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

称电子为多数载流子，简称多子，空穴为少数载流子，简称少子。
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

半导体物理半导体中的杂质和缺陷能级

3、杂质能级
1）类氢模型杂质电离能的简单计算
氢原子的电子能级
氢原子的电离能
E0
E
E1
m0 q 4
8 02 h 2
13.6
eV
杂质电离能
ED, A
mn*, pq4
8
2
2 0
h
2
mn*, p
m0 2
13.6
eV
锗、硅的介电常数ε分别为16和12，因此，杂质在锗、硅
晶体中的电离能分别为0.05 m*/ m0和0.1 m*/ m0。因为 m*/ m0一般小于l，所以，锗、硅中的杂质电离能一般小于0.05eV和0.1eV。（表1-3）
• 2、两性杂质及其能级
1）同位异性杂质 • 特点：同样环境下既可为施主，也可是受主，但施主
能级位于受主能级之下，因为对这种杂质而言，接受一个电子是比释放一个电子更高的能量状态。
2）异位异性杂质化合物半导体中特有的杂质行为。在这种情况下，杂质的作用与III族和V族杂质原子在VI族元素半导体中的行为相似，而与上述同位异性双性原子所受到的约束不同，行为不同，其施主能级和受主能级一般都是浅能级.
• 异位异性双性杂质 SiGa与 SiAs自身的相互补偿
杂质浓度
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，故常称之为等电子陷阱。
氮的共价半径和电负性分别为 0.07 nm 和 3.0 (Pauling)，磷的共价半径和电负性分别为 0.11 nm和 2.1；氮有较强的俘获电子倾向，在GaP中取代磷后能俘获电子成为负电中心。
EV
EV

第二章半导体中杂质和缺陷能级

n=时，氢原子电离： E=0 氢原子的电离能：
信息科学与工程技术学院
E0 E E1 13.6eV
* mn 0.12m0 半导体物理学
半导体中杂质和缺陷能级
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
• 晶体内杂质原子束缚的电子： m0mn*, mp*; 0 r0 * 4 * * mn E 0 mn 施主杂质的电离能：E mn q 13.6 D 2 2 2 2 m0 r 8 r 0 h m0 r2 Si:
信息科学与工程技术学院
半导体物理学
半导体中杂质和缺陷能级
间隙式杂质、替位式杂质
(a) 间隙式扩散(interstitial) (b) 替位式扩散(substitutional)
间隙式杂质： O, Fe, Ni, Zn, Mg
杂质原子比较小
信息科学与工程技术学院
替位式杂质 P，B，As, Al, Ga, Sb, Ge
• 2.1.2 施主杂质、施主能级
+
信息科学与工程技术学院
半导体物理学
半导体中杂质和缺陷能级
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
• 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。
信息科学与工和缺陷能级
总结
受主杂质
信息科学与工程技术学院
施主杂质
半导体物理学
半导体中杂质和缺陷能级

掺杂方式及杂质能级

EA
杂质作用
施主杂质
N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
课后作业、任务
作业：练习题P55，第二、三题自主练习，根据本节课内容学生自己
画出杂质电离过程和能级结构
16
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 <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 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
受主杂质：杂质电离时提供一个自由空穴，
形成不能移动的带负电的离子。
杂质能级
∆ED Ec
施主能级
Ei 受主能级 ∆ EA Eg
Ev
ED Eg
杂质能级在禁带中的位置
浅能级杂质
EA Eg
杂质能级
Ec ∆ ED 施主能级 Ei Eg 受主能级
∆ EA
Ev
ED
杂质能级在禁带中的位置
深能级杂质
半导体材料---现代信息社会的基础
人们的生活离不开半导体材料
第二章半导体中的杂质和缺陷能级
•&2.1硅、锗晶体中的杂质能级

