 根据导电类型和电阻率的要求选择掺杂元素 轻掺杂（1014～1016，在功率整流级单晶）、 中掺杂（1016～1019，晶体管级单晶）、重掺 杂（大于1019外延衬底级单晶）
➢ 根据杂质元素在硅、锗中的溶解度选择
增加晶体转动速度，界面由凸变凹 增加坩锅转动速度，界面由凹变凸 D：增大坩锅内径与晶体直径的比值，一般
坩锅内径：晶体直径＝3～2.5：1
6
✓小平面效应
晶体生长的固液界面，由于受坩锅中熔体等温 线的限制，常常是弯曲的。如果在晶体生长时 迅速提起晶体，在原子密排面的固液界面会出 现一小片平整的平面，称之为小平面。
位错同杂质沉淀相结合使P-N结反向性能劣化 纯净位错并不对P-N结造成可觉察的坏影响 但位错处易导致重金属杂质沾污
位错的存在易造成P-N结贯通 杂质在位错线附近扩散快，因此在晶体管中，扩散发
射区时，局部穿透了基区，形成C-E穿通。 （器件课本P20）
位错引起噪声增加 位错线附近载流子的产生与复合，引起电导率的局部涨落，使 有位错的单晶器件的噪声电压明显地高于无位错单晶器件。 16
第四章 硅/锗晶体中的杂质和缺陷
1
一、杂质能级
对材料电阻
杂质的分类
率影响大
浅能级杂质
Ⅲ族杂质 起或Ⅴ复陷族合阱杂中作心用质
第二章半导体中杂质和缺陷能级解析
沈阳工业大学电子科学与技术系
1、杂质与杂质能级
（1）杂质
半导体中存在的与本体元素不同的其它元素。 （2）杂质来源
• 无意掺入
• 有意掺入 （3）杂质在半导体中的分布状况 • 替位式杂质
• 间隙式杂质
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。
（4）杂质能级
杂质引起的电子能级称为杂质能级。通常位于 禁带之中的杂质能级对半导体性能有显著影响。
4 m* q p
(4)
（mn*和mp*分别为电导有效质量） 估算结果与实际测量值有 误差，但数量级相同。 这种估算有优点，也有缺 点。 • Ge：△ED~0.0064eV • Si： △ED~0.025eV
6、杂质补偿
半导体中同时存在施主杂质和受主杂质时，受主杂质 会接受施主杂质的电子，导致两者提供载流子的能力相互 抵消，这种作用称为杂质补偿。 在制造半导体器件的过程中，通过采用杂质补偿的方 法来改变半导体某个区域的导电类型或电阻率。
• NA>ND时：p 型半导体 因EA在ED之下，ED上的束缚电子首先填充EA上的空 位，即施主与受主先相互“抵消”，剩余的束缚空穴再电 离到价带上。
有效受主浓度： NA*=NA-ND
• NA≌ND时：杂质高度补偿
高度补偿：若施主杂质浓度与受主杂质尝试相差不大或二 者相等，则不能提供电子或空穴，这种情况称 为杂质的高度补偿。 本征激发的导带电子
2.1 硅锗晶体中的杂质能级(雨课堂课件)
A磷 B硼 C锗 D金
提交
单选题 1分
制备p型半导体硅或锗，需在硅或锗中掺入（ ）。
A磷 B硼 C锗 D金
提交
单选题 1分 在掺杂少量施主杂质磷(浓度为ND)的n型硅中掺杂受主杂 质硼(浓度为NA)，当NA>>ND时，室温下，硅将主要依靠 （ ）导电。
A 电子 B 空穴 C磷 D硼
提交
5、纯锗、硅中掺入Ⅲ族或Ⅴ族元素后，为什么使半导体电性
关于晶体缺陷知识的简单回顾：
单晶体
Single-crystal
单晶体：平移对称性(translational symmetry )、旋转对称性(rotational symmetry)。
实际晶体中的缺陷举例
点缺陷
间隙(interstitial)原子、 空位(vacancy)破坏周 期性(periodicity)
5、杂质的补偿作用 既掺有施主又掺有受主杂质的半导体。是什么导电类型？ 施主与受主杂质之间有相互抵消的作用--杂质的补偿作用。经补 偿之后，半导体中的净杂质浓度为有效杂质浓度。 (1) 低补偿情形(施主杂质浓度ND，受主杂质浓度NA)
ND NA，有效杂质浓度是 ND N A ，电离后向导带提供电子 n ND N A ND n型半导体
1 mn*
1 1
3
ml
2 mt
(第四章)
1 mp
提交
单选题 1分
制备p型半导体硅或锗，需在硅或锗中掺入（ ）。
A磷 B硼 C锗 D金
提交
单选题 1分 在掺杂少量施主杂质磷(浓度为ND)的n型硅中掺杂受主杂 质硼(浓度为NA)，当NA>>ND时，室温下，硅将主要依靠 （ ）导电。
