2半导体中的杂质能级解析
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半导体物理第2章 半导体中杂质和缺陷能级
锗中位错具有受主及施主的作用。
晶格畸变
Ec
Ec
Ec0
c
V V0
Ev
Ev Ev0
v
V V0
Eg (c v)VV0
思考题
2-1、什么叫浅能级杂质？它们电离后有何特点？ 2-2、什么叫施主？什么叫施主电离？施主电离前后有何特征？试举例说
明之，并用能带图表征出n型半导体。 2-3、什么叫受主？什么叫受主电离？受主电离前后有何特征？试举例说
间隙式杂质:位于晶格原子间隙位置
杂质原子小于晶体原子
杂质浓度：单位体积内的杂质原子数
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。
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。
Au( 1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 6 3 d 1 0 4 s 2 4 p 6 4 d 1 0 4 f1 4 5 s 2 5 p 6 5 d 1 0 6 s 1 )在Ge中的作用
2.3缺陷、位错能级
2.3.1点缺陷
热缺陷（由温度决定）
弗伦克耳缺陷
成对出现的间隙原子和空位
明之，并用能带图表征出p型半导体。 2-4、掺杂半导体与本征半导体之间有何差异？试举例说明掺杂对半导体
晶格畸变
Ec
Ec
Ec0
c
V V0
Ev
Ev Ev0
v
V V0
Eg (c v)VV0
思考题
2-1、什么叫浅能级杂质？它们电离后有何特点？ 2-2、什么叫施主？什么叫施主电离？施主电离前后有何特征？试举例说
明之，并用能带图表征出n型半导体。 2-3、什么叫受主？什么叫受主电离？受主电离前后有何特征？试举例说
间隙式杂质:位于晶格原子间隙位置
杂质原子小于晶体原子
杂质浓度：单位体积内的杂质原子数
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。
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。
Au( 1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 6 3 d 1 0 4 s 2 4 p 6 4 d 1 0 4 f1 4 5 s 2 5 p 6 5 d 1 0 6 s 1 )在Ge中的作用
2.3缺陷、位错能级
2.3.1点缺陷
热缺陷（由温度决定）
弗伦克耳缺陷
成对出现的间隙原子和空位
明之，并用能带图表征出p型半导体。 2-4、掺杂半导体与本征半导体之间有何差异？试举例说明掺杂对半导体
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
第二章半导体中杂质和缺陷能级
– 比成键电子自由 – 受到As＋ 的库仑作用。
• As＋：不能移动的正电中心 • 施主杂质(n型杂质）：能够向 晶体提供电子同时自身成为 带正电的离子的杂质。
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半导体物理学
半导体中杂质和缺陷能级
杂质电离(Impurity Ionization)
• 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：使这个多余的价电子挣脱束缚成 为导电电子所需要的能量。 ED << Eg， (P在Si中的电离能：44meV) • 施主电离：施主杂质施放电子的过程。施主杂 质未电离时是中性的，称为束缚态；电离后成为 正电中心，称为离化态。
时Ⅴ族原子所在处也多余一个正电荷，称为正离 子中心，所以，一个Ⅴ族原子取代一个硅原子， 其效果是形成一个正电中心和一个多余的电子。
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半导体物理学
半导体中杂质和缺陷能级
施主杂质(donor)
• V族： P, As • V族元素取代Si原子后，形成 一个正电中心和一个多余的 价电子。 • 该价电子的运动状态：
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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
带有分立的受主能级的 能带图
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受主能级电离能带图
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半导体中杂质和缺陷能级
• As＋：不能移动的正电中心 • 施主杂质(n型杂质）：能够向 晶体提供电子同时自身成为 带正电的离子的杂质。
