第二章 半导体中的杂质和缺陷e

受主杂质 受主能级
受主杂质 受主能级

受主杂质或p型杂质: Ⅲ族杂质,在硅、锗中电离时，能够接受电子而 产生导电空穴，并形成负电中心。 受主电离：空穴挣脱受主杂质束缚的过程。 受主杂质未电离时是中性的，称为束缚态或中性态； 电离后成为负电中心，称为离化态。

受主杂质 受主能级

受主杂质电离能
2.2 III-V族化合物中的杂质能级

III—V族化合物: IIIA族元素硼、铝、镓、铟、铊 VA族元素氮、磷、砷、锑、铋 组成 二元化合物，成分化学比都是1：1 由铝、镓、铟和磷、砷、锑形成的九种化合物(AlP， AlSb，AlAs，GaP，GaAs，GaSb，InP, InAs, InSb) 都结晶成闪锌矿型结构，与硅、锗的金刚石型结构很 相似。 每个原子有四个最近邻原子，该原于处于正四面 体中心时，四面体四个顶角为其最近邻的四个另一类 原于所占有。 即闪锌矿型结构与金刚石型结构不同处：金刚石 型结构中全由一种原子组成，闪锌矿型结构中由两种 不同的原子交替占据晶格点位置。
第二章 半导体中的杂质和缺陷

2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 半导体中的杂质，施主和受主，类氢模型， 杂质的补偿作用，深能级杂质

2.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物中的杂质能级
2.3 缺陷、位错能级

半导体中的杂质和缺陷

在实际应用的半导体材料晶格中，总存在 偏离理想情况的各种复杂现象。 1、原子并非静止在严格周期性晶格格点 位置，而是在其平衡位置附近振动；
：
使空穴挣脱受主杂质束缚成为导电空穴所需要的能量。
受主杂质 受主能级

受主杂质的电离过程
受主杂质 受主能级

受主杂质的电离过程 实际上是电子的运动，是价带中的电子得到能量 后，跃迁到受主能级上，和束缚在受主能级上的空穴 复合，并在价带中产生了一个可以自由运动的导电空 穴，同时也就形成一个不可移动的受主离子。

修正后，施主杂质电离能

受主杂质的电离能

计算得到：锗中
=0.0064eV，硅中
=0.025eV
与实验测量值具有同一数量级。
束缚电子或空穴的轨道半径
杂质的补偿作用

杂质补偿：施主和受主杂质之间的互相抵消作用（在半导体中， 同时存在着施主和受主杂质） 假设施主和受主杂质全部电离 ND ：施主杂质浓度 NA ：受主杂质浓度 n ：导带中电子浓度 p ：价带中空穴浓度 1、当ND NA时


在Ge中掺Au Au的电子组态是：5s25p65d106s1：
Ge ‖ — Au — ︱ Ge
Ge
Ge

1、Au失去一个电子—施主
电离过程为 Au = Au+ +(－e)
Ec
Ge ︱ + — Au ︱ Ge

Ge
—
Ge
ED=Ev+0.04ev
ED Ev

2.Au获得一个电子—受主 Au + (－e) = Au－ Ec


杂质能级小结

杂质能级的位置 硅、锗中的III 、V族杂质的电离能都很小，所以受 主能级很接近于价带顶，施主能级很接近于导带底。 浅能级：上述杂质能级。 浅能级杂质：产生浅能级的杂质。 室温下杂质状态 晶格原子热振动的能量会传递给电子，可使硅、锗 中的III 、V族杂质几乎全部离化。



浅能级杂质电离能的简单计算

III-V族化合物中的杂质

III-V族化合物中的杂质，可以是间隙式，也可以是替位 式，情况比硅、锗复杂 例如，替位式杂质可能取代III族原子，也可能取代V族 原子 间隙式杂质如果进入四面体间隙位置，则杂质原子周围 可能是四个III族原子或四个V族原子

III-V族化合物中的杂质能级
III-V族化合物中的杂质能级
以GaAs中的杂质为例,一般而言: ♦ Ⅱ族元素-倾向于占据Ga的位置,是受主 ♦ Ⅵ族元素-倾向于占据As的位置,是施主 ♦ Ⅳ族元素-占据As的位置,是受主 占据Ga的位置,是施主
施主杂质

