光波导技术基础解读
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第四章 硅、锗晶体中的杂质和缺陷 半导体材料中的杂质和缺陷对其性质具有重要影响。 4-1 硅、锗晶体中杂质的性质 4-1-1 杂质能级 杂质对硅、锗电学性质的影响与杂质的类型和能级在禁带 中的位置等有关。 硅.、锗的杂质大致可分为两类： 1. 周期表中Ⅲ族或Ⅴ族杂质。 特点：电离能低，对材料的电导率影响大，起受主或施主 作用。
a 硅中掺入N型杂质（如磷）时，浅 施主杂质将金受主能级全部填充， 生成Au-1离子，它使价带中空穴激 发到此能级上与电子复合。 P型硅中，施主能级Ev+0.35eV上 的电子与浅受主杂质发生补偿，生 成Au+，Au+将强烈地吸引导带中的 电子下落重新填充，从而产生复合 作用。
14
Ec-0.54eV Ev+0.35eV Ev
2
Ⅰ副族元素金有三个受主能级和一个施主能级。 多重能级的作用与温度及材料中存在的其它杂质的类型 和浓度等有关系。 金在锗中的行为为例说明多重能级特性： 金是周期表中ⅠB族的元素； 掺入锗中处于替代锗原子的位置； 接受第一、二、三个电子所需的能量分别为Ev+0.15eV， Ec-0.20eV和Ec-0.04eV； 金原子外层 有一个电子，可以受激到导带成为自由电 子，产生一个施主能级Ev+0.05eV。
10
2.杂质对材料电阻率的影响 半导体材料的电阻率与载流子密度和载流子的迁移率有关。 存在多种杂质，电阻率与杂质浓度的关系近似表示为
1 ( N A N D )e P
1 ( N D N A )e n
NA、ND：材料中受主和施主的 浓度；e：电子、空穴所带电量； p、 n：空穴、电子的迁移率。
11
有杂质补偿的情况下，电阻率由有效杂质浓度（NAND）或（ND-NA）决定; 总的杂质浓度NI=NA+ND对材料的电阻率产生影响; 杂质浓度很大时，杂质对载流子的散射作用会大大降低 其迁移率。 例如，硅中Ⅲ、Ⅴ族杂质，当N＞1016cm-3时，对室温 迁移率就有显著的影响。
12
13
3.杂质对非平衡载流子寿命的影响 半导体材料中的杂质和缺陷，对非平衡载流子寿命有 重要影响。 例如，硅中的金，有Ec-0.54eV（受主）和Ev+0.35eV （施主）两个能级。 Ec
8
Ⅳ族C、Si、Sn原子在锗中处在替代位置，既不起施 主又不起受主作用，称电中性杂质。 锂在锗中占间隙位置，可给出一个电子而呈现施主性 质。氢在锗中也占间隙位置，氧也有一部分是间隙的， 但一般不电离不影响材料的电性质。 Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ族杂质原子在硅中的作用与在锗中相似， 但某些杂质的性质则与在锗中不同。 例如，铜和金显示出一个受主能级和一个施主能级。 锰和铁是施主而不像在锗中那样是一个受主，并且扩 散系数大。 氧在硅中浓度可达很高，室温下呈电中性；加热时与 硅形成一系列络合物，放出电子起施主作用。
4
Ec-0.04eV Ec-0.20eV
EC
Au
3
Au
2
Ev+0.15eV Ev+0.05eV Ge中的Au杂质能级
Au
EV
Au
5
⑵NAu＜NAs＜2NAu，砷能级上的电子填满金的第一 受主能级后并开始部分填充金的第二受主能级。
升温时，第二受主能级上的电子激发到导带的能 量比价带电子激发到第二受主能级的能量小。 热激发会使第二受主能级中部分填充的电子激发 到导带中去，材料呈现N型。
9
§4-1-2 杂质对材料性能的影响 1.杂质对材料导电类型的影响 材料中共存施主和受主杂质时，它们将相互补偿，材料 的导电类型取决于占优势的杂质。 例如，锗、硅材料中， Ⅲ族杂质元素在数量上占优势时，材料呈现P型； Ⅴ族元素占优势时呈现N型； 材料中N型杂质和P型杂质的数量接近，材料呈现弱N 型或弱P型。 一些离子半导体材料，如大多数Ⅱ-Ⅵ族化合物，晶体 中的缺陷能级对半导体的导电类型起支配作用。
7
⑵NGa＞NAu，金原子施主能级上的电子全部落入镓 的能级上，补偿后，余下的镓能级上的空穴激发到 价带上，材料仍是P型。
金在硅中有两个能级，一个是Ec-0.54eV（受主）， 另一个是Ev+0.35eV（施主）。
a d
Ec-0.54eV
Ev+0.35eV
过渡金属Mn、Fe、Co、Ni原子，外层只有两个4s电 子，行为与双重受主相似。次外层没填满的d壳层不 起作用。
⑷NAs＞3NAu，所有金的三个受主能级都填充了电 子，剩余的砷浅施主能级上的电子被激发到导带中 去，材料亦呈现N型。
6