固体与半导体物理-第九章半导体中的杂质和缺陷能级

贵州大学新型光电子材料与技术研究所
• 等电子陷阱俘获载流子后成为带电中心，这一带电中心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。
• 填隙式杂质：杂质原子位于格点之间的间隙式位置。填隙式杂质一般较小。
贵州大学新型光电子材料与技术研究所
贵州大学新型光电子材料与技术研究所
2. 施主杂质和施主能级（以Si、Ge为例） • V族元素（如P）进入到在Si、Ge晶体中时，与近邻原
子形成四个共价键，还有一个多余的电子，同时原子所在处成为正电中心。 • V族元素取代Si、Ge后，其效果是形成一正电中心和一多余的电子，多余的电子只需很小的能量即可跃迁至导带成为自由电子。 • Si、Ge 晶体中的V族杂质能提供多余的电子，因此称为施主杂质。存在施主杂质的半导体导电时以电子导电为主，称n型半导体。
• 深能级测量：深能级瞬态谱仪。
贵州大学新型光电子材料与技术研究所
9.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物中的杂质能级
• Ⅲ-Ⅴ族化合物也是典型的半导体，具有闪锌矿型结构，杂质进入到半导体中，既可以占据正常格点位置成为替位式杂质，也可以占据格点间的间隙位置成为填隙式杂质。
• 因为Ⅲ-Ⅴ族化合物中有两种不同的原子，因而杂质进入到ⅢⅤ族化合物中情况要复杂得多：杂质替位式杂质既可以取代Ⅲ 族元素的原子，也可以取代Ⅴ族元素的原子。同样，填隙式杂质如果进入到四面体间隙位置，其周围既可以是四个Ⅲ族元素原子，也可以是四个Ⅴ族元素原子。
• 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。
贵州大学新型光电子材料与技术研究所
• 同族元素原子序数越小，电负性越大，共价半径越小。

硅锗晶体中的杂质和缺陷

3
三、硅锗晶体的掺杂
半导体的电学参数通过掺杂来控制的，拉单晶的过程时就掺入杂质。
杂质掺入的方法
不易挥发的材
共熔法：纯材料与杂质一起料放入坩锅熔化
投杂法：向已熔化的材料中加入杂质
易挥发的材料
4
单晶生长时，杂质分布不均匀会造成横向和纵向电阻率不均匀电阻率均匀性是半导体材料质量的一个指标
一、直拉法生长单晶的电阻率的控制
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
深能级杂质
2
二、杂质对材料性能的影响
1.杂质对材料导电类型的影响掺杂一种杂质掺杂两种杂质
2.杂质对材料电阻率的影响
3.杂质对非平衡载流子寿命的影响
降低了载流子的寿命
四、硅锗单晶中的位错
晶体中常见的缺陷种类
点缺陷线缺陷
位错
面缺陷体缺陷微缺陷
11
点缺陷
杂质点缺陷
来源：制备过程中或环境中杂质沾污或掺杂，间隙替位
热点缺陷
弗伦克尔缺陷肖特基缺陷来源：与温度直接相关
12
线缺陷：位错的基本类型
1. 刃型位错(棱位错) 特点:位错线垂直滑移方向
快扩散杂质：H，Li, Na, Cu, Fe, K, Au, He, Ag, Si 慢扩散杂质：Al,P,B,Ca, Ti, Sb，As
➢ 根据杂质元素的蒸发常数选择
快蒸发杂质的掺杂不宜在真空而应在保护性气氛下进行
➢ 尽量选择与锗、硅原子半径近似的杂质元素作为掺杂剂，以保证晶体生长的完整性
10
2.螺位错: 特点:位错线平行滑移方向

半导体第二章习题解析

等m效0玻尔半径
（Ge: ，Si:
）试，计基r 算质16G相e对r,S价i浅h电施q2常2r主rm数n*0的12束缚
2－2
硅中掺入某种施主杂质，设其电子有效质
量 mn* ,0计.2算6m电0 离能为多少？若
，其电
离能又m为n* 多 0少.4？m0这两种值中哪一种更接近实验值？
解答：利用类氢原子模型：
E Di
mn* m0
E0
2 r
E0 13.6eV , 对Si : r 12
mn*
0.26m0 , Eni
第二章
PowerPoint2003
《半导体物理》第二章
2－1 2－2 2－3 2－4 2－5 2－5(2)
2－6 2－6(2) 2－7 2－8 2－8(2)
2－1
掺入锗，硅晶体中的杂质通常有磷，铟，锑,硼，砷，铝，镓，铋，
其中哪些是施主杂质? 哪些是受主杂质？
解答：
磷，砷，铋，锑为Ⅴ族元素，为施主杂质硼，铝，镓，铟为Ⅲ族元素，为受主杂质。
解答：施主能级和受主能级分别以D和A表示：如下图：
硅晶体中(eV)
锗晶体中(eV)
类型
Au D A
Ag D A
Cu A Fe D Zn A Cd A Ni A
位置
类型
EV 0.35
D
EC 0.54
A
EV 0.32
A
EC 0.29
A EV 0.24, EV 0.37, EV 0.52
E1
a
Z
2 e ff
25 128
5 4
Z eff
E2
aZ
2 eff
将 E2 0.055 2.475 2 0.3365 eV EAi2