施主能级
施主杂质或n型杂质: V族杂质,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。
施主电离：施主杂质释放电子的过程。 施主杂质未电离时是中性的，称为束缚态或中性态；电离后成为 正电中心，称为离化态。


施主杂质

施主能级
施主杂质的电离过程

施主能级ED：被施主杂质束缚的电子的能量状态。


intrinsic semiconductor
发光波长与带隙
hc 6.626 10343 108 Eg Eg (eV ) 1.6 1019 1240 109 ( m) Eg (eV ) 1240 (nm) Eg (eV )
760nm 550 380 1.63eV 2.25 3.26


施主杂质电子先跃迁到NA个受主能级上， ND - NA个电子在施主能级，跃迁到导带， 成为导电电子
n =ND – NA
半导体是n型的
ND
杂质的补偿作用

2、当NA
ND时
施主能级上的全部电子跃迁到受主 能级后，受主能级上还有NA - ND个 空穴，它们可以跃迁入价带成为导 电空穴
p = NA–ND NA

间隙式杂质
间隙式杂质原子一般比较小，如离子锂（Li+）的半径很小，为0.068nm, 在硅、锗、砷化镓中是间隙式杂质。 一般形成替位式杂质时，要求替位式杂质原子的大小与被取代的晶格原 子的大小比较相近，还要求它们的价电子壳层结构比较相近。如硅、锗 是IV族元素的族元素，与III、V族元素情况比较相近，所以III、V族元 素在硅、锗晶体中都是替位式杂质 。 Si：r=0.117 nm B：r=0.089 nm P：r=0.11 nm
半导体是p型的

有效杂质浓度：经过补偿之后，半导体中的净杂质浓度
杂质的补偿作用
利用杂质补偿作用，就能根据需要用扩散或离子注入方法 来改变半导体中某一区域的导电类型，以制成各种器件。
但是，若控制不当，会出现 的现象，这时，施主电 子刚好够填充受主能级，虽然杂质很多，但不能向导带和价带 提供电子和空穴，这种现象称为杂质的高度补偿。 这种材料容易被误认为高纯半导体，实际上含杂质很多， 性能很差，不能用来制造半导体器件。
半导体中的杂质和缺陷

杂质和缺陷重要影响的原因
由于杂质和缺陷的存在，使周期性排列 的原子所产生的周期性势场受破坏，有可能 在禁带中引入允许电子具有的能量状态(即能 级)。 由于杂质和缺陷可在禁带中引入能级， 对半导体的性质产生决定性影响。
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
替位式杂质

间隙式杂质
杂质进入半导体如何分布？ 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%。
深能级杂质

在半导体硅、锗中，除了III 、V族杂质在禁带中产 生浅能级以外，掺入其它各族元素也会在禁带中产生 能级。
深能级杂质
深能级杂质

非III 、V族杂质在硅、锗中产生能级的特点：
深能级杂质
深能级杂质
深能级杂质
深能级杂质
深能级杂质

深能级杂质—在Si,Ge中的非Ⅲ,Ⅴ族杂质属于深能级杂质 ♦ ① 产生的电子能级距离导带底,价带顶都比较远 ♦ ② 大多能在Si,Ge中产生多重能级 一些杂质,在同一半导体中,既可起施主作用,又可起受主作用— 两性杂质 ♦例如,Au在Ge中,除形成三重受主能级外,还产生一个施主能级

受主杂质、施主杂质小结

III族杂质在硅、锗晶体中是受主杂质 V族杂质在硅、锗晶体中是施主杂质

杂质在禁带中引入能级： 受主能级比价带顶高 施主能级则比导带底低 杂质可以处于两种状态： 未电离的中性态或束缚态 电离后的离化态
杂质处于离化态时， 受主杂质向价带提供空穴而成为负电中心 施主杂质向导带提供电子而成为正电中心
替位式杂质

间隙式杂质
杂质原子进入半导体硅以后，只可能以两种方式存在。 间隙式(interstitial)杂质:杂质原子位于晶格原子间的间 隙位置。 替位式(substitutional)杂质:杂质原子取代晶格原子而位 于格点处。 杂质进入其它半导体材料中，也是这两种方式。
替位式杂质

