第二章 半导体中的杂质和缺陷

●
Si ‖ Si ‖ Si ‖
= = =
氢原子中的电子的运动轨道半径为：
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： ( r )Si o h2 2 r n * 2 me q (εr)Si＝12 me*＝0.4m0
r o h 2 rH n 2 moq
（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。
当Ga的位臵被As取代后，多出一个电子，相当于施主 当As的位臵被Ga取代后，少一个电子，相当于受主
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。 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。
Ec
△ED
ED
mn 1 mo g 4 E D 2 2 2 mo r 2 8 o 2 h 2 8 r o h mn g
*
*
4
*
mn 1 EH =Ec－ED 2 mo r
在Si、Ge中掺P
Si : me*= 0.26m0 Ge : me*= 0.12m0 εrSi =12，εr Ge =16
●
Si ‖ Si ‖ Si ‖
= = =
2. 缺陷的类型
（1）空位和填隙
Si = Si = Si = ‖ ︱ ‖ = Si － 〇 － Si = ‖ ︱ ‖ = Si = Si = Si = ‖ ‖ ‖ =
= Si = ‖ = Si = ‖ Si = Si = ‖
第二章 半导体中的杂质和缺陷
杂质半导体与杂质电离：
介绍硅、锗中的浅能级杂质以及杂质能级，浅能级 杂质电离能的计算，并介绍杂质的补偿作用。 等电子络合物以及两性杂质的概念。
介绍III-V族化合物中的杂质能级，引入等电子陷阱、
实际的半导体晶格为不完美晶格：原子在平衡位臵
作振动、材料不纯净含有其它非组分元素、晶体结构
>>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。 N型和P型半导体都称为极性半导体
mn E D mo
ED 1
*
r
2
, r 10, r 100
2
在Si中掺P：△ED =0.044 eV
掺As: △ED =0.049 eV 掺Sb: △ED =0.039 eV 在Ge中掺P: △ED =0.064 eV 施主能级靠近导带底部，△ED = Ec –ED 施主杂质的电离能较小，在常温下基本上电离
2.Ⅱ-ⅥA族化合物半导体的杂质和缺陷
Ⅱ-ⅥA族化合物半导体是典型的离子键化合物。 （补充） (1) 杂质 掺Ⅰ族，Ⅰ族→Ⅱ族， 少一个电子，P型 掺Ⅲ族， Ⅲ族→Ⅱ族，多一个电子，N型 掺Ⅴ族，Ⅴ族→Ⅵ族，少一个电子，P型 掺Ⅶ族，Ⅶ族→Ⅵ族，多一个电子，N型 (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。
Ec ED EV
V族杂质在硅、锗晶体中作为施主。杂质原子电离 后，向导带提供电子，而自身成为难以移动的带正电 离子，使半导体成为n型，这种杂质称为施主杂质或n 型杂质。 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族的替位杂质
（1）在硅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。
不完整等。
由于杂质和缺陷的存在，会使严格按照周期性排列的原子 所产生的周期性势场受到扰乱，因而杂质的电子不可能处于正 常的导带和价带中，而是在禁带中引入允许电子具有的能量状 态（等高的分立能级），即在禁带中引入杂质能级，以至于影 响半导体材料的性质。
III、V族杂质在硅、锗晶体中可处于束缚态和电离后的离化 态，其电离能很小，引入的是浅能级，这些杂质称为浅能级杂 质。 根据杂质能级在禁带中的位臵，将杂质分为：
= Si = Si = ‖ ‖ + = Si － B= ‖ ‖ = Si = Si = ‖ ‖
+
Si = ‖ Si= ‖ Si = ‖
B具有得到电子的能力。杂质原子电离后，接受价带中 电子，使价带中增加空穴，成为p型半导体，而自身成为不 可移动的带负电的离子，这类杂质称为受主杂质。受主杂质 向价带提供空穴。
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 （3）ND≈NA n≈ni
*
Ec EA Ev
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。
如果施、受主能级分别离导带底和价带顶很近，电 离能很小，在常温下杂质基本全部电离，使导带或价带 增加电子或空穴，这些杂质称为浅能级杂质，它的重要 作用是改变半导体的导电类型和调节半导体的导电能力。
两性杂质
掺ⅣA族元素(Si、Ge、Sn、Pb)在GaAs中的作用较复 杂，可以取代ⅢA族的Ga，也可以取代ⅤA族的As，亦 可同时取代二者。因此ⅣA族元素既能起施主作用，也 能起受主作用，还可以起中性杂质作用。
占据Ga位，施主，N型； 占据As位，受主，p型 例：在掺Si浓度小于1×1018 cm- 3时，Si全部取代 Ga位而起施 主作用，这时掺Si浓度和电子浓度一致； 而在掺Si浓度大于1018 cm- 3时，部分Si原子开始取代As位， 出现补偿作用，使电子浓度逐渐偏低。
(2) 受主电离能和受主能级
mP 1 E A E H 2 mo r
mp*=0.05～0.1m0 掺入B ，(△EA ) Si =0.04 ev， (△EA )Ge =0.04 ev △EA = EA –EV 受主能级EA靠近价带顶部 受主杂质的电离能小，在常温下基本上被价带电离的电子所占据 （空穴由受主能级向价带激发）。 III族杂质在硅、锗作为受主，电离后提供可以自由运动的导电空 穴，同时也就形成一个不可移动的负电中心，称III族杂质为受主 杂质。主要依靠价带空穴导电的半导体称为p型半导体。
电子从价带直接向导带激发，成为导带的自由电子， 这种激发称为本征激发，只有本征激发的半导体称为本 征半导体。
例如：Si在室温下，本征载流子浓度为1010/cm3，掺入P：
P的浓度/Si原子的浓度＝10- 6
Si原子的浓度为1022～1023/cm3 施主向导带提供的载流子＝1016 ～1017/cm3
中性杂质
掺ⅢA族元素(B、Al、In)和ⅤA族元素(P、Sb)在 GaAs中分别替代Ga和As，由于杂质在晶格位臵上并不 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。
Si = ‖ Si = ‖ Si = ‖
Si = ‖ Si = ‖ Si = ‖
（2）替位原子 化合物半导体：由A、B两种原子组成
A B A B A B A B A A B A B
二、元素半导体中的杂质和缺陷
1. ⅤA族的替位杂质 （1）在硅Si中掺入P
= = = Si = ‖ Si = ‖ Si = ‖ Si = ‖ P+ = ‖ Si = ‖