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半导体中杂质和缺陷能级
杂质电离(Impurity Ionization)
• 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：使这个多余的价电子挣脱束缚成 为导电电子所需要的能量。 ED << Eg， (P在Si中的电离能：44meV) • 施主电离：施主杂质施放电子的过程。施主杂 质未电离时是中性的，称为束缚态；电离后成为 正电中心，称为离化态。
时Ⅴ族原子所在处也多余一个正电荷，称为正离 子中心，所以，一个Ⅴ族原子取代一个硅原子， 其效果是形成一个正电中心和一个多余的电子。
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施主杂质(donor)
• V族： P, As • V族元素取代Si原子后，形成 一个正电中心和一个多余的 价电子。 • 该价电子的运动状态：
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2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
带有分立的受主能级的 能带图
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受主能级电离能带图
半导体物理学
半导体中杂质和缺陷能级
第二章 半导体中的杂质和缺陷能级
由于以磷为代表的Ⅴ族元素在Si中能够施放导电电子，称V族元
素为施主杂质或n型杂质。
Hale Waihona Puke Baidu
电子脱离施主杂质的束缚成为导电电子的过程称为施主电离，所需要 的能量ΔED称为施主杂质电离能。ΔED的大小与半导体材料和杂质种
类有关，但远小于Si和Ge的禁带宽度。
施主杂质未电离时是中性的， 称为束缚态或中性态，电离 后称为施主离化态。
杂质既引入施主能级又引入受主能级。
例如：在Ge中掺Au Au的电子组态为：5s25p65d106s1
§2.2.3 深能级杂质
1，Au失去一个电子－－－施主 Au0 – e＝ Au+
Ec
ED=EV+0.04eV
ED
Ev
§2.2.3 深能级杂质
2，Au获得一个电子－－－受主 Au0 ＋e＝ AuEc
存在着两种荷载电流的粒子，统称为载流子。
§2.2 元素半导体（Si、Ge）中的杂质能级
§2.2.1 间隙式杂质、替位式杂质
原子在晶胞中的体积占有率为:34% 说明晶胞中66%为空隙.
§2.2.1 间隙式杂质、替位式杂质
§2.2.1 间隙式杂质、替位式杂质
Ⅲ、Ⅴ族元素掺入Ⅳ族的Si或Ge中形成替位式杂质，用 单位体积中的杂质原子数，也就是杂质浓度来定量描述杂质 含量多少，杂质浓度的单位为1/cm3 。
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
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 +
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
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-化合物半导体中的杂质能级
缺陷
AsGa－施主 GaAs－受主 VGa－受主 VAs、AsI－施主
11
硅在砷化镓中的双性行为
四族元素硅在砷化镓中会产生双性 行为，即硅的浓度较低时主要起施 主杂质作用，当硅的浓度较高时， 一部分硅原子将起到受主杂质作用。
这种双性行为可作如下解释： 因为在硅杂质浓度较高时，硅原子
不仅取代镓原子起着施主杂质的作 用，而且硅也取代了一部分V族砷 原子而起着受主杂质的作用，因而 对于取代Ⅲ族原子镓的硅施主杂质 起到补偿作用，从而降低了有效施 主杂质的浓度，电子浓度趋于饱和。
2
●施主杂质
Ⅵ族元素(Se、S、Te) 在 GaAs 中通常 都替代Ⅴ族元素As原子的晶格位置。 Ⅵ 族 杂 质 在 GaAs 中 一 般 起 施 主 作 用 ， 为浅施主杂质。
3
●受主杂质
Ⅱ族元素（Zn、Be、Mg、Cd、Hg） 在GaAs中通常都取代Ⅲ族元素 Ga 原子的晶格位置。
Ⅱ族元素杂质在 GaAs 中通常起受 主作用，均为浅受主杂质。
4
●中性杂质
Ⅲ 族元素（B、Al、In）和Ⅴ族元 素（P、Sb）在 GaAs 中通常分别 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而呈 电中性，对 GaAs 的电学性质没有 明显影响。
在禁带中不引入能级
5
● 两性杂质
AsGa－施主 GaAs－受主 VGa－受主 VAs、AsI－施主
11
硅在砷化镓中的双性行为
四族元素硅在砷化镓中会产生双性 行为，即硅的浓度较低时主要起施 主杂质作用，当硅的浓度较高时， 一部分硅原子将起到受主杂质作用。
这种双性行为可作如下解释： 因为在硅杂质浓度较高时，硅原子
