2012半导体物理第二章-2+
合集下载
chap.2
一、杂质存在的方式
1、杂质存在方式
金刚石结构Si中，一个 晶胞内的原子占晶体原胞 的34%，空隙占66%。
(1) 间隙式→杂质位于间隙 位置。 Li：0.068nm
(2) 替位式→杂质占据格点 位置。大小接近、电子壳 层结构相近
Si
Si Li P
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si：r=0.117nm B：r=0.089nm P：r=0.11nm
Sb
0.039 0.0096
含有施主杂质的半导体，其导电的载流子主要是 电子——N型半导体，或电子型半导体
2. ⅢA族替位杂质——受主杂质 （Acceptor impurity）
在Si中掺入B
B获得一个电子变成负 离子，成为负电中心，周 围产生带正电的空穴。
＋ B－ B－
EA
B具有得到电子的性质，这类杂质称为受主杂质。 受主杂质向价带提供空穴。 受主浓度：NA
2
Si
Si Si Si Si Si
Si
Si
Si Si Si Si Si
Si
1 24 .4 Å
Si
Si Si Si
Si
P Si Si
Si
Si Si Si
Si
Si Si Si
Si：r=1.17Å Si: a=5.4Å 剩余电子本质上是 在晶体中运动
Si
Si
Si
Si
Si
Si
对于Si、Ge掺P
m
* eSi
1. 浅能级杂质能级和杂质电离； 2. 浅能级杂质电离能的计算； 3. 杂质补偿作用 4. 深能级杂质的特点和作用
§2-2 化合物半导体中的杂质能级
1、杂质存在方式
金刚石结构Si中，一个 晶胞内的原子占晶体原胞 的34%，空隙占66%。
(1) 间隙式→杂质位于间隙 位置。 Li：0.068nm
(2) 替位式→杂质占据格点 位置。大小接近、电子壳 层结构相近
Si
Si Li P
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si：r=0.117nm B：r=0.089nm P：r=0.11nm
Sb
0.039 0.0096
含有施主杂质的半导体，其导电的载流子主要是 电子——N型半导体，或电子型半导体
2. ⅢA族替位杂质——受主杂质 （Acceptor impurity）
在Si中掺入B
B获得一个电子变成负 离子，成为负电中心，周 围产生带正电的空穴。
＋ B－ B－
EA
B具有得到电子的性质，这类杂质称为受主杂质。 受主杂质向价带提供空穴。 受主浓度：NA
2
Si
Si Si Si Si Si
Si
Si
Si Si Si Si Si
Si
1 24 .4 Å
Si
Si Si Si
Si
P Si Si
Si
Si Si Si
Si
Si Si Si
Si：r=1.17Å Si: a=5.4Å 剩余电子本质上是 在晶体中运动
Si
Si
Si
Si
Si
Si
对于Si、Ge掺P
m
* eSi
1. 浅能级杂质能级和杂质电离； 2. 浅能级杂质电离能的计算； 3. 杂质补偿作用 4. 深能级杂质的特点和作用
§2-2 化合物半导体中的杂质能级
半导体物理第二章ppt课件
引进有效质量，半导体中的电子所受的外力与
加速的关系和牛顿第二定律类似。
3、引进有效质量的意义：
由
a= f
m
* n
可以看出有效质量概括了半导体内
部势场的作用，使得在解决半导体中电子在
外力作用下的运动规律时，可以不涉及半导
体内部势场的作用。
课堂练习：习题3（P58)
2.6.3 状态密度、态密度有效质量、电导有效质量
近出现了一些空的量子状态，在外电场的作用下， 停留在价带中的电子也能够起导电的作用，把价带 中这种导电作用等效于把这些空的量子状态看做带 正电荷的准粒子的导电作用，常称这些空的量子状 态为空穴
2.3.2 金属、半导体、绝缘体的能带
2.4 半导体的带隙结构
间接能隙结构—即价带的最高 点与导带的最低点处于K空间 的不同点
3、 测不准关系
当微观粒子处于某一状态时，它的力学量（坐 标、动量、能量等）一般不具有确定的数值。
如： p g xh 同 一 粒 子 不 可 能 同 时 确 定 其 坐 标 和 动 量
测不准原理告诉我们,对微观粒子运动状态分 析，需用统计的方法。
4、 波函数
波函数 r ,t 描述量子力学的状态
= hk m
h2k 2 E
2m
对于波矢为k的运动状态，自由电子的能量E和动
量P，速度v均有确定的数值，因此，波矢量 k可
用以描述自由电子的运动状态，不同的k值标致
自由电子的不同状态。
6、 单原子电子
电子的运动服从量子力学，处于一系列特定的 运动状态---量子态，要完全描述原子中的一个电 子的运动状态，需要四个量子数。
氧的电子组态表示的意思：第一主轨道上有两个电子 ，这两个电子的亚轨道为s，（第一亚层）；第二主轨 道有6个电子，其中有2个电子分布在s 亚（第一亚层） 轨道上，有4个电子分布在p亚轨道上（第二亚层）
半导体物理学第二章
r相对介电常数
5 杂质的补偿作用
• 同时掺入P型和n型两种杂质，它们会相互抵消。 • 若ND>NA,则为n型半导体，n= ND-NA ； • 反之为P型，p= NA-ND。 • 其净杂质浓度称之为“有效杂质浓度”。 • 值得注意的是，当两种杂质的含量均较高且浓度基本相同
时，材料容易被误认为是“高纯半导体”，实际上，过多 的杂质含量会使半导体的性能变差，不能用于制造器件。
空位缺陷的最近邻有四个原子，每个原子有一个不成对 的电子，为不饱和的共价键，有接受电子的倾向，表现 出受主的作用。反之，间隙缺陷有四个可以失去的价电 子，表现为施主。
热缺陷产生的原因
