半导体物理 第二章

主要依靠价带空穴导电的半 导体称为空穴型或p型半导体 导体称为空穴型或 型半导体
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空穴挣脱受主杂质束缚的过程称为受主电离 受主电离。受主杂质未电 受主电离 离时是中性的称为束缚态或中性态 束缚态或中性态；电离后成为负电中心， 束缚态或中性态 称为受主离化态 受主离化态。使空穴挣脱受主杂质束缚成为导电空穴所 受主离化态 需要的能量称为受主电离能 受主电离能。 受主电离能
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这种由温度决定的点缺陷又称为热缺陷 热缺陷，它们总是同时存在 热缺陷 的； 由于原子须具有较大的能量才能挤入间隙位置，以及它迁移 时激活能很小，所以晶体中空位比间隙原子多得多，故空位 空位 是常见的点缺陷； 是常见的点缺陷 在化合物 化合物中，除了热振动因素形成空位和间隙原子外，由于 化合物 成分偏离正常的化学比 偏离正常的化学比，也会形成点缺陷。例如在砷化镓中， 偏离正常的化学比 由于热振动可以使镓原子离开晶格点形成镓空位和镓间隙原 子 ； 也 可 以 使 砷 原 子 离 开 晶 格 点 形 成砷 空 位 和 砷 间 隙 原 子。另外由于砷化镓中镓偏 多或砷偏多，也能形成砷空 位或镓空位，如右图所示。 这些缺陷是起施主还是受主 作用，目前仍无法定论，需 由实验决定。 40
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 2.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物中的杂质能级 族化合物中的杂质 杂质能 2.3 缺陷、位错能级 缺陷、
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本章重点： 本章重点：
掌握Si、 、 族化合物的杂质能级 掌握 、Ge、Ⅲ-Ⅴ族化合物的杂质能级 理解缺陷、 理解缺陷、位错能级
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根据杂质能级在禁带中的位置将杂质分为两种： 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； 缺陷可分为三类： 缺陷可分为三类： 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
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2. Si、Ge中的点缺陷 、 中的点缺陷 以空位(施主和受主 、间隙和复合体缺陷为主。 以空位 施主和受主)、间隙和复合体缺陷为主。 施主和受主 3. GaAs中的点缺陷 中的点缺陷 以空位、间隙和反结构缺陷 特征 出现在化合物中)为主 特征： 为主。 以空位、间隙和反结构缺陷(特征：出现在化合物中 为主。
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2.1 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 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 杂质浓度。 杂质浓度 杂质能级：位于禁带中。
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二、替位式杂质、间隙式杂质 替位式杂质、
杂质原子进入半导体后，有两种方式存在： 一种方式是杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，称这种 杂质为间隙式杂质。形成该种杂质时，要求其原子比晶格 原子小； 另一种方式是杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处，称 这种杂质为替位式杂质。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。
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2. 浅能级杂质电离能的简单估算 浅能级杂质的电离能很低，电子或空穴受到正电中心或 束缚很微弱，故可利用类氢模型来估算杂质的电 负电中心的束缚很微弱 束缚很微弱 离能(如下图施主杂质情况所示，晶体中有如附加了一个“氢 氢 原 ) 子”) 。 这种估算没有反映杂质原子的影响， 这种估算没有反映杂质原子的影响 ， 而只是实际情况的 一种近似。 一种近似。
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p型杂质 型杂质
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五、n型半导体和 型半导体 型半导体和p型半导体 型半导体和
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六、浅能级、浅能级杂质及其电离能的简单估算 浅能级、
1. 定义 将很接近于价带顶的受主能级和很接近于导带底的施主 浅能级。将产生浅能级的杂质称为浅能级杂质 浅能级杂质，其 能级称为浅能级 浅能级 浅能级杂质 特点为：
电子的平均 速度或波包 中心的速度
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四、两性杂质
在化合物半导体中，某种杂质在其中既可以作施主，又 可以作受主，这种杂质称为两性杂质 两性杂质。该杂质的这种性质称 两性杂质 为双性行为。
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五、等电子杂质、等电子陷阱、束缚激子 等电子杂质、等电子陷阱、
所谓等电子杂质 等电子杂质是与基质(本征)晶体原子具有同数量价电子 等电子杂质 同数量价电子 的杂质原子；它们替代了格点上的同族原子后，基本上仍是 电中性的。 电中性 由于原子序数不同，等电子杂质与基质原子的共价半径和电 负性有差别， 因而它们能俘 获某种载流子 而成为带电中 心，这个带电 中心就称为等 等 电子陷阱。 电子陷阱
施主
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(1) 氢原子基态电子的电离能 氢原子中电子的能量为：
m0 q 4 En = − 2 2 2 8ε 0 h n
(n = 1,2,3L)
氢原子的基态能量为(n=1)：
m0 q E1 = − 2 2 8ε 0 h
氢原子电离态能量为(n=∞)：
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E∞ = 0