浅能级杂质→ 杂质能级接近导带底Ec 或价带顶Ev 深能级杂质→

杂质能级远离导带底Ec 或价带顶Ev
§2-1 半导体中的浅能级杂质和缺陷
一、杂质存在的方式和缺陷类型
1. 存在方式
（1）间隙式 杂质位于组成半导体的元素或离子的格点之间的间隙位臵，其原子半径较小 H
金刚石结构中，一个晶胞内的原子占晶体原胞的34％，空隙占66％。例如Li、
n= 1→基态，电子的能量为E1 n=∞ →电离态，电子的能量为E ∞ 通过类氢原子模型进行估算，电子从稳定的 基态到电离态所需要的能量就是电子的电离能 △E： △ E = E ∞ - E1 氢原子中的电子的电离能为：
mo g 4 EH 2 2 13.6ev 8 o h
施主的电离能
设施主杂质能级为ED： 施主杂质的电离能△ED = 弱束缚的电子摆 脱束缚成为晶格中自由运动的电子（导带中的 电子）所需要的能量 = Ec -ED
2
电子基态的运动半径为：来自12 o h 2 r 1 65 A 2 0.4moq
P原子中这个多余的电子，其运动半径远远大于其余四个 电子，所受到的束缚最小，极易摆脱束缚成为自由电子。 P原子具有提供电子的能力，称其为施主杂质。 对于Ge中的P原子，剩余电子的运动半径：r ≈85Å