• 系统的热平衡取决于自由能 F= U-TS。而S=klnW，设 熵是由组态变化引起。在N个原子的晶体中，有n个空位， 则排列方式为W=(N+n)!/N!n!种。
• 结论：掺磷(5价)，施主，电子导电，n型半导体。
半导体的掺杂
施主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的电子， 并成为带正电的离子。如Si中的P 和As
ED
As
N型半导体
施主能级
EC ED
EV
3 受主杂质 受主能级
• 在硅中掺入3价的硼B，硼原子有3个价电子，与周围四个 硅原子形成共价鍵，缺少一个电子，必须从周围获得一 个电子，成为负电中心B-。
主要讨论杂质和缺陷：
杂质的影响：105个硅原子中有一个杂质硼原子，室温电 导率增加103个数量级。 缺陷的影响：硅平面器件要求位错密度控制在103cm2以下。 原因1.破坏了周期性势场； 2.在禁带中引入了杂质能级。
与理想情况的偏离的影响
• 极微量的杂质和缺陷，会对半导体材料 的物理性质和化学性质产生决定性的影 响，同时也严重影响半导体器件的质量。 – 1个B原子/ 1 0 5 个Si原子 在室温下电导率提高1 0 3 倍 – Si单晶位错密度要求低于 103cm2
5 杂质的补偿作用
• 同时掺入P型和n型两种杂质，它们会相互抵消。 • 若ND>NA,则为n型半导体，n= ND-NA ； • 反之为P型，p= NA-ND。 • 其净杂质浓度称之为“有效杂质浓度”。 • 值得注意的是，当两种杂质的含量均较高且浓度基本相同
时，材料容易被误认为是“高纯半导体”，实际上，过多 的杂质含量会使半导体的性能变差，不能用于制造器件。
空位缺陷的最近邻有四个原子，每个原子有一个不成对 的电子，为不饱和的共价键，有接受电子的倾向，表现 出受主的作用。反之，间隙缺陷有四个可以失去的价电 子，表现为施主。
热缺陷产生的原因
• 系统的热平衡取决于自由能 F= U-TS。而S=klnW，设 熵是由组态变化引起。在N个原子的晶体中，有n个空位， 则排列方式为W=(N+n)!/N!n!种。
• 结论：掺磷(5价)，施主，电子导电，n型半导体。
半导体的掺杂
施主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的电子， 并成为带正电的离子。如Si中的P 和As
ED
As
N型半导体
施主能级
EC ED
EV
3 受主杂质 受主能级
• 在硅中掺入3价的硼B，硼原子有3个价电子，与周围四个 硅原子形成共价鍵，缺少一个电子，必须从周围获得一 个电子，成为负电中心B-。
主要讨论杂质和缺陷：
杂质的影响：105个硅原子中有一个杂质硼原子，室温电 导率增加103个数量级。 缺陷的影响：硅平面器件要求位错密度控制在103cm2以下。 原因1.破坏了周期性势场； 2.在禁带中引入了杂质能级。
与理想情况的偏离的影响
• 极微量的杂质和缺陷，会对半导体材料 的物理性质和化学性质产生决定性的影 响，同时也严重影响半导体器件的质量。 – 1个B原子/ 1 0 5 个Si原子 在室温下电导率提高1 0 3 倍 – Si单晶位错密度要求低于 103cm2
半导体物理学-第二章-半导体中的杂质和缺陷
m* mo
1
r2
moq4
8
2 o
h2
m* mo
1
r2
E0
施主杂质电离能
ED
mn*q 4
8
r2
2 0
h
2
mn* m0
E0
2 r
受主杂质电离能
E A
m*p q 4
8
r2
2 0
h
2
m*p m0
E0
2 r
对于Si中的P原子，剩余电子的运动半径 约为24.4 Å： ( r )Si 12 me* 0.26mo
剩余电子本质上是 在晶体中运动
对于Si、Ge掺P
m* eSi
0.26m0 ,
m* eGe
0.12m0 rSi 12, rGe 16, r2 100
Ec ED Ev
施主能级靠近导带底部
ED
me* mo
1
r2
E0
ED,Si 0.025 eV ED,Ge 0.064 eV
估算结果与实测值有 相同的数量级
b：替位式杂质 特点：杂质原子的大小与被替代的晶格原子大小
可以相比，价电子壳层结构比较相近，Ⅲ和Ⅴ族元 素在Si，Ge中都是替位式
单位体积中的杂质原子数称为杂质浓度
A: 间隙式→杂质位于间隙
位置。
Si
Li：0.068nm
B:替位式→杂质占据格点 Si
位置。大小接近、电子
壳层结构相近
Si
Si：r=0.117nm B：r=0.089nm P：r=0.11nm
主要内容
§2-1 元素半导体中的杂质能级
1. 浅能级杂质能级和杂质电离； 2. 浅能级杂质电离能的计算； 3. 杂质补偿作用 4. 深能级杂质的特点和作用
第2章 半导体物理概论
《半导体材料及工艺》
河南科技大学
第二章 半导体物理概论
2.1 半导体中电子的能量状态 2.2 半导体的导电性 2.3 半导体中的额外载流子
2.1 半导体中电子的能量状态
2.1.1 能带理论 2.1.2 半导体的能带结构 2.1.3 半导体中的载流子 2.1.4 载流子的有效质量
2.1.1 能带理论
2.1.2 半导体的能带结构
禁带宽度：导带底与价带顶之间的间隙。
直接禁带
间接禁带
直接带隙半导体
价带的极大值和导带的极小 值都位于k空间的同一点上 价带的电子跃迁到导带时， 只要求能量的改变，而电子 的准动量不发生变化，称为 直接跃迁 直接跃迁对应的半导体材料 称为直接禁带半导体 例子：GaAs，GaN，ZnO
有些半导体中，既有n型杂质又有p型杂质 N型杂质和P型杂质先相互补偿，称为杂质补偿效应
EC ED Eg EA EV
（4）载流子热平衡条件
温度一定时，两种载流子浓度乘积等于本征浓度 的平方。
np = ni
2 2 2 2
ni为本征载流子浓度 本征半导体 n型半导体 p型半导体