不仅取代镓原子起着施主杂质的作 用，而且硅也取代了一部分V族砷 原子而起着受主杂质的作用，因而 对于取代Ⅲ族原子镓的硅施主杂质 起到补偿作用，从而降低了有效施 主杂质的浓度，电子浓度趋于饱和。
2
●施主杂质
Ⅵ族元素(Se、S、Te) 在 GaAs 中通常 都替代Ⅴ族元素As原子的晶格位置。 Ⅵ 族 杂 质 在 GaAs 中 一 般 起 施 主 作 用 ， 为浅施主杂质。
3
●受主杂质
Ⅱ族元素（Zn、Be、Mg、Cd、Hg） 在GaAs中通常都取代Ⅲ族元素 Ga 原子的晶格位置。
Ⅱ族元素杂质在 GaAs 中通常起受 主作用，均为浅受主杂质。
4
●中性杂质
Ⅲ 族元素（B、Al、In）和Ⅴ族元 素（P、Sb）在 GaAs 中通常分别 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而呈 电中性，对 GaAs 的电学性质没有 明显影响。
在禁带中不引入能级
5
● 两性杂质
Ch2 半导体中的杂质和缺陷能级
Ge
0.01
0.01
0.011 0.011
四、受主能级和受主电离
把被受主杂质所束缚的空穴的能量状态称为受主
能级，EA 。
EC
∵ΔEA《Eg，
Eg
∴受主能级离
Δ EA
价带顶很近
EA
EV
空穴得到能量ΔEA后，从受主的束缚态跃迁 到价带成为导电空穴，在能带图上表示空穴
的能量是越向下越高，空穴被受主杂质束缚
Si Si Si Si Si
Si
EV
Si
Si
P
Si
Si Si Si Si Si
替位式
2.1.2 施主杂质、施主能级
一、施主杂质：当五价元素磷（或锑）在硅中成
为替位式杂质并且电离时，磷原子的最外层有五 个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共 价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束 缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子 就成了不能移动的带正电的离子。
时的能量比价带顶EV低ΔEA。
Δ EA《Eg，受主能级位于离价带顶很近的禁带中。 一般受主能级也是孤立能级。
EC
Eg Δ EA EA
EV 受主能级和受主电离
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，增强了半导体的导电能力， 把主要依靠空穴导电的半导体称为空穴型或p型半导体。
第2章_半导体中的杂质和缺陷
(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-Ⅵ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 所以外界杂质对它们性能的影响不显著， 半导体的导电类型更主要的是由它们自 身的结构缺陷（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。
多子——多数载流子 少子——少数载流子
N型半导体导带电子数由施主决定，半导体 导电的载流子主要是电子。电子为多子，空 穴为少子。
P型半导体价带空穴数由受主决定，半导体 导电的载流子主要是空穴。空穴为多子，电 子为少子。
2.1.3. 杂质半导体
杂质激发
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。具 有杂质激发的半导体称为杂质半导体
(1) ND＞NA
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
(2) ND<NA
电离施主 电离受主
Ec ED
EA Ev
有效受主浓度p=NA- ND
此时半导体为p型半导体
半导体物理 第二章 杂质能级剖析
点缺陷（热缺陷）特点 ： ①热缺陷的数目随温度升高而增加 ②热缺陷中以肖特基缺陷为主（即原子空位为主）。 原因：三种点缺陷中形成肖特基缺陷需要的能量 最小。（可参阅刘文明《半导体物理学》p70～ p73，或叶良修《半导体物理学》p24和p94） ③淬火后可以“冻结”高温下形成的缺陷。 ④退火后可以消除大部分缺陷。半导体器件生产工 艺中，经高温加工（如扩散）后的晶片一般都需 要进行退火处理。离子注入形成的缺陷也用退火 来消除。
ND N A
2） ND N A ：施主能级低于受主能级，剩余杂质 ND N A 3） N D N A 高度补偿：有效施主浓度 N A ND 有效受主浓度
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N A ND
§2.1.6 深能级杂质
深能级杂质：非ⅢⅤ族杂质在Si、Ge的禁带中 产生的施主能级远离导带底，受主能级远离价 带顶。杂质电离能大，能够产生多次电离
EA
m
E0 m0 r 2
* p
可得同一个数量级 ED 0.025eV (Si)
§2.1.5 杂质的补偿作用