氢原子基态电子的电离能：
m0 q E0 = E∞ − E1 = 2 2 = 13.6eV 8ε 0 h
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缺陷、 2.3 缺陷、位错能级
一、点缺陷
1. 点缺陷的种类 (1)空位和间隙原子 空位和间隙原子 在一定温度下，晶格原子不仅在平衡位置附近做振动运 动，而且有一部分原子会获得足够的能量，克服周围原子对 它的束缚，挤入晶格原子间的间隙，形成间隙原子 间隙原子，原来的 间隙原子 位置便成为空位 空位： 空位 这时间隙原子和空位是成对出现的，称为弗仑克耳缺陷 弗仑克耳缺陷； 弗仑克耳缺陷 若只在晶体内形成空位而无间隙原子时，称为肖特基缺陷 肖特基缺陷； 肖特基缺陷 间隙原子和空位不断地产生和复合，最后确立一平衡浓度 值；
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只有当掺入原子与基质晶体原子在电负性、共价半径方面具 有较大差别 较大差别时，才能形成等电子陷阱(一般来说，同族元 较大差别 素原子序数越小，电负性越大，共价半径越小)； 等电子杂质电负性大于基质晶体原子的电负性时，取代后， 它便能俘获电子成为负电中 心； 反之，它能俘获空穴成为正 电中心。
即等电子络合物， 即等电子络合物 ， 如 GaP中产生 中产生 Zn Ga 和OP后， 当二者处于相邻晶 格点时，形成电中性的Zn-O复合 格点时，形成电中性的 复合 体，其仍能俘获电子而带负电 电子有 效质量
例1：Au(Ⅰ族)在Ge中
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半导体
绝缘体 导体
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例2：Au(Ⅰ族)在Si中
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2.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物中的杂质能级
以GaAs为代表，杂质原子进入半导体后，也以两种方 式存在，形成两种杂质：间隙式杂质和替位式杂质。
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一、施主杂质
二、受主杂质
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三、中性杂质
某种杂质掺入化合物半导体 化合物半导体后，在其中既不是施主，又 化合物半导体 不是受主，而是电中性的杂质，在禁带中不引入能级，称这 种杂质为中性杂质 中性杂质。 中性杂质
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八、深能级杂质
施主杂质能级距离导带底， 施主杂质能级距离导带底，或受主杂质能 级距离价带顶都较远时，称该能级为深能 级距离价带顶都较远时，称该能级为深能 相应的杂质称为深能级杂质 级，相应的杂质称为深能级杂质
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深能级杂质能够产生多次电离 多次电离，每一次电离相应地有一个 多次电离 能级。因此，该杂质在禁带中往往引入若干个能级。而 且，有的杂质既能引入施主能级，又能引入受主能级； 原因：杂质能级与杂质原子的电子壳层结构、杂质原子的 大小、杂质在半导体晶格中的位置等因素有关。目前还没 有完善的理论加以说明。 举例： 举例
n型杂质 型杂质
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举例Si中掺 四、受主杂质、受主能级(举例 中掺 ，Si:B) 受主杂质、受主能级 举例 中掺B，
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把被受主杂质束缚的空穴的能量状态称为 受主能级。受主能级靠近价带顶部。 受主能级。受主能级靠近价带顶部。
电离结果：价带中的空穴数增加了， 电离结果：价带中的空穴数增加了， 这也是掺受主的意义 掺受主的意义所在 这也是掺受主的意义所在
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七、杂质的补偿作用
半导体中同时存在施主和受主杂质，二者之间有相互抵 消的作用。
其中， 函数是与晶格同周期的周期函数 函数是与晶格同周期的周期函数。 其中，u函数是与晶格同周期的周期函数。
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杂质高度补偿的材料中， 杂质高度补偿的材料中， 杂质虽多， 杂质虽多，但不能向导带 和价带提供电子和空穴。 和价带提供电子和空穴。 该材料容易被误认为高纯 半导体， 半导体，实际上含杂质很 性能很差， 多，性能很差，一般不能 用来制造半导体器件。 用来制造半导体器件。
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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 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。
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六、用类氢原子模型估算GaAs浅能级杂质的电离能 用类氢原子模型估算 浅能级杂质的电离能
例如，浅施主杂质电离能的估算结果与实验测量值基本 符合，为： ∆ED=0.008eV
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二、位错
主要指线缺陷，如Si中的60°位错。
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(2) 用类氢原子模型估算浅能级的电离能 考虑两方面的因素对上式进行修正： 正、负电荷是处于某种介质中； 由于电子是在晶格周期性势场中运动，要用其有效质量代替 惯性质量。
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修正后的电离能可表示为：
估算结果与实际测量值有相同的数量级： Si：∆ED=0.025eV Ge：∆ED=0.0064eV
Si中掺 三、施主杂质、施主能级(举例 中掺 ，Si:P) 施主杂质、施主能级 举例 中掺P，
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电离结果：导带中的电子数增加了， 电离结果：导带中的电子数增加了， 这也是掺施主的意义 掺施主的意义所在 这也是掺施主的意义所在