相邻原子壳 层形成交叠
共有化运动
多电子原子能级
晶体是由大量的原子组成，由于原子间距离很小， 原来孤立原子的各个能级将发生不同程度的交叠： 1. 电子不再完全局限于某一个原子，形成“共有化” 电子。 2. 原来孤立的能级便分裂成彼此相距很近的N个能 级，准连续的，可看作一个能带
自由电子的电子状态
+4 +4 +4
额外的电子
+4 +5 +4 +4
P替位式掺入Si中，其 中四个价电子和周围的 硅原子形成了共价键， 还剩余一个价电子 相当于形成了一个正电 中心P＋和一个多余的 价电子
河南科技大学
第二章 半导体物理概论
2.1 半导体中电子的能量状态 2.2 半导体的导电性 2.3 半导体中的额外载流子
2.1 半导体中电子的能量状态
2.1.1 能带理论 2.1.2 半导体的能带结构 2.1.3 半导体中的载流子 2.1.4 载流子的有效质量
2.1.1 能带理论
2.1.2 半导体的能带结构
禁带宽度：导带底与价带顶之间的间隙。
直接禁带
间接禁带
直接带隙半导体
价带的极大值和导带的极小 值都位于k空间的同一点上 价带的电子跃迁到导带时， 只要求能量的改变，而电子 的准动量不发生变化，称为 直接跃迁 直接跃迁对应的半导体材料 称为直接禁带半导体 例子：GaAs，GaN，ZnO
有些半导体中，既有n型杂质又有p型杂质 N型杂质和P型杂质先相互补偿，称为杂质补偿效应
EC ED Eg EA EV
（4）载流子热平衡条件
温度一定时，两种载流子浓度乘积等于本征浓度 的平方。
np = ni
2 2 2 2
ni为本征载流子浓度 本征半导体 n型半导体 p型半导体
相邻原子壳 层形成交叠
共有化运动
多电子原子能级
晶体是由大量的原子组成，由于原子间距离很小， 原来孤立原子的各个能级将发生不同程度的交叠： 1. 电子不再完全局限于某一个原子，形成“共有化” 电子。 2. 原来孤立的能级便分裂成彼此相距很近的N个能 级，准连续的，可看作一个能带
自由电子的电子状态
+4 +4 +4
额外的电子
+4 +5 +4 +4
P替位式掺入Si中，其 中四个价电子和周围的 硅原子形成了共价键， 还剩余一个价电子 相当于形成了一个正电 中心P＋和一个多余的 价电子
半导体物理课件 第2章2
晶 体 Si Ge
杂
B
0.045 0.01
质
Ga
0.065 0.011
Al
0.057 0.01
In
0.16 0.011
Si、Ge而言，施主通常是III族元素。电离能较小。 Si、Ge而言，施主通常是III族元素。电离能较小。 而言 III族元素 In在Si中是个例外 中是个例外。 但In在Si中是个例外。
图2-4 施主能级和施主电离
电离能∆E 电离能 应主要关注的参数： 施主杂质电离能 D
硅锗中常见施主杂质及电离能∆ED
表2-1 硅锗中常见杂质电离能(单位:ev) 硅锗中常见杂质电离能(单位:ev)
晶 体 Si Ge
杂
P
0.044 0.0126
质
As
0.049 0.0127
Sb
0.039 0.0096
2.3缺陷、位错能级
2.3.1 点缺陷
热缺陷（由温度决定） 1. 热缺陷（由温度决定）
晶格原子吸收热能后挤入晶格间隙 挤入晶格间隙，产生间隙原子和空位。 挤入晶格间隙 同时也存在反过程，两者最终达热平衡状态。
(a).弗伦克尔缺陷 (a).弗伦克尔缺陷
成对出现的间隙原子和空位。
(b).肖特基缺陷 (b).肖特基缺陷
对Si、Ge而言，深能级杂质通常为 非III、V族元 素（图2-9）。
金是 I 族元素 (目前无完善的理论能够说明，只能定性)
故可失去一个电子，施主能级略高于价带顶； 也可得到三个电子，形成稳定的共价键结构。 实际中，Au在Si：一受主、一施主能级。 一受主、一施主 实际中 一受主 在Ge中：三受主，一施主能级。
思考： 思考：重掺杂时，禁带变窄的原因？
半导体物理学简明教程答案陈志明编第二章-半导体中的载流子及其输运性质-课后习题答案
半导体物理学简明教程答案陈志明编第二章-半导体中的载流子及其输运性质-课后习题答案半导体物理学简明教程 0第二章 半导体中的载流子及其输运性质1、对于导带底不在布里渊区中心，且电子等能面为旋转椭球面的各向异性问题，证明每个旋转椭球内所包含的动能小于（E －E C ）的状态数Z 由式（2-20）给出。
证明：设导带底能量为CE ，具有类似结构的半导体在导带底附近的电子等能面为旋转椭球面，即⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=-l t C m k m k k E k E 23222122)(与椭球标准方程2221122221k k k a b c++=相比较，可知其电子等能面的三个半轴a 、b 、c 分别为212])(2[ c t E E m b a -==212])(2[c l E E m c -=于是，K 空间能量为E 的等能面所包围的体积即可表示为232122)()8(3434C t l E E m m abc V -==ππ因为k 空间的量子态密度是V/(4π3)，所以动能半导体物理学简明教程0半导体物理学简明教程 02/132/3*2)()2(2)(E E m V E g Vp V -= π2、完成本章从式（2-42）到（2-43）的推演，证明非简并半导体的空穴密度由式（2-43）决定。
