第二章 半导体中的杂质和缺陷
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半导体物理第2章 半导体中杂质和缺陷能级
半导体的禁带宽度的杂质。
它们电离后将成为带正电（电离施主）或带负 电（电离受主）的离子，并同时向导带提供电 子或向价带提供空穴。
第2章 半导体中杂质和缺陷能级
2.1硅、锗晶体中的杂质能级
实际晶体与理想晶体的区别
原子并非在格点上固定不动，在平衡位置附近振动 并不纯净，杂质的存在 缺陷
点缺陷（空位，间隙原子） 线缺陷（位错） 面缺陷（层错，晶粒间界）
2.1.1替位式杂质、间隙式杂质
替位式杂质:取代晶格原子
杂质原子的大小与晶体原子相似 III、V族元素在硅、锗中均为替位式杂质
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
的导电性能的影响。 2-5、两性杂质和其它杂质有何异同？ 2-6、深能级杂质和浅能级杂质对半导体有何影响？ 2-7、何谓杂质补偿？杂质补偿的意义何在？
2-1 解：浅能级杂质是指其杂质电离能远小于本征
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
受主能级
被受主杂质束缚的空穴的能量状态，记为EA。受主电离能量 为ΔEA
p型半导体
依靠价带空穴导电的半导体。
P型半导体
杂质半导体的简化表示法
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，掺杂浓度不很高的情况下，浅能级杂质几乎
它们电离后将成为带正电（电离施主）或带负 电（电离受主）的离子，并同时向导带提供电 子或向价带提供空穴。
第2章 半导体中杂质和缺陷能级
2.1硅、锗晶体中的杂质能级
实际晶体与理想晶体的区别
原子并非在格点上固定不动，在平衡位置附近振动 并不纯净，杂质的存在 缺陷
点缺陷（空位，间隙原子） 线缺陷（位错） 面缺陷（层错，晶粒间界）
2.1.1替位式杂质、间隙式杂质
替位式杂质:取代晶格原子
杂质原子的大小与晶体原子相似 III、V族元素在硅、锗中均为替位式杂质
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
的导电性能的影响。 2-5、两性杂质和其它杂质有何异同？ 2-6、深能级杂质和浅能级杂质对半导体有何影响？ 2-7、何谓杂质补偿？杂质补偿的意义何在？
2-1 解：浅能级杂质是指其杂质电离能远小于本征
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
受主能级
被受主杂质束缚的空穴的能量状态，记为EA。受主电离能量 为ΔEA
p型半导体
依靠价带空穴导电的半导体。
P型半导体
杂质半导体的简化表示法
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，掺杂浓度不很高的情况下，浅能级杂质几乎
半导体中杂质和缺陷能级
24
2.3.1 点缺陷
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2.3.2 位错
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Chapter 3 Statistical Distribution of Carrier
28
在空穴全部电离时跃迁到 价带时,有NA- ND个价带空穴, 半导体是p型旳。
2.1.6 深能级杂质
浅能级杂质 一般情况下，半导体中些施主能级距离导带底较 近；或受主能能级距离价带顶较近。
深能级杂质 若杂质提供旳施主能级距离导带底较远；或提供 旳受主能能级距离价带顶较远。
许多深杂质能级是因为杂质旳屡次电离产生旳.每一次电离相应 地有一种能级，这些杂质在硅或锗旳禁带中往往引入若干个能级， 而且有些杂质还能够引入施主能级，又能引入受主能级。如：Au 在Ge中产生四个深杂质能级,其中三个为受主能级，一种为施主 能级。
在杂质全部电离时,它们跃迁 到导带成为导电电子,有ND- NA 个导带电子,半导体是n型旳。
2.1.5 杂质旳补偿作用
p＝N A－ND N A
（b）ND << NA
18
ND <<NA时,因为受主能级 低于施主能级, 施主杂质旳电 子首先跳到受主杂质旳能级 上,此时还有NA- ND个空穴在 受主能级上。
