半导体中的杂质和缺陷能级

记作△ED 。 △ED的值
{
Si 中约 0.04～0.05eV ～ Ge中约 0.01eV 中约
}
<< Eg
5
族元素施放电子的过程——施主电离 施主电离； Ⅴ族元素施放电子的过程 施主电离； 施主杂质或 型杂质： 施主杂质或 N 型杂质： Ⅴ族元素未电离时呈中性 束缚态或中性态； 族元素未电离时呈中性——束缚态或中性态 束缚态或中性态； Ⅴ族元素电离后形成正电中心——施主离化态； 族元素电离后形成正电中心 施主离化态； 施主离化态
Ec ED 电离施主 电离受主 EA Ev
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应用： 应用：晶体管制造过程中的杂质补偿 半导体器件和集成电路生产中就是利用杂质补偿作用， 在n型Si外延层上的特定区域掺入比原先n型外延层浓度更 高的受主杂质，通过杂质补偿作用就形成了p型区，而在n 型区与p型区的交界处就形成了pn结。如果再次掺入比p型 区浓度更高的施主杂质，在二次补偿区域内p型半导体就 再次转化为n型，从而形成双极型晶体管的n-p-n结构。
如果半导体中： 如果半导体中：ND>>NA，则n0=ND-NA≈ND；称n0为有效 施主浓度。 施主浓度。
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2) 对于杂质补偿的半导体，若NA>ND： 对于杂质补偿的半导体，
将呈现p型半导体的特性，价带空穴浓度p0=NA-ND 将呈现 型半导体的特性，价带空穴浓度 型半导体的特性 NA>>ND，则p0＝NA-ND≈ NA，称p0为有效受主浓度。 为有效受主浓度。
第二章 半导体中的杂质和缺陷能级
要求： 要求：
●掌握半导体中杂质的作用与杂质能级； 掌握半导体中杂质的作用与杂质能级； ●掌握半导体中的缺陷及其影响 重点：浅能级和深能级杂质及其作用， 重点：浅能级和深能级杂质及其作用，杂质的
补偿作用
1
实际半导 体材料： 体材料：
§2.1 Si、Ge晶体中的杂质能级 Si、Ge晶体中的杂质能级
中掺Au为例 以Ge中掺 为例： 中掺 为例：
Au在Ge中的能级 在 中的能级
图中Ei表示禁带中线位置， 以上注明的是杂质能级距导 图中 表示禁带中线位置， Ei以上注明的是杂质能级距导 表示禁带中线位置 带底Ec的距离， 以下标出的是杂质能级距价带顶 的距离。 以下标出的是杂质能级距价带顶Ev的距离 带底 的距离， Ei以下标出的是杂质能级距价带顶 的距离。 的距离
2
则66％是空的 ％
（2）若视晶体中的原子为球体， ）若视晶体中的原子为球体， 且最近原子相切： 且最近原子相切：
1 2⋅r = 3 ⋅a 4
相邻两球的半径之和（ 相邻两球的半径之和（直 径）为立方体体对角线的 1/4。 。
8 个原子体积 晶胞体积
4 3 4 1 8 × πr 8× π ( 3 3 8 = = a3 a3
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3） NA ≈ ND ： ）
高度补偿，杂质很多，性能很差。 高度补偿，杂质很多，性能很差。此时电阻率与本征 半导体相同。 半导体相同。
动画： 动画：杂质补偿作用 6、深能级杂质
实验表明： 实验表明：非Ⅲ、Ⅴ族元素掺入半导体，在Si、Ge中的禁带 族元素掺入半导体， Si、Ge中的禁带 也产生能级，其特点： 也产生能级，其特点：
4、浅能级杂质电离能的简单计算（氢原子模型估算） 浅能级杂质电离能的简单计算（氢原子模型估算）
=13.6ev； 氢原子基态电子电离能 E0=13.6ev； 锗的相对介电常数为12 硅、锗的相对介电常数为12 、 16 。
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5、杂质的补偿作用 如果在半导体中既掺入施主杂质，又掺入受主杂质， 如果在半导体中既掺入施主杂质，又掺入受主杂质，施主 杂质和受主杂质具有相互抵消的作用，称为杂质的补偿作用 杂质的补偿作用。 杂质和受主杂质具有相互抵消的作用，称为杂质的补偿作用。
△ED
＋
Ec ＋ ＋ ED
△ED＝Ec—ED
Si、Ge中Ⅴ族杂质的电离能△ED（eV） 、 中 族杂质的电离能△ ） 晶体 杂 质 P As Sb Si 0.044 0.049 0.039 Ge 0.0126 0.0127 0.0096
Eg Ev
ED：施主杂质束缚电子的能量状态，称为施主能级。 施主杂质束缚电子的能量状态，称为施主能级。 一般情况下，杂质浓度较低 一般情况下， 杂质原子间的相互作用可以忽略
间隙式杂质
原材料纯度不够； ①原材料纯度不够； 工艺过程中引入玷污； ②工艺过程中引入玷污； 人为掺入杂质—为改善半导体材料性能 为改善半导体材料性能； ③人为掺入杂质 为改善半导体材料性能；
都具有金刚石结构， 个原子。 （1）Si、Ge都具有金刚石结构，一个晶胞内含有 个原子。 ） 、 都具有金刚石结构 一个晶胞内含有8个原子