解：非简并半导体的价带中空穴浓度p 0为 dE E g E f p VB E E VV)())(1('0-=⎰带入玻尔兹曼分布函数和状态密度函数可得dE E E TK E E m p V E E Fp VV21'0323*20)()exp()2(21--=⎰π令,)()(0T K E Ex V-=则121021)()(x T K E E V =-Tdxk E E d V 0)(=-将积分下限的E'V （价带底）改为-∞，计算可得)exp()2(202320*0TK E E T k m p FV p -=π令3230*2320*)2(2)2(2h T k m T k m N p p V ππ==则得)ex p(00Tk E E N P VF V --=半导体物理学简明教程 13、当E －E F =1.5kT 、4kT 、10kT 时，分别用费米分布函数和玻耳兹曼分布函数计算电子占据这些能级的几率，并分析计算结果说明了什么问题。
半导体物理 第二章 PN结 图文
国家级精品课程——半导体器件物理与实验
第二章 PN结
引言
4-4 外延工艺：
外延是一种薄膜生长工艺，外延生长是在单晶衬底上沿晶体 原来晶向向外延伸生长一层薄膜单晶层。
外延工艺可以在一种单晶材料上生长另一种单晶材料薄膜。
外延工艺可以方便地形成不同导电类型，不同杂质浓度，杂 质分布陡峭的外延层。
外延技术：汽相外延(PVD，CVD）、液相外延（LPE）、分 子束外延（MBE）、热壁外延（HWE）、原子层外延技术。
硅平面工艺的主体
国家级精品课程——半导体器件物理与实验
第二章 PN结
引言
4-1 氧化工艺：
1957年，人们发现硅表面的二氧化硅层具有阻止杂质向硅内 扩散的作用。这一发现直接导致了氧化工艺的出现。 二氧化硅薄膜的作用： （1）对杂质扩散的掩蔽作用； （2）作为MOS器件的绝缘栅材料； （3）器件表面钝化作用； （4）集成电路中的隔离介质和绝缘介质； （5）集成电路中电容器元件的绝缘介质。 硅表面二氧化硅薄膜的生长方法： 热氧化和化学气相沉积方法。
N(x) （a）
Na
Nd xj
（b） -a(x - xj)
引言
扩 SiO2 散 结 N-Si
杂质扩散
P
N-Si
N-Si
由扩散法形成的P-N结，杂质浓度从P区到N区是
逐渐变化的，通常称之为缓变结，如图所示。设 P-N结位置在x=xj处，则结中的杂质分布可表示为： x
Na Nd (x xj), Na Nd (x xj)
Al
液体
Al
P
N-Si
N-Si
N-Si
把一小粒铝放在一块N型单晶硅片上， 加热到一定温度，形成铝硅的熔融体， 然后降低温度，熔融体开始凝固，在N 型硅片上形成含有高浓度铝的P型硅薄 层，它和N型硅衬底的交界面即为P-N 结（称之为铝硅合金结）。
半导体物理学第二章
2.1 硅、锗中的杂质能级
当杂质进入半导体以后， Q： 当杂质进入半导体以后，分布在什 么位置？ 么位置？
以硅为例，在一个晶胞中包含8个硅原子，若 以硅为例，在一个晶胞中包含8个硅原子， 近似把原子看成半径是r的圆球，那么这8 近似把原子看成半径是r的圆球，那么这8个原子 占据晶胞的百分数为： 占据晶胞的百分数为：
金在锗中的能级
2.2 三－五族化合物中的杂质能级
和硅、锗一样，当杂质进入三－ 和硅、锗一样，当杂质进入三－五族 化合物中， 化合物中，仍然是间隙式杂质和替位 式杂质，不过具体情况更为复杂些。 式杂质，不过具体情况更为复杂些。
杂质既可以取代三族元素， 杂质既可以取代三族元素，也可以取 代五族元素。
间隙原子和空位一方面不断地产生同时两 者又不断地复合，最后确立一平衡浓度值。 者又不断地复合，最后确立一平衡浓度值。 以上两种由温度决定的点缺陷又称为热 缺陷，总是同时存在的。 缺陷，总是同时存在的。 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， 位置，以及它迁移时激活能很小，所以晶体 中空位比间隙原于多得多， 中空位比间隙原于多得多，因而空位是常见 的点缺陷。 的点缺陷。
半导体物理学
理学院物理科学与技术系
第二章 半导体中杂质和缺陷能级
2.1 2.2 2.3 硅、锗中的杂质能级 三－五族化合物中的杂质能级 缺陷、位错能级 缺陷、
在实际应用的半导体材料中， 在实际应用的半导体材料中，总是存在 偏离理想的情况。 偏离理想的情况。
1）原子并不是静止的； 原子并不是静止的； 原子并不是静止的 2）半导体材料并不是纯净的 半导体材料并不是纯净的； 半导体材料并不是纯净的 3）晶格结构存在缺陷。 晶格结构存在缺陷。 晶格结构存在缺陷
半导体物理第二章
反键态
3p
导带
sp3
3s 成键态 价带
半导体物理第二章
晶体中的电子与孤立原子中的电子不同，也和自由运动 的电子不同。孤立原子中的电子是在该原子的核和其他 电子的势场中运动，自由电子是在一恒定为零的势场中 运动，而晶体中的电子是在严格周期性重复排列的原子 间运动。
研究发现，电子在周期性势场中运动的基本特点和自由 电子的运动十分相似。下面先简单介绍一个自由电子的 运动。
➢ 组成晶体的原子的外层电子共有化运动较强，其行为与自由电子 相似，常称为准自由电子。而内层电子的共有化运动较弱，其行 为与孤立原子中的电子相似。
半导体物理第二章
E-k关系
对于无限晶体，波失 k 可以连续取值；对于某一确定的 k值，
薛定谔方程存在一系列分立的能量本征值Enk和相应的本征函数
nk (r) ，能量本征值En随ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ矢 k 是连续变化的。可以用 k
• 随着原子与原子愈来愈近，电子轨道交叠愈多，电子不 再完全局限于一定的原子，而可以在整个晶体中运动 （电子共有化）。电子兼有原子运动和共有化运动。只 有在最外层电子的共有化特征才是显著的。
半导体物理第二章
原子能级与能带的对应
❖ 对于原子的内层电子，其电子
E
轨道很小，因而形成的能带较
窄。这时，原子能级与能带之
半导体物理第二章
多电子问题 单电子问题