施主杂质 施主电离
VA族杂质在硅、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。
释放电子旳过程。
束缚态 中性态
离化态
施主杂质未电离时电中性旳状态 电离后成为正电中心。
施主杂质 电离能ED
多出旳一种价电子脱离施主杂质而成为 自由电子所需要旳能量。
6
2.1.3 受主杂质、受主能级
2.3.1 点缺陷
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Chapter 3 Statistical Distribution of Carrier
28
在空穴全部电离时跃迁到 价带时,有NA- ND个价带空穴, 半导体是p型旳。
2.1.6 深能级杂质
浅能级杂质 一般情况下，半导体中些施主能级距离导带底较 近；或受主能能级距离价带顶较近。
深能级杂质 若杂质提供旳施主能级距离导带底较远；或提供 旳受主能能级距离价带顶较远。
许多深杂质能级是因为杂质旳屡次电离产生旳.每一次电离相应 地有一种能级，这些杂质在硅或锗旳禁带中往往引入若干个能级， 而且有些杂质还能够引入施主能级，又能引入受主能级。如：Au 在Ge中产生四个深杂质能级,其中三个为受主能级，一种为施主 能级。
在杂质全部电离时,它们跃迁 到导带成为导电电子,有ND- NA 个导带电子,半导体是n型旳。
2.1.5 杂质旳补偿作用
p＝N A－ND N A
（b）ND << NA
18
ND <<NA时,因为受主能级 低于施主能级, 施主杂质旳电 子首先跳到受主杂质旳能级 上,此时还有NA- ND个空穴在 受主能级上。
施主杂质 施主电离
VA族杂质在硅、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。
释放电子旳过程。
束缚态 中性态
离化态
施主杂质未电离时电中性旳状态 电离后成为正电中心。
施主杂质 电离能ED
多出旳一种价电子脱离施主杂质而成为 自由电子所需要旳能量。
6
2.1.3 受主杂质、受主能级
半导体物理学第二章
电离能的大小：
• 硅中掺磷为0.044，掺硼为0.045(eV)。 • 锗中掺磷为0.0126，掺硼为0.01(eV)。 • 这种电离能很小，杂质可以在很低的温度下电离。故称之 为“浅能级杂质”，在室温几乎全部电离。 • 杂质能级用短线表示，因杂质浓度与硅相比很低，杂质原 子相互之间几乎无作用，杂质能级相同，量子的排斥原理 对低浓度的杂质掺杂不起作用。
•
h 0 0 . 53 氢原子玻尔轨道半径为 r0 Å， 2 q m0 * 根据杂质类氢模型将 r 0 代替 0 ，以 mn 代
2
替m0 ，可得杂质等效玻尔半径
，
h r 0 r 2 * q mn
2
0 r h m0 r 2 * r * r0 q mn mn
• 中性Au0为与周围四个Ge原子形成共价键，还可以依次由价带
再接受三个电子，分别形成EA1，EA2，EA3三个受主能级。价 带激发一个电子给Au0，使之成为单重电受主离化态Au-，电离 能为EA1-Ev ；从价带再激发一个电子给Au-使之成为二重电受 主离化态 Au＝ ，所需能量为EA2-Ev；从价带激发第三个电子给
杂质在GaAs中的位置
间隙式 替 族原子 替位式替V族原子
替代Ⅲ族时，周围是四个Ⅴ 族原子 替代Ⅴ族时，周围是四个Ⅲ 族原子
• IV族元素碳、硅、锗等掺入III-V族化合物中，若取代III族 元素起施主作用；若取代V族元素起受主作用。总效果是 施主还是受主与掺杂条件有关。
半导体的掺杂
受主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的空穴， 并成为带负电的离子。如Si中的B
EC
B
EA
EA EV
P型半导体
受主能级
第二章半导体中的杂质和缺陷
●+ ○- ●+ ○- ●+
○- ●+ ○- ●+ ○-
●+ ○- ●+ ○- ●+
a.负离 子空位
○-
●+
○-
●+
○-
●+
○-
电负性
小
●+
●+ -
○-
●+
●原子失去电子后
○-
●+
○-
●+
○-
●+
○-
●+
●+
○-
●+
●+
○-
○-
●+
●+
○-
○-
●+
●+
○-
○-
●+
●+
○-
○-
1. Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体中的杂质和缺陷