A 电子 B 空穴 C磷 D硼
提交
5、纯锗、硅中掺入Ⅲ族或Ⅴ族元素后，为什么使半导体电性
关于晶体缺陷知识的简单回顾：
单晶体
Single-crystal
单晶体：平移对称性(translational symmetry )、旋转对称性(rotational symmetry)。
实际晶体中的缺陷举例
点缺陷
间隙(interstitial)原子、 空位(vacancy)破坏周 期性(periodicity)
5、杂质的补偿作用 既掺有施主又掺有受主杂质的半导体。是什么导电类型？ 施主与受主杂质之间有相互抵消的作用--杂质的补偿作用。经补 偿之后，半导体中的净杂质浓度为有效杂质浓度。 (1) 低补偿情形(施主杂质浓度ND，受主杂质浓度NA)
ND NA，有效杂质浓度是 ND N A ，电离后向导带提供电子 n ND N A ND n型半导体
1 mn*
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2 mt
(第四章)
1 mp
第二章-半导体中的杂质和缺陷分解
Ⅳ族元素起两性杂质作用。双性杂质：既可起施主作用，又能起 受主杂质作用。如GaAs中的Si，但Si总效果为施主杂质。
（2）晶格中的点缺陷
空位 VAs、VGa
间隙原子Gal、Asl
反结构缺陷——Ga原子占据As空位，或As原子占据Ga
空位，记为GaAs和AsGa
化合物晶体中的各类点缺陷可以电离，释放出电子或空 穴，从而影响材料的电学性质。
分别替代Ga和As，由于杂质在晶格位置上并不改变原有的价 电子数，因此既不给出电子也不俘获电子，呈现电中性，对 GaAs的电学性质无明显影响。
归纳
杂质可取代Ⅲ族，也可取代Ⅴ族；同一杂质可形成不同的掺杂类 型。杂质原子周围可以是4个Ⅲ族或Ⅴ族原子。
等电子杂质：某些III-V族化合物中掺入某些III、V族元素杂质 时，杂质取代基质中的同族原子后，基本上仍呈电中性，由于它 与被取代的原子共价半径和电负性有差别，能俘获某种载流子而 成为带电中心，这个带电中心称为等电子陷阱。
N型和P型半导体都称为极性半导体
3. 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，施主能级上的电子会落入受主能级上，使二者均被电离，但不会 给导带和价带提供电子和空穴。补偿的程度由施、受主杂质浓度来确定。
（1）ND >>NA n= ND –NA≈ND
含有受主的n型半导体
（2）晶格中的点缺陷
空位 VAs、VGa
间隙原子Gal、Asl
反结构缺陷——Ga原子占据As空位，或As原子占据Ga
空位，记为GaAs和AsGa
化合物晶体中的各类点缺陷可以电离，释放出电子或空 穴，从而影响材料的电学性质。
分别替代Ga和As，由于杂质在晶格位置上并不改变原有的价 电子数，因此既不给出电子也不俘获电子，呈现电中性，对 GaAs的电学性质无明显影响。
归纳
杂质可取代Ⅲ族，也可取代Ⅴ族；同一杂质可形成不同的掺杂类 型。杂质原子周围可以是4个Ⅲ族或Ⅴ族原子。
等电子杂质：某些III-V族化合物中掺入某些III、V族元素杂质 时，杂质取代基质中的同族原子后，基本上仍呈电中性，由于它 与被取代的原子共价半径和电负性有差别，能俘获某种载流子而 成为带电中心，这个带电中心称为等电子陷阱。
N型和P型半导体都称为极性半导体
3. 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，施主能级上的电子会落入受主能级上，使二者均被电离，但不会 给导带和价带提供电子和空穴。补偿的程度由施、受主杂质浓度来确定。
（1）ND >>NA n= ND –NA≈ND
含有受主的n型半导体
半导体物理课件：第二章 半导体中杂质和缺陷能级
▪ 这时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。
2020/9/30
8
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
▪ Ⅴ族杂质在硅、锗中电离时，能够施放电子而产 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