第二章-半导体中的杂质和缺陷分解

(2) 缺陷
由于Ⅱ-ⅥA族化合物半导体是负电性差别较大的元素结合成的晶体，主要是离子键起作用，正、负离子相间排列组成了非常稳定的结构，所以外界杂质对其性能的影响不显著，半导体的导电类型更主要的是由其自身结构的缺陷（间隙离子或空格点）所决定，这类缺陷在半导体中常起施主或受主作用。
a. 负离子空位
>>本征载流子浓度
掺施主的半导体的导带电子数主要由施主决定，半导体导电的载流子主要是电子（电子数>>空穴数），对应的半导体称为N型半导体。称电子为多数载流子，简称多子，空穴为少数载流子，简称少子。
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。
位错：一种线缺陷。位错线上的原子有一个不成对的电子，失去该电子成为正电中心，起施主作用；俘获一个电子，成为负电中心，起受主作用。棱位错周围，晶格畸变，禁带发生变化。
负离子空位正离子填隙正离子空位负离子填隙
— 产生正电中心，起施主作用 — 产生负电中心，起受主作用
§2-2 半导体中的深能级杂质(自学)
深能级杂质：其杂质电离能较大。其特点：杂质能级深；主要以替位式存在；
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。
杂质向导带和价带提供电子和空穴的过程：（电子从施主能级向导带的跃迁或空穴从受主能级向价带的跃迁) 称为杂质电离或杂质激发。所需要的能量称为杂质的电离能。

第二章半导体中杂质和缺陷能级解析

§2. 半导体中杂质和缺陷能级
• 杂质、缺陷破坏了晶体原有的周期性势场，引入新的能级。通常在禁带中分布的能级就是这样产生的。 • 禁带中的能级对半导体的性能有显著影响，影响的程度由能级的密度和位置决定。
沈阳工业大学电子科学与技术系
§2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
学习重点：
• 浅能级杂质、深能级杂质 • 杂质补偿
EC
EV
• 受主电离能 △EA = EA - EV EC
受主能级
• Si、Ge中Ⅲ族杂质的电离能
晶
体锗 Ge 0.01 0.01
杂质
硼B 铝Al 镓Ga
硅 Si 0.045 0.057 0.065 0.160
Eg EA EV
△EA = EA - EV
0.011
0.011
铟In
• 受主电离过程示意图
正、负电荷所处介质的介电常数为： 0 r
电势能：
U (r ) q2 4 0 r r
* 4 mn q
施主电离能：
受主电离能：
* mn E0 ED 2 2 2 8 0 r h 2 m0 r
(3)
m* E0 p E A 2 2 2 2 m0 r 8 0 r h
施主能级
• Si、Ge中V族杂质的电离能
EC
晶杂质硅 Si 磷P 砷As
0.044
0.049 0.039
体锗 Ge
0.0126
0.0127 0.0096
ED
Eg
EV
锑Sb
• 施主电离过程示意图
施主杂质电离的结果：
导带中的电子数增加了，这就是掺施主杂质的意义所在。
3、受主能级

半导体物理半导体中的杂质和缺陷

CdTe以外的II-VI族化合物大多是单极性半导体。这些材料有一些共同的特点，即熔点都比较高，其组成元素又往往具有较高而不相等的蒸气压，因此制备符合化学计量比的完美单晶体十分困难，而空位等晶格微缺陷的形成却比较容易。
§1-5 典型半导体的能带结构
一、能带结构的基本内容及其表征
1、能带结构的基本内容 • 1）导带极小值和价带极大值的位置，特别是导带
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
2）等电子络合物的陷阱效应
镓
氧
磷
锌
4、深能级的补偿作用
浅能级杂质间的补偿
深能级杂质的补偿
导带
• • •• • • • • • • • • ED
导带
• •• •• • •• •• •• ••
•• •
EDEA
• • • • • EA
价带
价带
同样有补偿作用，但效果弱一点。
三、缺陷的施、受主作用及其能级
1）价带中心略偏，轻重空穴带二度简并
2）导带底的位置随着平均原子序数的变化而变化，以GaAs为界，…
3）禁带宽度
随着平均原子序数的变化而变化，…
4）电子有效质量随着平均原子序数的变化而变化，…
5）空穴有效质量重空穴在各III-V族化合物间差别不大