(1)杂质
理想的 GaAs 晶格为
= Ga‖
= As+ ‖
= Ga‖
= As+ ‖
= Ga‖
= As+ ‖
= Ga- = ‖
= As+ = ‖
= Ga- = ‖
●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。
VGa、VAs、AsI 是起施主还是起受主作用， 尚有分歧。 较多的人则采用 VAs、AsI 为施主、VGa 是受主的观点来解释各种实验结果。
2.Ⅱ－Ⅵ族化合物半导体的杂 质和缺陷
Ⅱ－Ⅵ族化合物半导体是 典型的离子键化合物。
○- ●+ ○- ●+ ○-
●+ ○- ●+ ○- ●+
a.负离 子空位
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电负性
小
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●原子失去电子后
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●+
●+
○-
○-
1. Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体中的杂质和缺陷
(1)杂质
理想的 GaAs 晶格为
= Ga‖
= As+ ‖
= Ga‖
= As+ ‖
= Ga‖
= As+ ‖
= Ga- = ‖
= As+ = ‖
= Ga- = ‖
●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。
VGa、VAs、AsI 是起施主还是起受主作用， 尚有分歧。 较多的人则采用 VAs、AsI 为施主、VGa 是受主的观点来解释各种实验结果。
2.Ⅱ－Ⅵ族化合物半导体的杂 质和缺陷
Ⅱ－Ⅵ族化合物半导体是 典型的离子键化合物。
第二章半导体中的杂质和缺陷
Ec EA3
EA2
EA1
ED
Ev
EA3=EC－0.04eV
§2.1.6 深能级杂质
三个基本特点：
一、是不容易电离，对载流子浓度影响不大； 二、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、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、深能级杂质电离后为带电中心，对载流子起散射作
ED
Ev
§2.1.6 深能级杂质
2，Au获得一个电子－－－受主 Au0 ＋e＝ Au-
Ec
EA1= EV + 0.15eV
EA1
ED
Ev
§2.1.6 深能级杂质
3，Au获得第二个电子 Au- ＋e＝ Au--
Ec
EA2
EA1
ED
Ev
EA2=EC－0.2eV
§2.1.6 深能级杂质
4，Au获得第三个电子 Au-- ＋e＝ Au---
第二章 半导体中杂质和缺陷能级
实际材料中 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。
杂质能级位于禁带之中
Ec
杂质能级
Ev
杂质和缺陷 原子的周期性势场受到破坏
在禁带中引入能级 决定半导体的物理和化学性质
§2.1.2 施主杂质 施主能级
Si、Ge中Ⅴ族杂质的电离能△ED（eV）
晶
杂
质
体
P
As
Sb
Si 0.044 0.049
0.039
Ge 0.0126 0.0127 0.0096
§2.1.3 受主杂质 受主能级
半导体物理第二章
1第二章半导体中的杂质和缺陷能级要求：●掌握半导体中杂质的作用与杂质能级；●掌握半导体中的缺陷及其影响重点：浅能级和深能级杂质及其作用，杂质的补偿作用2原子并非固定不动，格点原子在平衡位置附近振动；半导体并非纯净，含有若干杂质（基质以外的任何元素）；半导体晶格并非完美（完整），存在各种缺陷：点缺陷线缺陷面缺陷⎩⎨⎧实际半导体材料：⎪⎩⎪⎨⎧杂质来源：⎪⎩⎪⎨⎧§2.1 Si 、Ge 晶体中的杂质能级1、替（代）位式杂质间隙式杂质①原材料纯度不够；②工艺过程中引入玷污；③人为掺入杂质—为改善半导体材料性能；（1）Si 、Ge 都具有金刚石结构，一个晶胞内含有8个原子。
3（2）若视晶体中的原子为球体，且最近原子相切：a r ⋅=⋅3412%34)381(34834883333=×=×=a a a r ππ晶胞体积个原子体积则66％是空的相邻两球的半径之和（直径）为立方体体对角线的1/4。