为了计算具体晶体中的本征态和相应的能量本征值，必须得 到包括和原子核以及和其它电子的相互作用在内的周期势场 U(x), 并对单个电子求解薛定谔方程。
2 [
2U(x) ](x)E(x)
2m
这是一个自洽问题，因为势场U(x)依赖于晶体中电子所处的 具体状态，称为自洽势。
《半导体物理》习题答案第二章
②利用氢原子基态电子的轨道半径
13.6 0.012eV 17
r0
0 h2 52.9 1012 m m0 q 2
可将浅施主杂质弱束缚电子的基态轨道半径表示为
rn
0 r h2 m 17 r o r 52.9 1012 =6 10-8m=60nm * 2 * 0 mn q mn 0.015
补充 1、在硅晶体的深能级图中添加铒 (Er)、钐 (Sm)、钕(Nd)及缺陷深中心（双空位、E 中心、A
第2章
中心）的能级。 （略） 补充 2、参照上列 GaN 中常见杂质及缺陷的电离能参数表（或参考书表 2-4）回答下列问题： 1）表中哪些杂质属于双性杂质？ 2）表中还有哪些杂质可能跟这些杂质一样起双重作用，未发现其双重作用的可能原因是什 么？ 3）Mg 在 GaN 中起施主作用的电离能为什么比 Si、C 施主的电离能大，且有两个不同值？ 4）Ga 取 N 位属何种缺陷，有可能产生几条何种能级，其他能级观察不到的可能原因是什 么？ 5）还能不能对此表提出其他问题？试提出并解答之。 答：1）按表中所列，Si、C、Mg 皆既为施主亦为受主，因而是双性杂质。 2）既然 II 族元素 Mg 在 N 位时能以不同电离能 0.26eV 和 0.6eV 先后释放其两个价电子，那么 表中与 Mg 同属 II 族元素的 Be、Zn、Cd、Hg 似也有可能具有类似能力，I 族元素 Li 更有可能在 N 位上释放其唯一的外层电子而起施主作用。现未发现这些杂质的施主能级，原因可能是这些元素释 放一个电子的电离能过大，相应的能级已进入价带之中。 3）Mg 在 GaN 中起施主作用时占据的是 N 位，因其外层电子数 2 比被其置换的 N 原子少很多， 因此它有可能释放其价电子，但这些电子已为其与最近邻 Ga 原子所共有，所受之约束比 Si、C 原子 取代 Ga 原子后多余的一个电子所受之约束大得多，因此其电离能较大。当其释放了第一个电子之后 就成为带正电的 Mg 离子，其第二个价电子不仅受共价环境的约束，还受 Mg 离子的约束，其电离能 更大，因此 Mg 代 N 位产生两条深施主能级。 4）Ga 取 N 位属反位缺陷，因比其替代的 N 原子少两个电子，所以有可能产生两条受主能级， 目前只观察到一条范围在价带顶以上 0.59eV1.09eV 的受主能级， 另一能级观察不到的原因可能是其 二重电离（接受第二个共价电子）的电离能太大，相应的能级已进入导带之中。 （不过，表中所列数 据变化范围太大，不合情理，怀疑符号有误，待查。 ） 5）其他问题例如： 为什么 C 比 Si 的电离能高？答：因为 C 比 Si 的电负性强。 Li 代 Ga 位应该有几条受主能级？答：Li 比 Ga 少两个价电子，应该有两条受主能级。 ……….
13.6 0.012eV 17
r0
0 h2 52.9 1012 m m0 q 2
可将浅施主杂质弱束缚电子的基态轨道半径表示为
rn
0 r h2 m 17 r o r 52.9 1012 =6 10-8m=60nm * 2 * 0 mn q mn 0.015
补充 1、在硅晶体的深能级图中添加铒 (Er)、钐 (Sm)、钕(Nd)及缺陷深中心（双空位、E 中心、A
第2章
中心）的能级。 （略） 补充 2、参照上列 GaN 中常见杂质及缺陷的电离能参数表（或参考书表 2-4）回答下列问题： 1）表中哪些杂质属于双性杂质？ 2）表中还有哪些杂质可能跟这些杂质一样起双重作用，未发现其双重作用的可能原因是什 么？ 3）Mg 在 GaN 中起施主作用的电离能为什么比 Si、C 施主的电离能大，且有两个不同值？ 4）Ga 取 N 位属何种缺陷，有可能产生几条何种能级，其他能级观察不到的可能原因是什 么？ 5）还能不能对此表提出其他问题？试提出并解答之。 答：1）按表中所列，Si、C、Mg 皆既为施主亦为受主，因而是双性杂质。 2）既然 II 族元素 Mg 在 N 位时能以不同电离能 0.26eV 和 0.6eV 先后释放其两个价电子，那么 表中与 Mg 同属 II 族元素的 Be、Zn、Cd、Hg 似也有可能具有类似能力，I 族元素 Li 更有可能在 N 位上释放其唯一的外层电子而起施主作用。现未发现这些杂质的施主能级，原因可能是这些元素释 放一个电子的电离能过大，相应的能级已进入价带之中。 3）Mg 在 GaN 中起施主作用时占据的是 N 位，因其外层电子数 2 比被其置换的 N 原子少很多， 因此它有可能释放其价电子，但这些电子已为其与最近邻 Ga 原子所共有，所受之约束比 Si、C 原子 取代 Ga 原子后多余的一个电子所受之约束大得多，因此其电离能较大。当其释放了第一个电子之后 就成为带正电的 Mg 离子，其第二个价电子不仅受共价环境的约束，还受 Mg 离子的约束，其电离能 更大，因此 Mg 代 N 位产生两条深施主能级。 4）Ga 取 N 位属反位缺陷，因比其替代的 N 原子少两个电子，所以有可能产生两条受主能级， 目前只观察到一条范围在价带顶以上 0.59eV1.09eV 的受主能级， 另一能级观察不到的原因可能是其 二重电离（接受第二个共价电子）的电离能太大，相应的能级已进入导带之中。 （不过，表中所列数 据变化范围太大，不合情理，怀疑符号有误，待查。 ） 5）其他问题例如： 为什么 C 比 Si 的电离能高？答：因为 C 比 Si 的电负性强。 Li 代 Ga 位应该有几条受主能级？答：Li 比 Ga 少两个价电子，应该有两条受主能级。 ……….