半导体材料（复习资料）

半导体材料（复习资料）半导体材料复习资料0:绪论1.半导体的主要特征：（1）电阻率在10-3 ~ 109 ??cm 范围（2）电阻率的温度系数是负的（3）通常具有很高的热电势（4）具有整流效应（5）对光具有敏感性，能产生光伏效应或光电导效应2.半导体的历史：第一代：20世纪初元素半导体如硅（Si）锗（Ge）；第二代：20世纪50年代化合物半导体如砷化镓（GaAs）铟磷（InP）；第三代：20世纪90年代宽禁带化合物半导体氮化镓（GaN）碳化硅（SiC）氧化锌（ZnO）。

第一章：硅和锗的化学制备第一节：硅和锗的物理化学性质１.硅和锗的物理化学性质１）物理性质硅和锗分别具有银白色和灰色金属光泽，其晶体硬而脆。

二者熔体密度比固体密度大，故熔化后会发生体积收缩（锗收缩5.5%，而硅收缩大约为10%）。

硅的禁带宽度比锗大，电阻率也比锗大4个数量级，并且工作温度也比锗高，因此它可以制作高压器件。

但锗的迁移率比硅大，它可做低压大电流和高频器件。

2）化学性质（1）硅和锗在室温下可以与卤素、卤化氢作用生成相应的卤化物。

这些卤化物具有强烈的水解性，在空气中吸水而冒烟，并随着分子中Si(Ge)?H键的增多其稳定性减弱。

（2）高温下，化学活性大，与氧，水，卤族(第七族)，卤化氢，碳等很多物质起反应，生成相应的化合物。

注：与酸的反应（对多数酸来说硅比锗更稳定）；与碱的反应（硅比锗更容易与碱起反应）。

2.二氧化硅（SiO2）的物理化学性质物理性质：坚硬、脆性、难熔的无色固体，1600℃以上熔化为黏稠液体，冷却后呈玻璃态存在形式：晶体(石英、水晶)、无定形(硅石、石英砂) 。

化学性质：常温下，十分稳定，只与HF、强碱反应3.二氧化锗（GeO2）的物理化学性质物理性质：不溶于水的白色粉末，是以酸性为主的两性氧化物。

两种晶型：正方晶系金红石型，熔点1086℃；六方晶系石英型，熔点为1116℃化学性质：不跟水反应，可溶于浓盐酸生成四氯化锗，也可溶于强碱溶液，生成锗酸盐。

半导体第2章（2）

考虑到正、负电荷处于介电常数ε=ε0εr的介质中，则电子受正电中心的引力将减弱εr 倍，束缚能量将减弱εr2倍。再考虑到电子不是在自由空间运动．而是在晶格周期性势场中
运动，所以电子的惯性质量m0要用有效质量mn* 代替。
施主杂质电离能
ΔE D
=
mn*q 4
8ε
r2ε
2 0
h
2
=
mn* m0
图2-11是III、V族化合物砷化镓中替位式杂质和间隙式杂质的平面示意图，A、B分别是取代镓和砷的杂质，C为间隙杂质。
I族元素
一般在砷化镓引入受主能级，起受主作用，如银受主能级为(EV+0.11)ev，(EV+0.238)ev;金受主能级为(EV+0.09)ev；替位式铜受主能级为(EV+0.14)ev,(EV+0.44)ev，铜原子Cu-Cu引人受主能级(EV+0.24)ev；间隙式锂离子引入受主能级(EV+0.023)ev；此外还发现间隙式铜引入施主能级((Ec-0.07)ev 。而Na元素，有人发现它起施主作用，但没有采用它作掺杂剂。
位于立方体某顶角的圆球中心与距离此顶角为1／4 体对角线长度处的圆球中心间的距离为两球的半径之和2r。它应等于边长为a的立方体的体对角线长度
3 a的1／4．因此。圆球的半径r= 3 a／8。八个圆球的体积除以晶胞的体积为
[8×(4/3)πr3]/a3=31/2π/16=0.34
这一结果说明，在金刚石型晶体中，一个晶胞内的八个原子只占有晶胞体积的34%，还有66 ％是空隙。金刚石型晶体结构中的两种空隙如图2-l所示。这些空隙通常称为间隙位置。图 2-l(a)为四面体间隙位置，它是由图中虚线连接的四个原子构成的正四面体中的空隙T；图 2-1(b)为六角形间隙位置．它是由图中虚线连接的六个原子所包围的空间H。