4（3）杂质原子进入半导体中的存在方式：①位于格点原子间的间隙位置——间隙式杂质（一般杂质原子较小）②取代格点原子而位于格点上——替代式杂质（一般杂质原子大小与被取代的晶格原子大小近似，且价电子壳层结构也较相似）{Si 、Ge 是Ⅳ族元素，Ⅲ、Ⅴ族元素在Si 、Ge 中是替位式杂质。
杂质浓度：单位体积中的杂质原子数，表示半导体晶体中杂质含量的多少，杂质浓度的单位为cm -3或/cm 3。
替位式杂质和间隙式杂质52、施主杂质施主能级Si中掺P效果上形成正电中心P + +一个价电子被正电中心P +束缚，位于P +周围，此束缚远小于共价键束缚，很小的能量△E 就可以使其挣脱束缚，形成“自由”电子，在晶格中运动（在导带）。
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：电子脱离杂质原子的束缚，成为导电电子所需的能量。
记作△E D 。
△E D 的值Si 中约0.04～0.05eV Ge 中约0.01eV {}<< E g以Si中掺入Ⅴ族替位式杂质P 为例6施主杂质或N 型杂质：Ⅴ族元素施放电子的过程——施主电离；Ⅴ族元素未电离时呈中性——束缚态或中性态；Ⅴ族元素电离后形成正电中心——施主离化态；⎩⎨⎧E cE vE D＋＋＋E g△E D一般情况下，杂质浓度较低杂质原子间的相互作用可以忽略所以施主能级是一些相同能量的孤立能级，即不形成能带。
第二章半导体中杂质和缺陷能级
n=时，氢原子电离： E=0 氢原子的电离能：
信息科学与工程技术学院
E0 E E1 13.6eV
* mn 0.12m0 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
• 晶体内杂质原子束缚的电子： m0mn*, mp*; 0 r0 * 4 * * mn E 0 mn 施主杂质的电离能：E mn q 13.6 D 2 2 2 2 m0 r 8 r 0 h m0 r2 Si:
信息科学与工程技术学院
半导体物理学
半导体中杂质和缺陷能级
间隙式杂质、替位式杂质
(a) 间隙式扩散(interstitial) (b) 替位式扩散(substitutional)
间隙式杂质： O, Fe, Ni, Zn, Mg
杂质原子比较小
信息科学与工程技术学院
替位式杂质 P，B，As, Al, Ga, Sb, Ge
• 2.1.2 施主杂质、施主能级
+
信息科学与工程技术学院
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
• 2.1.2 施主杂质、施主能级
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Ⅴ族原子形成一个不能移动 的正电中心。 硅、锗中的Ⅴ族杂质，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N型杂质的半导体叫N型半导体。施 主杂质未电离时是中性的，电离后成为正电中心。
信息科学与工和缺陷能级
总结
受主杂质
信息科学与工程技术学院
施主杂质
半导体物理学
半导体中杂质和缺陷能级
第二章_半导体杂质和缺陷能级
例如二元化合物AB中，替位原子可以有两种，A取代B的称
为AB，B取代A的称为BA。
一般认为AB是受主，BA是施主。因为B的价电子比A的多， B取代A后，有把多余的价电子施放给导带的趋势；相反，A取 代B后则有接受电子的倾向。例如在砷化镓中，砷取代镓原子为 AsGa，起施主作用，而镓取代砷原子为GaAs，起受主作用。这种 点缺陷也称为反结构缺陷。
掺杂浓度及掺杂时的外界条件有关。
两性杂质
两性杂质是指在半导体中既可作施主又可作受主的 杂质。
如Ⅲ-Ⅴ族GaAs中掺Ⅳ族Si。
如果Si替位Ⅲ族As，则Si为施主；
如果Si替位Ⅴ族Ga，则Si为受主。
所掺入的杂质具体是起施主还是受主与工艺有关。
5、VI族元素
氧、硫、硒、碲与V族元素性质相近，常取代V族原子。
在离子性强化合物的半导体，由于组成晶 体的元素偏离正常化学比而形成的缺陷。
A B A B A B
VA
B
B A B A
A B A B A B B A B A B A A B A A B VB B A B A B A
偏离化学比缺陷
PbS
S空位 Pb 空位 脱氧
n型 p型 n型
ZnO
替位式原子（反结构缺陷）
当ND>>NA时
n= ND-NA ≈ ND，半导体是n型的