▪ 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
▪ 使个多余的价电子挣脱束缚成为导电电子所需要 的能量称为杂质电离能
2020/9/30
12
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
▪ Ⅲ族杂质在硅、锗中能够接受电子而产生导电空 穴，并形成负电中心，所以称它们为受主杂质 或p型杂质。
▪ 使空穴挣脱束缚成为导电空穴所需要的能量称为 受主杂质电离能。
▪ 受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离 子，同时向价带提供空穴，使半导体成为空穴导 电的p型半导体。
2020/9/30
7
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
2. 施主杂质 施主能级
以硅中掺磷P为例：
▪ 磷原子占据硅原子的位置。磷原子 有五个价电子。其中四个价电子与 周围的四个硅原于形成共价键，还 剩余一个价电子。
▪ 这个多余的价电子就束缚在正电中 心P＋的周围。价电子只要很少能
量就可挣脱束缚，成为导电电子在 晶格中自由运动。
2020/9/30
3
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
第二章半导体中杂质和缺陷能级
施主杂质 施主电离
VA族杂质在硅、锗中电离时，可以释放电 子而产生导电电子并形成正电中心。
释放电子的过程。
束缚态 中性态
离化态
施主杂质未电离时电中性的状态 电离后成为正电中心。
施主杂质 电离能ED
多余的一个价电子脱离施主杂质而成为 自由电子所需要的能量。
6
2.1.3 受主杂质、受主能级
硼掺入硅中, 硼只有三个价电子,与周围的四个硅原子成键时， 产生一个空穴。其它成键电子很容易来填补这个空穴。填补时， 空穴激发到价带〔空穴电离，能量升高〕，同时硼原子成为负电 中心。这一过程很容易发生，意味着空穴电离能较小。
7
2.1.3 受主杂质、受主能级
等价表述 硼原子看成是一个负电中心束缚着一个空穴, 空穴很容易 电离到价带, 同时在硼原子处成为一个负电中心。
受主杂质 电离 空穴挣脱受主杂质束缚的过程。
受主杂质 使空穴挣脱受主杂质束缚成为导电空穴所需要的 电离能 能量。
P型半导体
8
、浅能级杂质电离能的简单计算
• 如何计算、分析半导体中，杂质的能级。这里介绍一种最 简单的、实际上也是最重要的一类杂质能级──类氢杂质 能级。
〔a〕 ND>>NA
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。
半导体物理半导体中的杂质和缺陷
缺陷一般引入深能级；化合物半导体中的空位例外。
3、等电子杂质及其能级 1）等电子杂质 与被替换的主体原子具有相同价电子数，但因原子序数 不同而具有不同共价半径和电负性，因而能俘获电子或 空穴，常称之为等电子陷阱。
2）等电子络合物的陷阱效应
• 在磷化镓中，当替换镓的锌原子与替换磷的氧原子处于 相邻格点时，就形成一个电中性的Zn-O对（施－受主对） 络合物。由于性质上的差异（氧的电负性为3.5，磷只有 2.1）, Zn-O对像等电子杂质氮一样，也能俘获电子。其 能级在导带底以下0.30 eV。
2、GaN和AlN的能带结构 主要以纤锌矿 (一定条件下也以闪锌矿) 型结构存在。 纤锌矿结构GaN及A1N都是直接带隙，而闪锌矿结构是间 接带隙，其导带极小值出现在X点。
纤锌矿结构III－N化合物的能带参数（300K）
名称 Eg(eV) 类型
mn*(m0)
mpH*(m0)
mpL*(m0)
BN 4.5-5.5 间接(K) 0.24(横), 0.35(纵） 1.08 (A方向) 0.88 (K方向)
3、碲化汞的能带结构 碲化汞的导带极小值与价带极大值基本重叠，禁 带宽度在室温下约为－0.15eV，因而是半金属。
五、宽禁带化合物半导体的能带结构
1、SiC的能带结构 SiC各同质异型体间禁带宽度不相同，完全六方型的2HSiC最宽，为3.3eV；随着立方结构成分的增加，禁带逐 渐变窄，4H-SiC为3.28eV，15R-SiC为3.02eV，6H-SiC 为2.86 eV，完全立方结构的3C-SiC为2.33eV。 •皆为间接禁带