前述类型杂质，电离能很低，电子或空穴受到正电中心或负电中心 的束缚很微弱，可利用类氢模型来估算杂质的电离能。 当硅、锗中掺入V族杂质如磷原子时，在施主杂质处于束缚态的情 况下，这个磷原子将比周围的硅原子多一个电子电荷的正电中心和 一个束缚着的价电子。用氢原子模型估计 的数值。 氢原子中电子的能量

EA3 EA2
Ec
=
Ge
EA1 ED
Ev
EA3=Ec－0.04ev
深能级杂质，一般情况下含量极少，且能级较深， 对半导体的载流子浓度（导电电子浓度、导电空穴 浓度)和导电类型的影响比浅能级杂质小。 深能级杂质，对于载流子的复合作用比浅能级杂质 强，也称为复合中心。 金是一种典型的复合中心，在制造高速开关器件时， 常掺入金以提高器件的速度。
3、面缺陷（层错、多晶体中的晶粒间界）
半导体中的杂质和缺陷

杂质和缺陷的影响
半导体材料中极微量杂质和缺陷，能对 材料的物理性质和化学性质产生决定性影响， 也会严重影响器件的质量。 在硅晶体中，若以105个硅原子中掺入一 个杂质原子的比例掺入硼原子，室温电导率 将增加103倍。 用于生产一般硅平面器件的硅单晶，要 求控制位错密度在102 cm-2以下，若位错密度 过高，则不 能生产出性能良好的器件。
受主杂质 受主能级

纯净半导体中掺入受主杂质后，受主杂质电离，使价 带中的导电空穴增多，增强半导体的导电能力。 p型半导体(空穴型半导体) 主要依靠空穴导电的半导体。


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。


杂质浓度:单位体积中的杂质原子数。 表示半导体晶体中杂质含量的多少。
施主杂质

施主能级
III、V族元素在硅、锗晶体中是替位式杂质 以硅中掺磷为例讨论V族杂质的作用
施主杂质
施主能级
施主杂质

施主能级
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 ：多余价电子挣脱束缚成为导电电子所需要的能量。
2、半导体材料并非纯净的，而含有杂质， 即在半导体晶格中存在着与组成半导体材 料的元素不同的其他化学元素的原子； 3、实际半导体晶格结构并非完整无缺， 而存在各种形式的缺陷。在半导体中的某 些区域，晶格中的原子周期性排列被破坏， 形成各种缺陷。
半导体中的杂质和缺陷

缺陷分为三类：
1、点缺陷（空位、间隙原子） 2、线缺陷（位错）

例如：Si 在室温下，本征载流子浓度为1010/cm3， 掺入P (ND=1016/cm3) ： Si的原子浓度为1022～1023/cm3

P的浓度/Si原子的浓度=10-6
施主向导带提供的载流子
1016～1017/cm3＞＞本征载流子浓度
受主杂质 受主能级

以硅晶体中掺硼为例讨论Ⅲ族杂质的作用
Ge ‖ Au－ — Ge ︱ Ge
Ge
=
EA1 ED
EA1= Ev + 0.15ev
Ev

3.Au获得第二个电子
Ec
Ge ‖ -Ge = Au — Ge ‖ Ge - Au + (－e)=Au
EA2 EA1
ED
Ev
EA2=Ec－0.2ev
4.Au 获得--Au ‖ Ge

n=1,2,3,… ,为主量子数
基态能量
电离态

电离能
浅能级杂质电离能的简单计算

修正考虑 1、晶体内存在的杂质原子，正、负电荷是处于介电常数为 的介质中，则电子受正电中心的引力将减弱 倍, 束缚能量将减弱 倍； 2、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 要用有效质量 代替。
施主杂质

施主能级
在纯净半导体中掺入施主杂质
杂质电离以 后，导带中的导电电子增多，增强 半导体的导电能力。

n型半导体（电子型半导体） 主要依靠导带电子导电的半导体。

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。 电子从价带直接向导带激发，成为导带的自 由电子，称为本征激发。 只有本征激发的半导体称为本征半导体。