半导体物理_第二章
图示为大量包含多个电子的原子靠得很近形成晶体 材料之后，原来相同的电子能级发生分裂的情况。
原子靠近→电子云发生重叠→电子之间存在相互作用→分立 的能级发生分裂形成能带。从另外一方面来说，这也是泡利不相 容原理所要求的。
大量硅原子形成硅晶体材料的情况： （1）单独硅原子的电子能级示意图；
(2)大量硅原子（N）形成硅晶体的电子能级分裂示 意图
6. 动量空间（k空间）的概念和E~k关系图对于自由 粒子来说，其能量E和动量p之间满足下述关系：
对于实际的半导体晶体材料来说，由于周期性晶格势 场的影响，其中的电子能量E与其动量p之间的E~k关 系要更为复杂。 左图为金刚石结构晶 格中沿着[100]和[110] 方向的原子排列示意 图。可见对于实际晶 体材料来说，其E~k 关系与晶格方向有着 密切关系。
ห้องสมุดไป่ตู้
5. 金属、绝缘体与半导体 （1）绝缘体：价带满、导带空，禁带宽度比较宽 （3.5－6eV以上）的固体材料；
绝缘体的能带情况
（2）半导体：导带底有少量电子或价带顶有少量空 穴，禁带宽度在1eV左右的晶体材料，其电阻率可在 很大范围内改变；
（3）金属导体：金属材料最大的特点就是其电阻 率极低，其能带结构主要分为以下两大类，半满型 和交叠型。
当n=2、l=0、m=0时，对应的高能态球对称波函数的 径向几率密度函数如下图所示：
§2.3 固体的量子理论 在上一节关于氢原子模型的讨论中，看到束缚 电子的能级是量子化的，只能取一系列分立的数值， 而电子的空间位置则是由径向几率分布密度函数决 定。在这一节中我们将把上述有关单个原子的结论 推广到整个晶体材料中，从而形成晶体材料中的允 许带和禁带的概念。
光电效应采用经典理论无法解释。爱因斯坦引入 “光子”的概念，成功解释了光电效应，临界频率 则对应于金属材料的功函数。(金属中的价电子逸出 体外，需要外界对它做的功)
半导体物理分章答案第二章
EC 0.04eV
ED
③Au一：Au0 + e →Au一
EC 0.04eV
ED
Eg
EV
EA 0.15eV
Eg EV
④Au二：Au一 + e →Au二
0.20eV EA2 EA1 0.15eV EC Eg EV
⑤Au三：Au二 + e →Au三
EA3 EA2 EA1 0.15eV EC Eg EV
0.04eV
例如：GaAs中掺Si（IV族）
Si
Si
Ga As
施主
受主
§2.3 缺陷能级
Imperfection Level
1、点缺陷
常见点缺陷
• 空位
• 间隙原子 • 反结构缺陷
哈尔滨工业大学微电子科学与技术系
（1）Si中的点缺陷
以空位、间隙和复合体为主。 • A、空位 V0 + e → V-（受主） V0 - e → V+（施主）
• 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
m* q 4 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。
ED
③Au一：Au0 + e →Au一
EC 0.04eV
ED
Eg
EV
EA 0.15eV
Eg EV
④Au二：Au一 + e →Au二
0.20eV EA2 EA1 0.15eV EC Eg EV
⑤Au三：Au二 + e →Au三
EA3 EA2 EA1 0.15eV EC Eg EV
0.04eV
例如：GaAs中掺Si（IV族）
Si
Si
Ga As
施主
受主
§2.3 缺陷能级
Imperfection Level
1、点缺陷
常见点缺陷
• 空位
• 间隙原子 • 反结构缺陷
哈尔滨工业大学微电子科学与技术系
（1）Si中的点缺陷
以空位、间隙和复合体为主。 • A、空位 V0 + e → V-（受主） V0 - e → V+（施主）
• 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
m* q 4 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。
半导体物理学第二章答案
半导体物理学第2章习题及答案1. 实际半导体与理想半导体间的主要区别是什么？答：（1）理想半导体：假设晶格原子严格按周期性排列并静止在格点位置上，实际半导体中原子不是静止的，而是在其平衡位置附近振动。
（2）理想半导体是纯净不含杂质的，实际半导体含有若干杂质。
（3）理想半导体的晶格结构是完整的，实际半导体中存在点缺陷，线缺陷和面缺陷等。
2. 以As掺入Ge中为例，说明什么是施主杂质、施主杂质电离过程和n型半导体。
As有5个价电子，其中的四个价电子与周围的四个Ge原子形成共价键，还剩余一个电子，同时As原子所在处也多余一个正电荷，称为正离子中心，所以，一个As 原子取代一个Ge原子，其效果是形成一个正电中心和一个多余的电子.多余的电子束缚在正电中心，但这种束缚很弱,很小的能量就可使电子摆脱束缚，成为在晶格中导电的自由电子，而As原子形成一个不能移动的正电中心。
这个过程叫做施主杂质的电离过程。
能够施放电子而在导带中产生电子并形成正电中心，称为施主杂质或N型杂质，掺有施主杂质的半导体叫N型半导体。
3. 以Ga掺入Ge中为例，说明什么是受主杂质、受主杂质电离过程和p型半导体。
Ga有3个价电子，它与周围的四个Ge原子形成共价键，还缺少一个电子，于是在Ge 晶体的共价键中产生了一个空穴，而Ga原子接受一个电子后所在处形成一个负离子中心，所以，一个Ga原子取代一个Ge原子，其效果是形成一个负电中心和一个空穴，空穴束缚在Ga原子附近，但这种束缚很弱，很小的能量就可使空穴摆脱束缚，成为在晶格中自由运动的导电空穴，而Ga原子形成一个不能移动的负电中心。
这个过程叫做受主杂质的电离过程，能够接受电子而在价带中产生空穴，并形成负电中心的杂质，称为受主杂质，掺有受主型杂质的半导体叫P型半导体。
4. 以Si在GaAs中的行为为例，说明IV族杂质在III-V族化合物中可能出现的双性行为。
Si 取代GaAs 中的Ga 原子则起施主作用； Si 取代GaAs 中的As 原子则起受主作用。
半导体物理(朱俊)第二章 半导体中的杂质和能级缺陷
对应金在锗中的四个能级，一个施主，三个受主能级
例2：Au（Ⅰ族）在Si中
EC EA ED EV
两个深杂质 能级，真正 对少子寿命 起控制作用 的是最靠近 禁带中部的 受主能级 0.54eV。
其它两个可能的受主能级目前还没有测量到。
6.Si、Ge 元素半导体中的缺陷
(空位、自间隙原子)
(1)空位 (1) 空位
●受主杂质－ Ⅱ族元素