杂质补偿：半导体中存在施主杂质和受主杂质时， 它们底共同作用会使载流子减少，这种作用称为 杂质补偿。在制造半导体器件底过程中，通过采 用杂质补偿底方法来改变半导体某个区域底导电 类型或电阻率。
§2.3 半导体中的缺陷能级 (defect levels)
ND N A
2） ND N A ：施主能级低于受主能级，剩余杂质 ND N A 3） N D N A 高度补偿：有效施主浓度 N A ND 有效受主浓度
Biblioteka Baidu
N A ND
§2.1.6 深能级杂质
深能级杂质：非ⅢⅤ族杂质在Si、Ge的禁带中 产生的施主能级远离导带底，受主能级远离价 带顶。杂质电离能大，能够产生多次电离
EA
m
E0 m0 r 2
* p
可得同一个数量级 ED 0.025eV (Si)
§2.1.5 杂质的补偿作用
杂质补偿：半导体中存在施主杂质和受主杂质时， 它们底共同作用会使载流子减少，这种作用称为 杂质补偿。在制造半导体器件底过程中，通过采 用杂质补偿底方法来改变半导体某个区域底导电 类型或电阻率。
§2.3 半导体中的缺陷能级 (defect levels)
半导体物理2
半导体 物理
SEMICONDUCTOR PHYSICSS
李德昌
西安电子科技大学 理学院
第二章 半导体中的杂质和缺陷能级
§2.1 Si、Ge晶体中的杂质能级
1、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：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。
Ec ED EA
Ev
例2、复合体
“V”: 空位。 [O-V]复合体： EA=EC-0.17eV [As-V]复合体： EA=EC-0.4eV [P-V]复合体： EA=EC-0.47eV
（2）GaAs中的点缺陷 GaAs中的点缺陷
点 缺 陷分类：
1、空位：VAs，VGa。 2、 间隙：I As，IGa。 3、 反结构缺陷： BA，AB。
3、受主能级：举例：Si中掺硼 B（Si：B） 举例：Si中掺硼 Si：
电离受主 B价带空穴
受主能级 EA
电离的结果： 掺受主的意义所在。 电离的结果：价带中的空穴数增加了，这即是掺受主的意义 掺受主的意义
EC
Eg EA EV
△EA
受主 电 离 能： △EA=EA-EV
受主杂质：束缚在杂质能级上的空穴 受主杂质：
被激发到价带Ev成为价带空穴，该杂质电 被激发到价带Ev成为价带空穴，该杂质电 离后成为负电中心（负离子）。这种杂质 称为受主杂质。 Si、Ge中Ⅲ族杂质的电离能△EA（eV） 晶体 杂 质 B Al Ga In Si 0.045 0.057 0.065 0.16 Ge 0.01 0.01 0.011 0.011
SEMICONDUCTOR PHYSICSS
李德昌
西安电子科技大学 理学院
第二章 半导体中的杂质和缺陷能级
§2.1 Si、Ge晶体中的杂质能级
1、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：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。
Ec ED EA
Ev
例2、复合体
“V”: 空位。 [O-V]复合体： EA=EC-0.17eV [As-V]复合体： EA=EC-0.4eV [P-V]复合体： EA=EC-0.47eV
（2）GaAs中的点缺陷 GaAs中的点缺陷
点 缺 陷分类：
1、空位：VAs，VGa。 2、 间隙：I As，IGa。 3、 反结构缺陷： BA，AB。
3、受主能级：举例：Si中掺硼 B（Si：B） 举例：Si中掺硼 Si：
电离受主 B价带空穴
受主能级 EA
电离的结果： 掺受主的意义所在。 电离的结果：价带中的空穴数增加了，这即是掺受主的意义 掺受主的意义
EC
Eg EA EV
△EA
受主 电 离 能： △EA=EA-EV
受主杂质：束缚在杂质能级上的空穴 受主杂质：
被激发到价带Ev成为价带空穴，该杂质电 被激发到价带Ev成为价带空穴，该杂质电 离后成为负电中心（负离子）。这种杂质 称为受主杂质。 Si、Ge中Ⅲ族杂质的电离能△EA（eV） 晶体 杂 质 B Al Ga In Si 0.045 0.057 0.065 0.16 Ge 0.01 0.01 0.011 0.011
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
3.2 半导体中的载流子浓度与费米能级—2.杂质半导体
3.2 半导体的载流子浓度与费米能级
2. 杂质半导体
（1）杂质态上电子和空穴的分布规律
电子在杂质能级上的分布遵守费米分布，但不完全符合费 米分布函数：
费米分布函数：一个能级可以容纳自旋方向相反的两个电子； 对于杂质能级：要么被一个电子占据，要么空着，不允许 同时被自旋相反的两个电子占据。
代入
ni
Nc
exp
Ec Ei k0T
n0
ni
exp
EF Ei k0T
p0
ni
exp
EF Ei k0T
过渡区的电中性方程： n0 N D p0
代入
n0
ni
exp