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解释： 解释： 中性Au0的一个价电子可以电离释放到导带，形成施主能级ED,其电离 能为(Ec-ED)，从而成为带一个正电荷的单重电离施主离化态Au+。这 个价电子因受共价键束缚，它的电离能仅略小于禁带宽度Eg，所以施 主能级ED很接近Ev。 中性Au0为与周围四个Ge原子形成共价键，还可以依次由价带再接受 三个电子，分别形成EA1，EA2，EA3三个受主能级。价带激发一个电 子给Au0，使之成为单重电离受主离化态Au-，电离能为EA1-Ev ；从价 带再激发一个电子给Au-使之成为二重电离受主离化态，所需能量为
型半导体
动画：受主掺杂 动画：
总结： 总结：
族元素（受主杂质）： ）：在禁带中引入比 ① Ⅲ族元素（受主杂质）：在禁带中引入比 Ev 高△EA 的受主能级 EA
{ 离化态（向价带提供导电空穴，成为负电中心） 离化态（向价带提供导电空穴，成为负电中心）
束缚态（中性态） 束缚态（中性态） 束缚态（中性态） 束缚态（中性态）
型杂质： 受主杂质或 P 型杂质：
空穴挣脱受主杂质束缚的过程——受主电离； 受主电离； 空穴挣脱受主杂质束缚的过程 受主电离 受主杂质未电离时呈中性——束缚态或中性态； 束缚态或中性态； 受主杂质未电离时呈中性 束缚态或中性态 受主离化态； Ⅲ族元素电离后形成负电中心——受主离化态； 族元素电离后形成负电中心 受主离化态 使空穴挣脱受主杂质束缚成为导电空穴所需的能 量 △EA ——受主杂质电离能； 受主杂质电离能； 受主杂质电离能
设： ND：施主杂质浓度 n0：导带中的电子浓度 NA：受主杂质浓度 p0：价带中的空穴浓度
1）对于杂质补偿的半导体，若ND>NA： ）对于杂质补偿的半导体，
T=0K时 电子按顺序填充能量由低到高的各个能级， 在T=0K时，电子按顺序填充能量由低到高的各个能级， 由于受主能级E 比施主能级E 电子将先填满受主能级E 由于受主能级 A比施主能级 D低，电子将先填满受主能级 A， 然后再填充施主能级E 因此施主能级上的电子浓度为n 然后再填充施主能级 D，因此施主能级上的电子浓度为 0=NDNA。
杂质补偿 T=0K, ND>NA
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通常当温度达到大约100K以上时，施主能级上的ND-NA个电子 以上时，施主能级上的 通常当温度达到大约 以上时 就全部被激发到导带，这时导带中的电子浓度n 就全部被激发到导带，这时导带中的电子浓度 0=ND-NA，为n 型半导体, 型半导体
杂质补偿 室温 ND>NA
1、替（代）位式杂质
杂质来源： 杂质来源：
原子并非固定不动，格点原子在平衡位置附近振动； 原子并非固定不动，格点原子在平衡位置附近振动； 半导体并非纯净，含有若干杂质（基质以外的任何元素）； 半导体并非纯净，含有若干杂质（基质以外的任何元素）； 半导体晶格并非完美（完整），存在各种缺陷： 点缺陷 半导体晶格并非完美（完整），存在各种缺陷： 线缺陷 ），存在各种缺陷 面缺陷
所以施主能级是一些相同能量的孤立能级，即不形成能带。 所以施主能级是一些相同能量的孤立能级，即不形成能带。 掺入施主杂质后，杂质电离导致电子增多，增强半导体的导电能力， 掺入施主杂质后，杂质电离导致电子增多，增强半导体的导电能力， 主要依靠电子导电的半导体称为N 型半导体
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动画： 动画：施主杂质
3、受主杂质
Ⅴ族元素（施主杂质）：在禁带中引入比 EC 低 △ED 的施主能级 ED 族元素（施主杂质）：在禁带中引入比 ）：
{ 离化态（向导带提供导电电子，成为正电中心） 离化态（向导带提供导电电子，成为正电中心）
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族元素的杂质电离能（ 很小， ② Ⅲ、Ⅴ族元素的杂质电离能（ △EA 、 △ED ）很小，即：受主能级 EA 距 EV 很近、 很近，故杂质能级称为浅能级， 很近、施主能级 ED 距 EC 很近，故杂质能级称为浅能级，相应的杂质称为浅 能级杂质。 能级杂质。 ），Si、 中的 族杂质几乎全部离化。 ③室温下（T＝300k）， 、Ge中的 Ⅲ、Ⅴ族杂质几乎全部离化。 室温下（ ＝ ）， （浓度不高，一般全部离化） 浓度不高，一般全部离化）
效果上形成
受主能级
以Si中掺入Ⅲ族替位式杂质 B 为例 Si中掺入 Si中掺B Si中掺B 中掺 负电中心 B-
+
一个空穴
被负电中心B 束缚，位于B 周围， 被负电中心 -束缚，位于 -周围， 此束缚远小于共价键束缚， 此束缚远小于共价键束缚，很小 的能量△ 就可以使其挣脱束缚， 的能量△E 就可以使其挣脱束缚， 形成价带导电空穴。 形成价带导电空穴。
+
一个价电子
被正电中心P+束缚，位于P+周围，此 被正电中心 束缚，位于 周围， 束缚远小于共价键束缚， 束缚远小于共价键束缚，很小的能量 △E 就可以使其挣脱束缚，形成“自 就可以使其挣脱束缚，形成“ 由”电子，在晶格中运动（在导带）。 电子，在晶格中运动（在导带）。
杂质电离：电子脱离杂质原子的束缚成为导电电子的过程。 杂质电离：电子脱离杂质原子的束缚成为导电电子的过程。 杂质电离能：电子脱离杂质原子的束缚，成为导电电子所需的能量。 杂质电离能：电子脱离杂质原子的束缚，成为导电电子所需的能量。