当ND<<NA时
p= NA-ND ≈ NA，半导体是p型的
杂质的高度补偿 补偿后半导体中的净杂质浓度。
当ND≈NA时
有效杂质浓度
当ND>NA时
ND-NA 为有效施主浓度
为AB，B取代A的称为BA。
一般认为AB是受主，BA是施主。因为B的价电子比A的多， B取代A后，有把多余的价电子施放给导带的趋势；相反，A取 代B后则有接受电子的倾向。例如在砷化镓中，砷取代镓原子为 AsGa，起施主作用，而镓取代砷原子为GaAs，起受主作用。这种 点缺陷也称为反结构缺陷。
掺杂浓度及掺杂时的外界条件有关。
两性杂质
两性杂质是指在半导体中既可作施主又可作受主的 杂质。
如Ⅲ-Ⅴ族GaAs中掺Ⅳ族Si。
如果Si替位Ⅲ族As，则Si为施主；
如果Si替位Ⅴ族Ga，则Si为受主。
所掺入的杂质具体是起施主还是受主与工艺有关。
5、VI族元素
氧、硫、硒、碲与V族元素性质相近，常取代V族原子。
在离子性强化合物的半导体，由于组成晶 体的元素偏离正常化学比而形成的缺陷。
A B A B A B
VA
B
B A B A
A B A B A B B A B A B A A B A A B VB B A B A B A
偏离化学比缺陷
PbS
S空位 Pb 空位 脱氧
n型 p型 n型
ZnO
替位式原子（反结构缺陷）
当ND>>NA时
n= ND-NA ≈ ND，半导体是n型的
当ND<<NA时
p= NA-ND ≈ NA，半导体是p型的
杂质的高度补偿 补偿后半导体中的净杂质浓度。
当ND≈NA时
有效杂质浓度
当ND>NA时
ND-NA 为有效施主浓度
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
半导体中的杂质能级和缺陷能级
杂质补偿作用：从对半导体载流子贡献的角度来说，两者 有相互的抵消的作用，称之为杂质补偿作用。
9
有效杂质浓度高度补偿
n
在杂质全部电离，且忽略本征激发的条件 下，载流子浓度的计算
N D − N A 为有效杂质浓度，(n型半导体)
ND > N A ： n = ND − NA;
p = NA − ND ; N A > ND ：
7
修正后的计算公式
施主杂质电离能：
* 4 * mn q mn E0 ∆ED = 2 2 2 = 2 8ε r ε 0 h m0 ε r
4 m* q p
(2-2)
受主杂质电离能：
m* p E0 ∆E A = 2 2 2 = 2 8ε r ε 0 h m0 ε r
(2-3)
类似的，我们也可以计算杂质的基态轨道半径
12
金在锗中的杂质能级
Ec EA3 EA2 EA1 ED Ev 0.04 0.20
0.15 0.04
金原子最外层有一个价电子，比锗少三个价电子。 • 在锗中的中性金原子 Au 0 ，有可能分别接受一，二， 三个电子而成为 Au − , Au = , Au ≡ ，起受主作用，引入 EA1、EA2、EA3 等三个受主能级。 • 中性金原子也可能给出它的最外层电子而成为 Au+， 起施主作用，引入一个施主能级ED。
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。
半导体中的杂质和缺陷
不含任何杂质
实际应用中的
极其微量的杂质和缺陷， 能够对半导体材料的物理性质 和化学性质产生决定性的影响
在硅晶体中，若以105个硅原子中掺入一个杂质原子的比例掺入硼(B)原子，则硅晶体的导电率在室温下将增加103倍。 用于生产一般硅平面器件的硅单晶，位错密度要求控制在103cm-2以下，若位错密度过高，则不可能生产出性能良好的器件。(缺陷的一种)
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实验测得，Ⅴ族元素原子在硅、锗中的电离能很小，在硅中电离能约为0.04~0.05eV，在锗中电离能约为0.01eV，比硅、锗的禁带宽度小得多。
2.1.2 施主杂质、施主能级3
2.1.2 施主杂质、施主能级4
2.1.3 受主杂质、受主能级1
硅中掺入硼（B）为例，研究Ⅲ族元素杂质的作用。当一个硼原子占据了硅原子的位置，如图所示，硼原子有三个价电子，当它和周围的四个硅原子形成共价键时，还缺少一个电子，必须从别处的硅原子中夺取一个价电子，于是在硅晶体的共价键中产生了一个空穴。硼原子成为一个带有一个负电荷的硼离子（B-），称为负电中心硼离子。其效果相当于形成了一个负电中心和一个多余的空穴。