3、等电子杂质及其能级 1）等电子杂质 与被替换的主体原子具有相同价电子数，但因原子序数 不同而具有不同共价半径和电负性，因而能俘获电子或 空穴，常称之为等电子陷阱。
2）等电子络合物的陷阱效应
• 在磷化镓中，当替换镓的锌原子与替换磷的氧原子处于 相邻格点时，就形成一个电中性的Zn-O对（施－受主对） 络合物。由于性质上的差异（氧的电负性为3.5，磷只有 2.1）, Zn-O对像等电子杂质氮一样，也能俘获电子。其 能级在导带底以下0.30 eV。
2、GaN和AlN的能带结构 主要以纤锌矿 (一定条件下也以闪锌矿) 型结构存在。 纤锌矿结构GaN及A1N都是直接带隙，而闪锌矿结构是间 接带隙，其导带极小值出现在X点。
纤锌矿结构III－N化合物的能带参数（300K）
名称 Eg(eV) 类型
mn*(m0)
mpH*(m0)
mpL*(m0)
BN 4.5-5.5 间接(K) 0.24(横), 0.35(纵） 1.08 (A方向) 0.88 (K方向)
3、碲化汞的能带结构 碲化汞的导带极小值与价带极大值基本重叠，禁 带宽度在室温下约为－0.15eV，因而是半金属。
五、宽禁带化合物半导体的能带结构
1、SiC的能带结构 SiC各同质异型体间禁带宽度不相同，完全六方型的2HSiC最宽，为3.3eV；随着立方结构成分的增加，禁带逐 渐变窄，4H-SiC为3.28eV，15R-SiC为3.02eV，6H-SiC 为2.86 eV，完全立方结构的3C-SiC为2.33eV。 •皆为间接禁带
第4章_硅锗中的杂质和缺陷ppt课件
施主向导带提供的载流子 =1016～1017/cm3 》 本征载流子浓度
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28
上述杂质的特点：
杂质能级在禁带中的位置
施主杂质： ED Eg
受主杂质：
EA Eg
浅能级杂质
杂质的双重作用：
改变半导体的导电性 决定半导体的导电类型
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29
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
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。
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
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20
受主电离能和受主能级
受主电离能△EA=空穴摆脱受主杂质束缚成为导电 空穴所需要的能量
束缚态
Ec
离化态
- EA + Ev
EAEAEV
施主和受主浓度：ND、NA
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24
N型半导体
特征：
a 施主杂质电离，导带中 出现施主提供的导电电子
- - - - EC + + + + ED
b 电子浓度n 〉空穴浓度p
Eg
P 型半导体
特征：
a 受主杂质电离，价带中 出现受主提供的导电空穴
---++++
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上述杂质的特点：
杂质能级在禁带中的位置
施主杂质： ED Eg
受主杂质：
EA Eg
浅能级杂质
杂质的双重作用：
改变半导体的导电性 决定半导体的导电类型
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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
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。
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