EF Ei k0T
p0
ni
exp
EF Ei k0T
EF
Ei
k0Tarsh
ND 2ni
当 EF ED 时，电离施主浓度为：
nD
ND
ED EF
1 2e k0T
1 3
ND
n0
Nc
exp
Ec EF k0T
代入EF
Ec
ED 2
k0T 2
ln
ND 2 Nc
n0
NDNc 2
1 2
exp
ED 2k0T
n0随温度按指数规律变化
② 强电离区
电中性方程： n0 nD p0
2. 杂质半导体
（1）杂质态上电子和空穴的分布规律
电子在杂质能级上的分布遵守费米分布，但不完全符合费 米分布函数：
费米分布函数：一个能级可以容纳自旋方向相反的两个电子； 对于杂质能级：要么被一个电子占据，要么空着，不允许 同时被自旋相反的两个电子占据。
代入
ni
Nc
exp
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n0
ni
exp
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p0
ni
exp
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过渡区的电中性方程： n0 N D p0
代入
n0
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exp
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EF
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ND 2ni
当 EF ED 时，电离施主浓度为：
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ND
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1 2e k0T
1 3
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代入EF
Ec
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k0T 2
ln
ND 2 Nc
n0
NDNc 2
1 2
exp
ED 2k0T
n0随温度按指数规律变化
② 强电离区
电中性方程： n0 nD p0
半导体物理课件2.2
• 特例：磷化镓GaP
磷化镓掺入V族元素氮(N)或铋(Bi)，氮或铋取代磷 ，并在禁带中产生能级，该能级对导带电子(或价带空穴 ）有捕获作用，形成等电子杂质效应，该能级称为等电子 陷阱。
(1)等电子杂质效应
杂质原子替代格点同族原子（价电子数相同）后，由于 原子序数不同，杂质原子的共价半径、电负性与被替位格点 原子存在差别，能俘获电子或空穴成为带电中心，这种效应 称为等电子效应，杂质称为等电子杂质，形成的带电中心称 为等电子陷阱。
受主能级分别为：（EV+0.030）eV、（EV+0.030）eV、 （EV+0.024）eV、（EV+0.021）eV。
C、III族元素和V族元素
III族、V族元素掺入砷化镓，III族原子取代镓，V 族原子取代砷，杂质为电中性态，不在禁带中产生杂质能 级。
即一般而言，III族、V族元素掺入不是由其本身形 成的III-V族化合物半导体时，III族原子替代III族格点 原子，V族原子替代V族格点原子，一般情况下，杂质保持 电中性态，杂质没有影响。
替位式铜原子对Cu-Cu，受主能级（EV+0.24）eV； 间隙式，施主能级（EC-0.07）eV； 锂：间隙式，受主能级（EV+0.023）eV； 钠：施主杂质，但在电场作用下迁移率高、不稳定，一般不
作为掺杂剂；
B、Ⅱ族元素
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§ 2.1 半导体的杂质和掺杂
2. 受主杂质和受主能级
2）受主能级
半导体物理学
由于受主杂质掺入而在半导体带隙中新引入的电子能级，
该能级未占据电子，是空的，容易从价带获得电子
B原子多出的电子空位很容易接受价带电子，形成 较强的共价键，因此较导带更接近价带
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2010年11月16日星期二
北工大电控学院
1. 施主杂质和施主能级
1）施主杂质
施主掺杂又称 为N型掺杂
能够向晶体提供电子同时自身成为带正电的离子的杂质， 一般为五价的磷（P）或砷（As）原子
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半导体物理学
§ 2.1 半导体的杂质和掺杂 1. 施主杂质和施主能级
2）施主能级 由于施主杂质的掺入而在半导体带隙中新引入的电子能级
§ 2.1 半导体的杂质和掺杂
2. 受主杂质和受主能级
3）受主电离和电离能
半导体物理学