半导体物理学复习提纲(重点)

第一章半导体中的电子状态§ 锗和硅的晶体结构特征金刚石结构的基本特征§ 半导体中的电子状态和能带电子共有化运动概念绝缘体、半导体和导体的能带特征。

几种常用半导体的禁带宽度；本征激发的概念§ 半导体中电子的运动有效质量导带底和价带顶附近的E(k)~k 关系()()2*2nk E k E m 2h -0=；半导体中电子的平均速度dEv hdk=；有效质量的公式：222*11dk Ed h m n =。

§本征半导体的导电机构空穴空穴的特征：带正电；p n m m **=-；n p E E =-；p n k k =-§ 回旋共振§ 硅和锗的能带结构导带底的位置、个数；重空穴带、轻空穴第二章半导体中杂质和缺陷能级§ 硅、锗晶体中的杂质能级基本概念：施主杂质，受主杂质，杂质的电离能，杂质的补偿作用。

§ Ⅲ—Ⅴ族化合物中的杂质能级杂质的双性行为第三章半导体中载流子的统计分布热平衡载流子概念§状态密度定义式：()/g E dz dE =；导带底附近的状态密度：()()3/2*1/232()4n c c m g E VE E h π=-；价带顶附近的状态密度：()()3/2*1/232()4pv Vm g E V E E hπ=-§ 费米能级和载流子的浓度统计分布 Fermi 分布函数：()01()1exp /F f E E E k T =+-⎡⎤⎣⎦；Fermi 能级的意义：它和温度、半导体材料的导电类型、杂质的含量以及能量零点的选取有关。

1）将半导体中大量的电子看成一个热力学系统，费米能级F E 是系统的化学势；2）F E 可看成量子态是否被电子占据的一个界限。

3）F E 的位置比较直观地标志了电子占据量子态的情况，通常就说费米能级标志了电子填充能级的水平。

费米能级位置较高，说明有较多的能量较高的量子态上有电子。

半导体材料中的杂质

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。

半导体物理2013(第二章)剖析

§2.1.2 施主杂质施主能级
施主杂质 V族元素在硅、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，称此类杂质为施主杂质或n型杂质。
小概念：施主电离束缚态和电离态施主电离能施主能级 n型半导体
§2.1.2 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，还剩余一个多余的价电子，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。
§2.2.1 点缺陷
点缺陷对半导体性质的影响： 1）缺陷处晶格畸变，周期性势场被破坏，致使
在禁带中产生能级。 2）点缺陷对材料的导电类型起一定的作用 3）热缺陷能级大多为深能级，在半导体中起复
合中心作用，使非平衡载流子浓度和寿命降低。 4）空位缺陷有利于杂质扩散 5）对载流子有散射作用，使载流子迁移率和寿
实际材料中 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。
晶体中杂质来源由于纯度有限，半导体原材料所含有的杂质半导体单晶制备和器件制作过程中的污染为改变半导体的性质，在器件制作过程中有目
§2.1.7 化合物半导体中的杂质能级
Ⅵ族杂质：与Ⅴ族晶格原子的价电子数相近，在Ⅲ-Ⅴ族化合物中取代Ⅴ族晶格原子，与周围晶格原子形成共价键后多余一个价电子，易失去这个价电子成为施主杂质，一般引入浅施主能级，如GaAs中的S、Se。可作为n型掺杂剂。
Ⅳ族杂质：既可以取代Ⅲ族晶格原子起施主作用，又可以取代Ⅴ族晶格原子起受主作用，从而在Ⅲ-Ⅴ族化合物中引入双重能级——双性行为。

半导体物理分章答案第二章

EC 0.04eV
ED
③Au一：Au0 + e →Au一
EC 0.04eV
ED
Eg
EV
EA 0.15eV
Eg EV
④Au二：Au一 + e →Au二
0.20eV EA2 EA1 0.15eV EC Eg EV
⑤Au三：Au二 + e →Au三
EA3 EA2 EA1 0.15eV EC Eg EV
0.04eV
例如：GaAs中掺Si（IV族）
Si
Si
Ga As
施主
受主
§2.3 缺陷能级
Imperfection Level
1、点缺陷
常见点缺陷
• 空位
• 间隙原子 • 反结构缺陷
哈尔滨工业大学微电子科学与技术系
（1）Si中的点缺陷
以空位、间隙和复合体为主。 • A、空位 V0 + e → V-（受主） V0 - e → V+（施主）
• 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
m* q 4 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。

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。