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受主电离能和受主能级
受主电离能△EA=空穴摆脱受主杂质束缚成为导电 空穴所需要的能量
束缚态
Ec
离化态
- EA + Ev
EAEAEV
施主和受主浓度：ND、NA
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N型半导体
特征：
a 施主杂质电离，导带中 出现施主提供的导电电子
- - - - EC + + + + ED
b 电子浓度n 〉空穴浓度p
Eg
P 型半导体
特征：
a 受主杂质电离，价带中 出现受主提供的导电空穴
---++++
半导体第2章（2）
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。
除等电子杂质原子可以形成等电子陷阱外．等 电子络合物也能形成等电子陷阱。如在磷化镓 中，以锌原子代替镓原子位置，以氧原子代替 磷原子位置，当这两个杂质原子处于相邻的晶 格点时，形成一个电中性的Zn-O结合物。由于 锌比镓阳性强，氧比磷阴性强，锌、氧结合要 比锌、磷或镓、氧结合更紧密。锌、镓电负性 均为1.6，氧的电负性为3.5，比磷的大，所以 形成Zn-O之后，仍能俘获电子。俘获电子后， Zn-O带负电，电子电离能为0,30ev。
施主电离
施主杂质释放电子的过程。
施主能级
被施主杂质束缚的电子的能量状态，记为ED，施主电离能量 为ΔED。
n型半导体
依靠导带电子导电的半导体。
施主杂质的电离过程，可以用能带图表示，如
图所示。当电子得到能量ΔED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Ec低ΔED 。将 被施主杂质束缚的电子的能量状态称为施主能
级，记为ED因为ΔED <<Eg，所以施主能级位于 离导带底很近的禁带中。
一般情况下，施主杂质是比较少的，杂质原子
间的相互作用可以忽略。因此，某一种杂质的
半导体材料第4章硅中有害杂质课后答案
第四章、硅中有害杂质
1、概念解释：
①*小平面效应：晶体生长的固液界面，由于受坩埚中熔体等温线的限制，常常是弯曲
的。如果在晶体生长时迅速提起晶体，则在<111>锗、硅单晶的固液界面会出现一小片平整的平面，它是(111)原子密排面，称之为小平面。在小平面区杂质浓度与非小平面区有很大差异，这种杂质在小平面区域中分布异常的现象叫小平面效应。
②杂质（生长）条纹：在晶体生长的过程中，由于各种外界因素导致晶体生长速率的的
微起伏，造成晶体中杂质浓度的起伏，晶体的电阻率、载流子寿命及其他物理性能在纵、径向出现周期性起伏，在用化学腐蚀时表现出宽窄不一的条纹称为杂质条纹。
③旋转性条纹：在晶体转轴与温场轴不重合时，不同时刻所生长的晶体中杂质浓度是不
相同的，这样形成的条纹叫旋转性条纹。
④*中子嬗变掺杂：通常是由三种同位素组成。将高纯区熔硅单晶放入原
子反应堆中进行中子辐照，使起施主作用进行掺杂，称为中子嬗变掺杂（*NTD）
④漩涡缺陷：无位错单晶在生长方向的横断面经希特尔腐蚀液腐蚀后，所观察到的呈漩
涡状分布的宏观缺陷花纹，俗称漩涡缺陷。
⑤热施主效应：在硅单晶中，由于含有氧杂质，在对其进行热处理时，Si与O之间发生
一系列反应，在450C°时SiO以最快的速度形成SiO4，SiO4是一个正电中心，可以束缚一个电子，在室温下受热激发而使它电离出来参与导电，SiO4起施主作用，此种效应称为热施主效应。
⑥吸杂工艺：通过机械化学处理方法，在硅片的非电活性区引入缺陷，在热处理时一些
重金属杂质会扩散并淀积在这些缺陷处，从而减少了这些有害杂质对器件工作区的影响，改善了器件的性能，这种工艺叫吸杂工艺。
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霍尔电压，即l、2两点间的电位差为
UH bB
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，
UH IB KIB end
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：
n(或p) 工作电流 磁场强度 IB 霍尔电压 电荷 器件厚度 U Hed