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，由于Ⅱ族原子比Ⅲ族原子 少一个价电子，因此Ⅱ族元素杂质在 GaAs中通常起受主作用，均为 浅受主 。
常用掺Zn或Cd以获得Ⅲ－Ⅴ族化合物p型半导体
● 两性杂质－ Ⅳ族元素
Ⅳ 族 元 素 杂 质 （ Si、Ge、Sn、Pb） 在 GaAs中的作用比较复杂，可以取代Ⅲ族的 Ga，也可以取代Ⅴ族的As，甚至可以同时 取代两者，因此Ⅳ族杂质不仅可以起施主作 用和受主作用，还可以起中性杂质作用。 例如，在掺Si浓度小于1×1018cm-3时，Si全 部取代Ga位而起施主作用，这时掺Si浓度和 电子浓度一致；而在掺Si浓度大于1018cm-3 时，部分Si原子开始取代As 位，出现补偿 作用，使电子浓度逐渐偏低。
硅、锗在T=0K 时的Eg为1.170eV和0.7437eV
浅施主杂质电离能的计算（类氢原子模型）：
（1）：氢原子中的电子的运动轨道半 径为： 2
εrεo h 2 rH = n 2 moπ q
+
n=1 为基态电子的运动轨迹
Si 中受正电中心 P 束缚的电子的运动轨道半 径，考虑正负电荷处在介电常数不同的介质 中以及晶格周期性势场的影响：
原因：杂质原子的电子壳层结构、杂质原子的大 小以及杂质在半导体晶格中的位置等原因，而导 致杂质的多能级结构。
例2：Au（Ⅰ族）在Si中
EC EA ED EV
两个深杂质 能级，真正 对少子寿命 起控制作用 的是最靠近 禁带中部的 受主能级 0.54eV。
其它两个可能的受主能级目前还没有测量到。
6.Si、Ge 元素半导体中的缺陷
(空位、自间隙原子)
(1)空位 (1) 空位
●受主杂质－ Ⅱ族元素
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，由于Ⅱ族原子比Ⅲ族原子 少一个价电子，因此Ⅱ族元素杂质在 GaAs中通常起受主作用，均为 浅受主 。
常用掺Zn或Cd以获得Ⅲ－Ⅴ族化合物p型半导体
● 两性杂质－ Ⅳ族元素
Ⅳ 族 元 素 杂 质 （ Si、Ge、Sn、Pb） 在 GaAs中的作用比较复杂，可以取代Ⅲ族的 Ga，也可以取代Ⅴ族的As，甚至可以同时 取代两者，因此Ⅳ族杂质不仅可以起施主作 用和受主作用，还可以起中性杂质作用。 例如，在掺Si浓度小于1×1018cm-3时，Si全 部取代Ga位而起施主作用，这时掺Si浓度和 电子浓度一致；而在掺Si浓度大于1018cm-3 时，部分Si原子开始取代As 位，出现补偿 作用，使电子浓度逐渐偏低。
硅、锗在T=0K 时的Eg为1.170eV和0.7437eV
浅施主杂质电离能的计算（类氢原子模型）：
（1）：氢原子中的电子的运动轨道半 径为： 2
εrεo h 2 rH = n 2 moπ q
+
n=1 为基态电子的运动轨迹
Si 中受正电中心 P 束缚的电子的运动轨道半 径，考虑正负电荷处在介电常数不同的介质 中以及晶格周期性势场的影响：
原因：杂质原子的电子壳层结构、杂质原子的大 小以及杂质在半导体晶格中的位置等原因，而导 致杂质的多能级结构。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
四个能级
金是I族元素，中性金原子(Au0 )只有一个价电子，它 取代锗晶格中的一个锗原子而位于晶格点上，金比锗少三 个价电子，中性金原子的这一个价电子，可以电离而跃迁 到导带，这一施主能级为ED。因此，电离能为(Ec—ED )。
因为金的这个价电子被共价键所束缚，电离能很大， 略小于锗的禁带宽度，所以，这个施主能级靠近价带顶。
18cm-3时，取代镓原子的硅施主浓度与取代 度为10
砷原子的硅受主浓度之比约为
5.3:l。
硅在砷化镓中既能取代镓而表现为施主杂质，又能
取代砷而表现为受主杂质，这种性质称为
杂质的
双性行为。
锗、锡在砷化镓中及硅在磷化镓中，都表现出双性 行为。
硅取代砷所产生的受主能级在(Ev+0.003)eV处.
杂质的双性行为
N的电负性大于P，共价半径小于P。作为等
铋的共价半径和电负性分别为0．146nm和1.9, 铋取代磷后能俘获空穴。
它的电离能是△E＝0.038eV？
等电子陷阱俘获载流 子后成为带电中心
带电中心由库仑作用能俘获相反符号的载流子，
形成
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）。
等电子络合物也能形成等电子陷阱
等电子杂质----是与基质晶பைடு நூலகம்
体原子具有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，仍是电中性。
等电子杂质、等电子杂质效应
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。
原子间序数不同，这些原子的 带电中心就称为
等电子陷阱
等电子杂质、等电子杂质效应
并非周期表中同族元素均能形成等电子陷阱
硼、铝、镓、 铟、铊和VA族元素氮、磷、砷、 锑、铋组成二元化合物
周期表中的IIIA族元素 III—V族化合物成分化学比1：1
（由
铝、镓、铟和磷、砷、
锑形成九种化合物(AlP，Al Sb，AlAs，GaP，GaAs，
GaSb，InP，InAs，InSb）
闪锌矿型结构
间隙式杂质，或者成为取代晶格原子的替
杂质进入III—V族化合物，或处晶格原子间隙中的
位式杂质，情况比硅、锗更复杂。
复杂原因：环境
杂质可取代III族原子， 也可能取代V族原子
替位式
杂质原子用围 V族原子等
环境可能是四个III族原子或四个
砷化镓中替位式杂质和间隙式杂质的平面示意图，A、 B分别是取代镓和砷的杂质，C为间隙杂质。
III-V族化合物进行提纯制备单晶的技术比硅、锗等元 素半导体困难（近年来III-V族化合物的单晶制备技术的发展，使晶体完整性、晶
铍、镁、锌、镉在
磷化镓中引入浅受主能级：
(Ev+0.056)eV 、 (Ev+0.054)eV 、 (Ev+0.064)eV 、 (Ev+0.009)eV
在
磷化铟中，锌、镉起浅受主杂质作用：
掺锌或镉以获得III-V族化合 物的p型材料
常用 砷化镓二极管也用镁
3. III、V族元素 III族杂质(如硼、铝等)和V族杂质(如磷、锑等) 掺入不是由它们本身形成的III、V族化合物中时， 例如掺人砷化镓中，则实验中测不到这些杂质的影 响。
级，硒产生的能级尚待进一步研究。氧在硅
中产生能级的情况也不很清楚。
过渡族金属元素锰、铁、钴、镍在锗中都各自 产生两个受主能级，其中钴还产生一个施主能 级；但是，在硅中，锰、铁产生施主能级，而 钴、镍则产生两个受主能级。
III族元素铟和铊在硅中会产生一个深受主能级。
杂质为什么会产生多个 能级呢?