利用杂质补偿的作用，就可以根据需要用扩散或离子注入等方法来改变半导体中某一区域的导电类型，以制备各种器件。
若控制不当，会出现ND≈NA的现象，这时，施主电子刚好填充受主能级，虽然晶体中杂质可以很多，但不能向导带和价带提供电子和空穴，（杂质的高度补偿）。这种材料容易被误认为是高纯度的半导体，实际上却含有很多杂质，性能很差。
2.1.3 受主杂质、受主能级2
02
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03
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01
2.1.3 受主杂质、受主能级3
第二章半导体中杂质和缺陷能级
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。
个价电子因受共价键束缚，它的电离能仅略小于禁带宽度 Eg，所以
施主能级ED很接近Ev。
中性Au0为与周围四个Ge原子形成共价键，还可以依次由价带再接受
三个电子，分别形成EA1，EA2，EA3三个受主能级。价带激发一个电
子给Au0，使之成为单重电受主离化态Au-，电离能为EA1-Ev ；从价带
＝ 再激发一个电子给 Au- 使之成为二重电受主离化态 Au，所需能量为
§2.2 III-V族化合物中的杂质能级
等电子陷阱：在某些化合物半导体中，例如磷化 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。这个能级称为等离子陷阱。这种效应称 为等离子杂质效应。 等离子杂质:所谓等离子杂质是与基质晶体原子具 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，基本上仍是电中性的。但是由于原子序数 不同，这些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 就称为等离子陷阱。
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。
第二章半导体中杂质和缺陷能级解析
§2. 半导体中杂质和缺陷能级
• 杂质、缺陷破坏了晶体原有的周期性势场， 引入新的能级。通常在禁带中分布的能级就是 这样产生的。 • 禁带中的能级对半导体的性能有显著影响， 影响的程度由能级的密度和位置决定。
沈阳工业大学电子科学与技术系
§2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
学习重点：
• 浅能级杂质、深能级杂质 • 杂质补偿
EC
EV
• 受主电离能 △EA = EA - EV EC
受主 能级
• Si、Ge中Ⅲ族杂质的电离能
晶
体 锗 Ge 0.01 0.01
杂 质
硼B 铝Al 镓Ga
硅 Si 0.045 0.057 0.065 0.160
Eg EA EV
△EA = EA - EV
0.011
0.011
铟In
• 受主电离过程示意图
正、负电荷所处介质的介电常数为： 0 r
电势能：
U (r ) q2 4 0 r r
* 4 mn q
施主电离能：
受主电离能：
* mn E0 ED 2 2 2 8 0 r h 2 m0 r
(3)
m* E0 p E A 2 2 2 2 m0 r 8 0 r h
施主 能级
• Si、Ge中V族杂质的电离能
EC
晶 杂 质 硅 Si 磷P 砷As
0.044
0.049 0.039
体 锗 Ge
0.0126
0.0127 0.0096
ED
Eg
EV
锑Sb
• 施主电离过程示意图
施主杂质电离的结果：
导带中的电子数增加了， 这就是掺施主杂质的意义 所在。
3、受主能级
• 杂质、缺陷破坏了晶体原有的周期性势场， 引入新的能级。通常在禁带中分布的能级就是 这样产生的。 • 禁带中的能级对半导体的性能有显著影响， 影响的程度由能级的密度和位置决定。
沈阳工业大学电子科学与技术系
§2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
学习重点：
• 浅能级杂质、深能级杂质 • 杂质补偿
EC
EV
• 受主电离能 △EA = EA - EV EC
受主 能级
• Si、Ge中Ⅲ族杂质的电离能
晶
体 锗 Ge 0.01 0.01
杂 质
硼B 铝Al 镓Ga