受主能级从价带接受电子的过程称为受主的电离，未 电离前，未被电子占据
电离所需要的最小能量即为受主电 离能，为价带顶与受主能级之差
D EC ED
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§ 2.1 半导体的杂质和掺杂
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§ 2.1 半导体的杂质和掺杂
2. 受主杂质和受主能级
1）受主杂质
半导体物理学
受主杂质掺杂又 称为P型掺杂
能够为晶体提供电子空位（空穴），同时自身成为带负电的 离子的杂质， 一般为三价的硼（B）原子
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2. 受主杂质和受主能级
半导体物理学
4）受主杂质的特点
受主未电离前，受主杂质保持电中性，受主能级未被
电子占据；电离后，从价带接受电子，受主能级被电 子占据，受主杂质带负电。
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§ 2.1 半导体的杂质和掺杂
1）杂质的带电性
•未电离：均为电中性
半导体物理学
半导体物理学
• 3、高阻的本征半导体材料和高阻的高度 补偿的半导体材料的区别是什么？(2006) • 1 深能级杂质和浅能级杂质概念（西交大） • 1以硅为例，举例说明掺入浅能级和深能 级杂质的目的和作用？（西电）
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半导体物理学
§ 2.1 半导体的杂质和掺杂
3. 施主杂质与受主杂质之比较
•电离后：施主失去电子带正电，受主得到电子带负电
2）杂质能级的电子占据
•未电离：施主能级满，受主能级空 •电离后：施主能级空，受主能级满
3）对载流子数的影响
•掺入施主后：电子数大于空穴数 •掺入受主后：电子数小于空穴数
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§ 2.1 半导体的杂质和掺杂
浅能级施主能级靠近导带，浅能级受主靠近价带；深 能级施主能级则往往位于禁带下部分，深能级受主能级 位于禁带上半部分 多重能级特性：一些深能级杂质会产生多次电离，从 而产生多重能级，但一次电离能总是小于二次电离能
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§ 2.1 半导体的杂质和掺杂
5. 杂质的补偿作用
P原子周围多余的电子由于受正离子的吸引，能量较导带电 子能量要低，同时，吸引作用比共价键结合要弱，因此能量 较价带电子要高，因此，施主能级位于带隙中
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半导体物理学
§ 2.1 半导体的杂质和掺杂
1. 施主杂质和施主能级
3）施主的电离和电离能 电离：施主向导带释放电子的过程。未电离前，施主能级 是被电子占据的
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§ 2.1 半导体的杂质和掺杂
6. Au在Si中的掺杂作用
半导体物理学
1）Au元素杂质在Si中既可起施主作用，又可起受主 作用，称为两性杂质 2）如果在Si中掺入Au的同时，掺入浅的受主杂质， 则Au呈施主作用，反之，若同时掺入施主杂质，则 Au呈受主作用
半导体物理学
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§ 2.1 半导体的杂质和掺杂
5. 杂质的补偿作用
半导体物理学
1）施主浓度远远大于受主浓度时，半导体呈N型 2）受主浓度远远大于施主浓度时，半导体呈P型 3）半导体中同时存在施主和受主杂质时，补偿作用 首先起作用
4）利用半导体杂质的补偿作用，可以改变半导体的 导电类型
电离所需要的最小能量称为电离能， 通常为导带底与施主能级之差
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半导体物理学
§ 2.1 半导体的杂质和掺杂 1. 施主杂质和施主能级
4）施主的特征 施主未电离前，施主能级是被电子占据并保持电中性，电 离后向导带释放电子并带正电
3）Au在Si中掺杂特性举例
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半导体物理学
4. 浅能级杂质与深能级杂质
半导体中掺入杂质后会在禁带中引入新的能级， 如果掺入的杂质的电离能很小，则称该杂质为浅能 级杂质，杂质的电离能很大，则称为深能级杂质
ED1 ED2 EA1 EA2
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§ 2.1 半导体的杂质和掺杂
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4. 浅能级杂质与深能级杂质