杂质能级是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。
目前无完善的理论，可 作粗略定性解释。
讨论：杂质在硅、锗中的主要存在方式是
替代
式。分析能级情况，从四面体共价键的结构出发，
下面以
金在锗中产生的能级为例来说明。金在锗中
产生四个能级，如图。
ED是施主能级，EA1EA2 EA3是三个受主能级，它们都 是深能级。 图中Ei是禁带中线位置，禁带中线以上的能级，注明 离导带底的距离，禁带中线以下的能级，注明离价带顶的 距离。
接受第二个电子后，Au变为Au-- ，相应的受主能级 为EA2，其电离能为(EA2—Ev)。接受第三个电子， Au--－ 变为Au--- －－ ，相应的受主能级为EA3 ，其电离能为 (EA3 — Ev)。上述的Au- ， Au-- ， Au---分别表Au0 成为带一 个、两个、三个电子电荷的负电中心。
原因：
原子起着施主杂质的作用，而且硅也取代了一部 这是因为在硅杂质浓度较高时，硅原子不仅取代镓
分V族砷原子而起着受主杂质的作
用．对取代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浓度，电子浓度趋于饱
和 。
但硅杂质的总效果是起施主作用，保持 砷化镓为n型半导体。
实验还表明：砷化镓单晶体中硅杂质浓
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，能俘获电子。
在硅中，铜产生三个受主能级，银和金 各自产生一个受主能级和一个施主能级。杂 质锂在硅、锗中是间隙式杂质，它产生一个 浅施主能级。
II族元素锌、镉、汞在硅、锗中均产止两个受 主能级，其中汞在硅中还产生两个施主能级。 铍在锗中产生两个受主能级，在硅中产生一个 受主能级，镁在硅中产生两个受主能级。
VI族元素硫、硒、碲在锗中各产生两个施主能级。 在硅中，硫产生三个施主能级．碲产生两个施主能
深能
级杂质。
(2)大多深能级杂质能够产生
多次电离，
每一次电离相应地有一个能级。这些杂质在硅、锗 的禁带中往往引入若干个能级。
既能引入施主能级， 又能引入受主能级。
有的杂质
2807 C 1064.43 196.966 79 2,8,18,32,18,1 Gold 5d1
I族：铜、银、金在锗中均产生三个受主能级，共中金还 产生一个施主能级。
可用类氦模型计算杂质的电离能
2．2 III—V族化合物中的
杂质能级
解，硫化物、硒化物、碲化物重要光敏半导体材料。氧
人能级的情况还不完全清楚，
硅、鍺相对较了解， III—V有了
化物、硫化物是主要热敏材料等等，杂质在这些材料中引
很不了解。
以 能级的情况
GaAs为代表的III—V族化合物半导体中杂质
带中的电子浓度应随硅杂质浓度的增加而线性增加。 如 图2-13
砷化镓电子浓度与硅杂质浓度关系
硅杂质电离后，硅原子向导带提供一个导电电子,导
测得硅在砷化镓中引入一浅施主能级(Ec-0.002)eV起施主作用。
导带电子浓度趋向饱和。
如图2-13
砷化镓电子浓度与硅杂质浓度关系
但实验表明：硅杂质浓度升高到—定程度之后，
俘获电子后， Zn-O带负电，电子电离能为0.30eV.
4.
IV族元素
取代III族？起施主作用 取代V族？起受主作用
施主作 用还是受主作用，与掺杂浓 度及掺杂时的外界条件 有关。
的晶格点上，这时杂质总效果是起
IV族元素可杂乱分布在III族原子和V族原子
测得硅在砷化镓中引入一浅施
主能级(Ec-0.002)eV起施主作用。
符号“+”或“-”分别表示该能级是施主能级或受主能 级，而符号“?’’表示该能级还有疑问．要进—步弄清楚。
由图，非Ⅲ 、V族杂质在硅、锗中产生的能级有以下 两个特点：
(1)非Ⅲ 、V族杂质在硅、锗的禁带中产生的施主能级距 离导带底较远，它们产生的受主能级距离价带顶也较远, 通常称这种能级为深能级，相应的杂质称为
分析方法可以用来说明在硅、锗中形成深能级的杂质， 基本上与实验情况相一致。
许多化学元素在硅、锗中产生能级的情况还没 有研究过。
许多能级存在疑问，如氧在硅、锗中的能级， 银、硒、碲、钼在硅中的能级，铜、锰、硫、铬在 锗中的能级，需进一步研究。
有些杂质的能级没有完全测到 如硅中的金杂质，只测到一个施主能级和—个受主能 级，这可能是因为这些受主态或施主态的电离能大于禁带 宽度，相应的能级进入导带或价带，所以在禁带中就测不 到它们。
2．1．6
深能级杂质
半导体硅、锗中，除Ⅲ 、V族杂质在禁带中产生浅能级 以外，如果将其他各族元素掺人硅锗中，情况会怎样呢?
实验测量表明，它们也在硅、锗的禁带中产生能级。 在硅中的情况如图2-8所示：
锗中的情况图2-9所示
标注： 禁带中线以上的能级注明离开导带底的距离， 在禁带中线以下的能级注明离开价借顶的距离．
硅在砷化镓中还产生两个能级－－更复杂缺陷结构
IIIA族元素硼、铝、镓、铟、铊 VA族元素氮、磷、砷、锑、铋
一般情况
既不是施主杂质又不是受主杂质，而是电中性的 杂质，在
禁带中不引入能级（壳
层相近）。
III族原子取代镓，V 族原子取代砷
例外
如
磷化镓中掺入V族元素氮或铋，氮或铋
将取代磷并在禁带中产生能级。
缺陷－－等电子缺陷
能级称为等电子陷阱
所产生效应称为等电子杂质效应
电离以后，中性金原子Au0就成为带一个电子电荷的 正电中心Au+ 。
另一方面，中性金原子还可以和周围的四个锗原子形 成共价键。
在形成共价键时，它可以从价带接受三个电子形成 EA1EA2 EA3三个受主能级。金原子Au0接受第一个电子后变 为Au- ，相应的受主能级为EA1，，其电离能为(EA1—Ev)。