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。
4-2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。
第4章 硅、锗晶体中的杂质和缺陷
• 半导体材料中的杂质和缺陷对其性质具有重要 的影响。半导体硅、锗器件的制做不仅要求硅、 锗材料是具有一定晶向的单晶，而且还要求单晶 具有一定的电学参数和晶体的完整性。 • 单晶的电学参数通常是采用掺杂的方法，即在 单晶生长过程中加入一定量的杂质，并控制它们 在晶体中的分布来解决。
wA m C0 dN0
杂质质量
杂质浓度 单晶质量 摩尔质量 密度 阿佛加德罗常数
个cm-3 g gmol-1 g -3 -1 gcm 个mol
•
因为掺杂量一般较少，如用天平称量会有较大误差，所 以除非拉制重掺杂的单晶，一般都不采用直接加入杂质的 办法，而是把杂质与锗(硅)先做成合金，(称之为母合金)， 拉单晶时再掺入，这样可以比较准确的控制掺杂量。
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，其电阻率与杂质浓度的关系可近似表示为:
电 阻 率 1 有效杂质浓度 所带电量 迁移率
4.1.2 杂质对材料性能的影响
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。
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。
• 1. 2. 3. 4. 5.
• • • •
直拉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4－4代入4－3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质浓度的关系：
M(母合金质量)
W锗质量 C0(单晶中杂质浓度 ) Cm(母合金中杂质浓度 )
• 母合金可以是单晶(或多晶)，通常在单晶炉内掺杂拉制， 测量单晶电阻率后，将电阻率曲线较平直部分依次切成 0.35～0.40mm厚的片，再测其电阻率，清洗后编组包装顺 次使用。 • 母合金中杂质的含量用母合金浓度(cm-3)来表示，其大小可
•
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.
•
• Hall法来测定材料的电阻率与载流子浓度。
• 又因为： d(母合金密度)≈d(锗密度)， • M合金的质量一般很小 • W锗+M合金≈W锗
M(母合金质量) W锗质量 M母合金质量 Cm(母合金中杂质浓度 ) C0(单晶中杂质浓度 ) d(母合金密度 ) d锗密度
M(母合金质量) W锗质量 Cm(母合金中杂质浓度 ) C0(单晶中杂质浓度 ) d(锗密度) d锗密度
ρ
Байду номын сангаас
1 eμKC0(1 g)( 1k )
• 如果要拉电阻率ρ为w克锗，所需要加入的杂质 量m为：
wA 1 wA m C0 dN0 euK(1 g ) (1k ) dN0
思考： 为什么会是 m=C0wA/dN0这一公式？ 而不是 m=wC0
C0:杂质浓度，每立方厘米晶体中所含的杂质数目 单位： 个· cm-3 w :单晶质量 A: 单晶的摩尔质量 d: 单晶的密度， N0: 阿佛加德罗常数， 单位：g 单位： g ·mol-1 单位：g ·cm-3 单位 ： 个·mol-1
• 课本例2 有锗W(g)，拉制g处电阻率为ρ的单晶，应加入 杂质浓度为Cm的母合金量为多少？ • （设原料锗中杂质量远小于合金中杂质的量） • 解：因为杂质在母合金中的总数和在熔体中的总数相等。
M母合金质量 W锗质量 M母合金质量 Cm母合金中杂质浓度 C0单晶中杂质浓度 d母合金密度 d锗密度
如果施主杂质占优势，则有：
电阻率 1 1 (施主杂质浓度 受主杂质浓度) 所带电量 迁移率 (Nd o n o r N a c c e p t o)e r μn
如果受主杂质占优势，则有：
电阻率 1 1 (受主杂质浓度 施主杂质浓度) 所带电量 迁移率 (Na c c e p t o r Nd o n o r )e μ p