第二章半导体中杂质和缺陷能级

EA2-Ev；从价带激发第三个电子给使之成为三重电受主离化态
所需能量为 EA3-Ev 。

， Au
由于电子间存在库仑斥力，EA3>EA2>EA1。

Si、Ge中其它一些深能级杂质引入的深能级也可以类似地做
出解释。

深能级杂质对半导体中载流子浓度和导电类型的影响不像浅
能级杂质那样显著，其浓度通常也较低，主要起复合中心的
ND>NA ，称ND-NA 为有效施主浓度；如果NA>ND ，那么NA-ND 称为有
效受主浓度。
(a) T=0K, ND>NA 杂质补偿
(b) 室温, ND>NA
六.深能级杂质 非Ⅲ、Ⅴ族杂质在Si、Ge禁带中也产生能级， 其特点为： 非Ⅲ、Ⅴ族元素在Si、Ge禁带中产生的施主能级 ED距导带底Ec较远，产生的受主能级EA距价带顶 Ev较远，这种杂质能级称为深能级，对应的杂质 称为深能级杂质。 深能级杂质可以多次电离，每一次电离相应有一 个能级，有的杂质既引入施主能级又引入受主能 级。
基本概念：





浅能级杂质：电离能小的杂质称为浅能级杂质。所谓浅能级，是指施主 能级靠近导带底，受主能级靠近价带顶。室温下，掺杂浓度不很高底情 况下，浅能级杂质几乎可以可以全部电离。五价元素磷（P）、锑（Sb) 在硅、锗中是浅受主杂质，三价元素硼（B）、铝（Al）、镓（Ga）、 铟（In）在硅、锗中为浅受主杂质。 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。 高度补偿：若施主杂质浓度与受主杂质浓度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等补偿。这种材料容易被误 认为高纯度半导体，实际上含杂质很多，性能很差，一般不能用来制造 半导体器件。 深能级杂质：杂质电离能大，施主能级远离导带底，受主能级远离价带 顶。 深能级杂质有三个基本特点：一是不容易电离，对载流子浓度影响不大； 二是一般会产生多重能级，甚至既产生施主能级也产生受主能级。三是 能起到复合中心作用，使少数载流子寿命降低（在第五章详细讨论）。 四是深能级杂质电离后以为带电中心，对载流子起散射作用，使载流子 迁移率减少，导电性能下降。

四.杂质浅能级电离能的简单计算
五. 杂质补偿作用

在同一块半导体材料中如果同时存在有两种类 型的杂质，则该半导体的导电类型主要取决于掺杂 浓度高的杂质。例如：若Si中的P 浓度高于B浓度， 则该块Si材料是n型半导体。但是，与同样掺P 浓 度的单一掺杂情况比较，由于有受主的存在，被激 发到导带的电子数将会减少（因为此时有一部分施 主能级上的电子将会落入受主能级），这种现象称 为杂质补偿。如果掺杂情况相反，则该块材料为p 型半导体。
以Ge中掺Au为例：
图 Au在Ge中的能级
图中Ei表示禁带中线位臵， Ei以上注明的是杂质能级距导 带底Ec的距离， Ei以下标出的是杂质能级距价带顶Ev的距离。
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施主离化态Au+。这
相当宽的温度范围内，杂质几乎全部离化。

通常情况下半导体中杂质浓度不是特别高，半导体中杂质
分布很稀疏，因此不必考虑杂质原子间的相互作用，被杂 质原子束缚的电子(空穴)就像单个原子中的电子一样，处 在互相分离、能量相等的杂质能级上而不形成杂质能带。

当杂质浓度很高(称为重掺杂)时，杂质能级才会交叠，形
元素P在Si中成为替位式杂质且电离时，能够 释放电子而产生导电电子并形成正电中心，称它们 为施主杂质或n型杂质
2．施主能级


由于共价键是一种很强的化学键，结合非常牢固，共价 键上的电子是几乎不可能在晶体中运动的。但P 原子的那个 “多余”的价电子被离子实P+ 束缚得相当微弱，这个电子 在不大的外场力作用下就可以脱离P+ 的束缚而在Si晶体中 自由运动。 从能带的角度来看，处于共价键上的电子就是处在价带 中的电子，而那个“多余”的电子并不处在价带中，它只要 得到一个很小的能量（只要室温就足够了）就会被激发到导 带，成为导带中的传导电子。这就相当于在Si禁带中，在距 导带底下方很近的地方有一个能级，在未激发的情况下（例 如0K时），那个“多余”电子就处在这个能级上，杂质此时 是电中性的。但是稍稍给它一点能量，那个“多余”的电子 就将跃迁到导带。杂质P原子也因这个价电子的离开而带正 电，此时就称施主杂质电离了。因掺入施主杂质而在禁带中 引入的这个能级称为施主能级。
Ec
第二章 半导体中杂质和缺陷能级
2.1
硅、锗晶体中的杂质能级 III-V族化合物中的杂质能级
缺陷、位错能级
2.2
2.4
理想半导体：1、原子严格地周期性排列，晶 体具有完整的晶格结构。2、晶体中无杂质，无缺 陷。3电子在周期场中作共有化运动，形成允带和 禁带——电子能量只能处在允带中的能级上，禁带 中无能级。由本征激发提供载流子 晶体具有完整的（完美的）晶格结构，无任何 杂质和缺陷——本征半导体。（纯净半导体中，的 位臵和载流子的浓度只是由材料本身的本征性质决 定的） 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。
三. 受主杂质和受主能级
当III族元素B在Si中成为替位式杂质且电离时， 能够接受电子而产生导电空穴并形成负电中心， 称它们为受主杂质或p型杂质。