2.当锗中有P型浅受主杂质（如镓）时，金的施主能级 起补偿作用，有两种情况： ⑴ 0＜NGa＜NAu，金的施主能级给出电子填充镓的受 主能级，全部填满后还有一部分电子在金的施主能级 上。 低温时，价带中一部分电子激发填充到金因补偿而 空出的能级中，使材料呈P型。 高温时价带中激发的电子除了填充金的施主能级外， 还填充金的第一受主能级，材料仍然为P型。
1
2. 周期表中除Ⅲ族和Ⅴ族以外的杂质(如Ⅰ副族和过 渡金属元素)。 特点：电离能大，对材料的导电性质影响小，主要起 复合中心或陷阱的作用。 杂质在硅、锗中的能级与它的原子构造、在晶格 中所占的位置有关。 如：Ⅲ族和Ⅴ族杂质在锗中占替代式晶格位置，电离 后，可提供一个受主或施主能级； Ⅱ族的Zn或Cd杂质原子进入锗中, 居替代作用，电离 后，可提供两个受主能级。
3
金的各能级电子分布状态与材料中存在的其它杂质的种 类和数量及温度有关。 1.锗中掺有N型浅施主杂质（如砷）时，金的受主能级起 补偿作用，有几种情况：
⑴ 0＜NAs＜NAu（NAs、NAu分别代表砷浓度和金浓度）时， 砷能级电子全部落入金的第一受主能级上但还不能填满 它。
温度 ，价带中的电子Байду номын сангаас热激发填充此受主能级，材料 呈现P型。
d
Si中的Au杂质能级
实验表明: 两个复合中心俘获电子、空穴的能力不同。
P型硅，寿命与Ev+0.35eV（施主能级）上俘获电子的能力 有关，俘获系数r-=6.3×10-8cm3/s。
N型硅，寿命与Ec-0.54eV受主能级俘获空穴的能力有关， 俘获系数r+=1.15×10-7cm3/s。 r+＞r-，受主能级俘获空穴能力比施主能级俘获电子能力大。
a 硅中掺入N型杂质（如磷）时，浅 施主杂质将金受主能级全部填充， 生成Au-1离子，它使价带中空穴激 发到此能级上与电子复合。 P型硅中，施主能级Ev+0.35eV上 的电子与浅受主杂质发生补偿，生 成Au+，Au+将强烈地吸引导带中的 电子下落重新填充，从而产生复合 作用。
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Ec-0.54eV Ev+0.35eV Ev
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Ⅰ副族元素金有三个受主能级和一个施主能级。 多重能级的作用与温度及材料中存在的其它杂质的类型 和浓度等有关系。 金在锗中的行为为例说明多重能级特性： 金是周期表中ⅠB族的元素； 掺入锗中处于替代锗原子的位置； 接受第一、二、三个电子所需的能量分别为Ev+0.15eV， Ec-0.20eV和Ec-0.04eV； 金原子外层 有一个电子，可以受激到导带成为自由电 子，产生一个施主能级Ev+0.05eV。
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2.杂质对材料电阻率的影响 半导体材料的电阻率与载流子密度和载流子的迁移率有关。 存在多种杂质，电阻率与杂质浓度的关系近似表示为
1 ( N A N D )e P
1 ( N D N A )e n
NA、ND：材料中受主和施主的 浓度；e：电子、空穴所带电量； p、 n：空穴、电子的迁移率。
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有杂质补偿的情况下，电阻率由有效杂质浓度（NAND）或（ND-NA）决定; 总的杂质浓度NI=NA+ND对材料的电阻率产生影响; 杂质浓度很大时，杂质对载流子的散射作用会大大降低 其迁移率。 例如，硅中Ⅲ、Ⅴ族杂质，当N＞1016cm-3时，对室温 迁移率就有显著的影响。
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3.杂质对非平衡载流子寿命的影响 半导体材料中的杂质和缺陷，对非平衡载流子寿命有 重要影响。 例如，硅中的金，有Ec-0.54eV（受主）和Ev+0.35eV （施主）两个能级。 Ec
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Ⅳ族C、Si、Sn原子在锗中处在替代位置，既不起施 主又不起受主作用，称电中性杂质。 锂在锗中占间隙位置，可给出一个电子而呈现施主性 质。氢在锗中也占间隙位置，氧也有一部分是间隙的， 但一般不电离不影响材料的电性质。 Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ族杂质原子在硅中的作用与在锗中相似， 但某些杂质的性质则与在锗中不同。 例如，铜和金显示出一个受主能级和一个施主能级。 锰和铁是施主而不像在锗中那样是一个受主，并且扩 散系数大。 氧在硅中浓度可达很高，室温下呈电中性；加热时与 硅形成一系列络合物，放出电子起施主作用。