硅 Si 0.045 0.057 0.065 0.160
Eg EA EV
△EA = EA - EV
0.011
0.011
铟In
• 受主电离过程示意图
正、负电荷所处介质的介电常数为： 0 r
电势能：
U (r ) q2 4 0 r r
* 4 mn q
施主电离能：
受主电离能：
* mn E0 ED 2 2 2 8 0 r h 2 m0 r
(3)
m* E0 p E A 2 2 2 2 m0 r 8 0 r h
施主 能级
• Si、Ge中V族杂质的电离能
EC
晶 杂 质 硅 Si 磷P 砷As
0.044
0.049 0.039
体 锗 Ge
0.0126
0.0127 0.0096
ED
Eg
EV
锑Sb
• 施主电离过程示意图
施主杂质电离的结果：
导带中的电子数增加了， 这就是掺施主杂质的意义 所在。
3、受主能级
半导体物理2
§2.2 缺 陷 能 级
1、 点 缺 陷：
空位 自间隙原子 反结构缺陷 各种复合体 位 错
（1）Si中的点缺陷： Si中的点缺陷：
以空位、间隙和复合体为主
A、空位
V0+e V0-e V- （受主） V+ （施主）
Ec EA
ED1 ED2 EV
ED1〈ED2
B、 间隙
例1：Si：B空位 Si：
7、等电子陷阱
（1）等电子杂质 ） 特征：a、与本征元素同族但不同原子序数 例：GaP中掺入Ⅴ族的N或Bi
b、以替位形式存在于晶体中，基本上 是电中性的。
（2）等电子陷阱
等电子杂质（如N）占据本征原子位置 （如GaAsP中的P位置）后，即 N NP 存在着由核心力引起的短程作用力，它们 可以吸引一个导带电子（空穴）而变成负 （正）离子，前者就是电子陷阱，后者就是 空穴陷阱。
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：
EC
△ED=EC-ED
ED Eg
EV
施主杂质：束缚在杂质能级上的电子 施主杂质：
被激发到导带E 被激发到导带Ec成为导带电子，该杂质电 离后成为正电中心（正离子）。这种杂质 称为施主杂质。 Si、Ge中Ⅴ族杂质的电离能△ED（eV） 晶体 杂 质 P As Sb Si 0.044 0.049 0.039 Ge 0.0126 0.0127 0.0096
第二章半导体中杂质和缺陷能级
Ge 0.01 0.01 0.011 0.011
(2)受主电离能和受主能级
EA
mP* mo
1
r2
EH
以掺B为例：
EA
Si
0.04ev,
EA
Ge
0.01ev
Ec
EA EA EA EV
Ev
受主能级靠近价带顶部
受主能级EA特点：
受主杂质的电离能 小，在常温下基本 上为价带电离的电 子所占据（空穴由 受主能级向价带激 发）。
族化合物半导体中的杂质和缺陷理想的gaas晶格为gaasgaasgaasgaasga1gaas晶体中的杂质?替位杂质可以替代ga也可替代as?也可有间隙原子存在施主杂质族元素周期表中的族元素seste在gaas中通常都替代族元素as原子的晶格位置由于族原子比族原子多一个价电子因此族杂质在gaas中一般起施主作用为浅施主杂质
深能级杂质和缺陷的作用:
1) 可以成为有效复合中心，大大降低载流子的 寿命；
2) 可以成为非辐射复合中心，影响半导体的发 光效率；
3) 可以作为补偿杂质，大大提高半导体材料 的电阻率。
6. Si、Ge元素半导体中的缺陷
(空位、自间隙原子)
(1)(空1)位空位
悬挂键
= Si = Si = Si =
例如：Si 在室温下，本征载流子
浓度为 1010/cm3，
Si 的原子浓度为 1022～1023/cm3
掺入P：
P的浓度/Si原子的浓度=10-6
施主向导带提供的载流子 =1016～1017/cm3＞＞本征载流子浓度
少量的掺杂可有效地改变和人为控制半导体 材料的导电行为
掺施主的半导体的导带电子数主要由施主决 定，半导体导电的载流子主要是电子（电子
哈工大--课件半导体物理(第二章)模板
故
ED
mn* m0
E0
2 r
0.1213.6 0.00637eV 162
对于Si，ml＝0.98m0 , mt =0.19m0, r =12 代入可得mn* 0.26m0
故
ED
mn* m0
E0
2 r
பைடு நூலகம்
0.26 13.6 122
0.025eV
§2.1半导体中的杂质能级
§2.1.3 杂质的补偿作用
§2.1半导体中的杂质能级
§2.1.4 深能级杂质