2．受主能级 由于B原子欲成4 个共价键尚缺少一个价电子，这样， B原子附近的Si原子共价键上的电子并不需要增加多少能 量就可很容易地填补到B原子这个“空缺”的价键上来， 并在原来的价键上留下一个新的“空缺”，这就相当于 “空缺”在晶体中产生了移动。显然，这个“空缺”还会 以同样的机制继续在半导体中运动。从能带上讲就是，由 于受主杂质B原子的掺入，在Si的禁带中价带的上方附近 将引入一个能级，它就是受主能级EA，它与价带顶EV 之 差就是受主电离能。

§2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
一.替位式杂质和间隙式杂质
按照球形原子堆积模型，金刚石晶体的一个原胞中的8 个原子只占该晶胞体积的34％，还有66％是空隙！

A－间隙式杂质原子：原子半径比较小 B－替位式杂质原子：原子的大小与被 取代的晶体原子大小比较相近 杂质浓度：单位体积中的杂质原子数

二.施主杂质与施主能级
五. 杂质补偿作用

如果在半导体中既掺入施主杂质，又掺入受主杂质，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。 对于杂质补偿的半导体，若ND>NA：

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EA比施主能级ED低，电子将先填满受主能级EA，然后再填充施主 能级ED，因此施主能级上的电子浓度为ND-NA。
作用。

采用掺金工艺能够提高高速半导体器件的工作速度。
基本概念：


施主杂质（n型杂质）：杂质电离后能够施放电子而产生 自由电子并形成正电中心的杂质——施主杂质。 施主杂质电离能：杂质价电子挣脱杂质原子的束缚成为自 由电子所需要的能量——杂质电离能，用表示。 正电中心：施主电离后的正离子——正电中心 施主能级：施主电子被施主杂质束缚时的能量对应的能级 称为施主能级。对于电离能小的施主杂质的施主能级位于禁 带中导带底以下较小的距离。 受主杂质：能够向（晶体）半导体提供空穴并形成负电中 心的杂质——受主杂质 受主杂质电离能：空穴挣脱受主杂质束缚成为导电空穴所 需的能量。 受主能级：空穴被受主杂质束缚时的能量状态对应的能级。
E A E A EV

与施主电离能一样，受主电离能 △EA 也 较小，当受主杂质B的空缺共价键被附近的Si 原子共价键上的电子填充而建立起来时，B 原子将带负电，我们称之为受主杂质电离。 这相当于杂质B向Si的价带发射了一个空穴。 掺受主杂质的半导体主要靠空穴导电，所以 称之为p型半导体。在p型半导体中，空穴是 多子，电子是少子。
下图是用能带图表示的施主杂质和受主杂质的电离过程。
(a) 施主能级和施主电离
(b) 受主能级和受主电离
杂质能级和杂质电离
Ⅲ、Ⅴ族杂质在硅和锗中的ΔEA 、ΔED都很小，即施主能级ED距导
带底Ec很近，受主能级EA距价带顶Ev很近，这样的杂质能级称为浅能级， 相应的杂质就称为浅能级杂质。

如果Si、Ge中的Ⅲ、Ⅴ族杂质浓度不太高，在包括室温的
成杂质能带。
四.杂质浅能级电离能的简单计算

在掺杂浓度不很高时，不论是施主杂质还是受 主杂质，都可以看成一个类氢原子。因此可以用氢 原子的理论研究结果来讨论杂质电离能问题。当然， 必须作一点修正：
（1）因为正、负电荷均处于晶体内，所以要考虑 晶体介电常数的影响； （2）电子（空穴）是在能带中运动，所以要用有 效质量代替氢原子理论中的惯性质量。
若以ED 和EC分别表示施主能级和导带底能量值，则有：
ED EC ED
这里的△E 称为施主电离能。它通常较小，对于常见的硅、锗 半导体材料的浅施主杂质，其施主电离能一般在0.05eV以下 如前所说，在绝大多数情况下，半导体的掺杂浓度并不高，因此， 杂质原子之间距离远大于母体材料的晶格常数（等价原子之间的最小 距离），相邻杂质所束缚的电子（即“多余”的电子）的波函数基本 不会交叠，不会形成杂质能带，它们的能量相同，所以杂质能级是位 于同一水平线上的分立能级。很显然，在掺施主杂质的半导体中，电 子的浓度大于空穴的浓度，半导体中的传导电流主要依靠电子的贡献。 因此我们称这种半导体材料为n型半导体。在n 型半导体中，电子是多 数载流子（简称为多子），空穴是少数载流子（简称为少子）。