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Ec-0.04eV Ec-0.20eV
EC
Au
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Au
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Ev+0.15eV Ev+0.05eV Ge中的Au杂质能级
Au
EV
Au
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⑵NAu＜NAs＜2NAu，砷能级上的电子填满金的第一 受主能级后并开始部分填充金的第二受主能级。
升温时，第二受主能级上的电子激发到导带的能 量比价带电子激发到第二受主能级的能量小。 热激发会使第二受主能级中部分填充的电子激发 到导带中去，材料呈现N型。
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§4-1-2 杂质对材料性能的影响 1.杂质对材料导电类型的影响 材料中共存施主和受主杂质时，它们将相互补偿，材料 的导电类型取决于占优势的杂质。 例如，锗、硅材料中， Ⅲ族杂质元素在数量上占优势时，材料呈现P型； Ⅴ族元素占优势时呈现N型； 材料中N型杂质和P型杂质的数量接近，材料呈现弱N 型或弱P型。 一些离子半导体材料，如大多数Ⅱ-Ⅵ族化合物，晶体 中的缺陷能级对半导体的导电类型起支配作用。
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⑵NGa＞NAu，金原子施主能级上的电子全部落入镓 的能级上，补偿后，余下的镓能级上的空穴激发到 价带上，材料仍是P型。
金在硅中有两个能级，一个是Ec-0.54eV（受主）， 另一个是Ev+0.35eV（施主）。
a d
Ec-0.54eV
Ev+0.35eV
过渡金属Mn、Fe、Co、Ni原子，外层只有两个4s电 子，行为与双重受主相似。次外层没填满的d壳层不 起作用。
⑷NAs＞3NAu，所有金的三个受主能级都填充了电 子，剩余的砷浅施主能级上的电子被激发到导带中 去，材料亦呈现N型。
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2.当锗中有P型浅受主杂质（如镓）时，金的施主能级 起补偿作用，有两种情况： ⑴ 0＜NGa＜NAu，金的施主能级给出电子填充镓的受 主能级，全部填满后还有一部分电子在金的施主能级 上。 低温时，价带中一部分电子激发填充到金因补偿而 空出的能级中，使材料呈P型。 高温时价带中激发的电子除了填充金的施主能级外， 还填充金的第一受主能级，材料仍然为P型。
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2. 周期表中除Ⅲ族和Ⅴ族以外的杂质(如Ⅰ副族和过 渡金属元素)。 特点：电离能大，对材料的导电性质影响小，主要起 复合中心或陷阱的作用。 杂质在硅、锗中的能级与它的原子构造、在晶格 中所占的位置有关。 如：Ⅲ族和Ⅴ族杂质在锗中占替代式晶格位置，电离 后，可提供一个受主或施主能级； Ⅱ族的Zn或Cd杂质原子进入锗中, 居替代作用，电离 后，可提供两个受主能级。
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金的各能级电子分布状态与材料中存在的其它杂质的种 类和数量及温度有关。 1.锗中掺有N型浅施主杂质（如砷）时，金的受主能级起 补偿作用，有几种情况：
⑴ 0＜NAs＜NAu（NAs、NAu分别代表砷浓度和金浓度）时， 砷能级电子全部落入金的第一受主能级上但还不能填满 它。
温度 ，价带中的电子Байду номын сангаас热激发填充此受主能级，材料 呈现P型。
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Si中的Au杂质能级
实验表明: 两个复合中心俘获电子、空穴的能力不同。
P型硅，寿命与Ev+0.35eV（施主能级）上俘获电子的能力 有关，俘获系数r-=6.3×10-8cm3/s。
N型硅，寿命与Ec-0.54eV受主能级俘获空穴的能力有关， 俘获系数r+=1.15×10-7cm3/s。 r+＞r-，受主能级俘获空穴能力比施主能级俘获电子能力大。