深能级的形成
Ⅵ族杂质.多于两个价电子被两个正电荷的杂质中心束缚， 类似于一个氦原子，其每个电子平均受到大于一电子电荷 的正电中心的作用，从而深能级杂质的电离能比浅能级杂 质要大。在电离出一个电子后，带有两个正电荷的杂质中 心使第二个电子电离需要更大能量，对应更深的能级，所 以Ⅵ族杂质在硅锗中一般产生两重施主能级，如锗中的硒、 碲。
§2.1半导体中的杂质能级
§2.1.1 硅锗晶体中的杂质能级
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，掺杂浓度不很高的情况下，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，它们的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。
§2.1半导体中的杂质能级
§2.1.3 杂质的补偿作用
1）ND NA ： 受主能级低于施主能级，剩余杂质 ND NA
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。
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 理想半导体 实际半导体 原子不是静止在具有严格周期性的晶格的格点上，而在其平衡位置附近振动 原子静止在具有严格周期性的晶格的格点上 半导体不是纯净的，含有若干杂质半导体是纯净的，不含杂质 晶格结构不是完整的，含若干缺陷晶格结构是完整的，不含缺陷 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§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，只要有很少间隙式杂质替位式杂质硅中的施主杂质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 +），它是一个不能移动的正电中心。
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Au在Ge中共有五种可能的状态： （1）Au+； （2） Au0 ； （3） Au一 ； （4） Au二 ； （5） Au三。
半导体物理学
22
深能级的基本特点： 1、含量极少，而且能级较深，不易在室温下电离， 对载流子浓度影响不大； 2、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。 3、能级位臵利于促进载流子的复合，其复合作用 比浅能级杂质强，使少数载流子寿命降低，称 这些杂质为复合中心杂质。（在第五章详细讨 论） 4、深能级杂质电离后对载流子起散射作用，使载 流子迁移率减少，导电性能下降。
半导体物理学
7
施主电离
ED
ED
EC
△ED=EC-ED
ED
电离的结果：导带中的电子数增 加了，这即是掺施主的意义所在。
Eg
施 主 电 离 能：△ED=EC-ED
EV
半导体物理学
8
2.1.3
受主杂质
受主能级
受主杂质 III 族元素在硅、锗中电离时能够接受 电子而产生导电空穴并形成负电中心， 称此类杂质为受主杂质或p型杂质。
浅能级杂质 = 杂质离子 + 束缚电子（空穴）
正、负电荷所处介质：
半导体物理学
0 r
14
q2 电势能 U( r ) 40 r r
mn q mn E0 施主电离能 E D 2 (3) 2 2 2 m0 r 8 0 r h
E0 受主电离能 E A 2 ( 4) 2 2 2 m0 r 8 0 r h mp q
概念：受主电离 受主电离能 p型半导体
受主能级
半导体物理学
9
以硅中掺In为例： In原子占据硅原子的位臵， 与周围的四个硅原于形成共价 键时还缺一个电子，就从别处 夺取价电子，这就在Si形成了 一个空穴。这时In原子就成为 多了一个价电子的离子，它是 一个不能移动的负电中心。空 穴只要很少能量就可挣脱束缚， 成为导电空穴在晶格中自由运 动。
退火可在一定程度上减少缺陷
半导体物理学
30
点缺陷对半导体性质的影响： 1）缺陷处晶格畸变，周期性势场被破坏，致使 在禁带中产生能级。 2）点缺陷对材料的导电类型起一定的作用 3）对载流子有散射作用，使载流子迁移率和寿 命降低。
半导体物理学
31
§2.2.2
半导体物理学
26
Ⅲ、Ⅴ族元素：——等电子杂质
当Ⅲ族或Ⅴ族杂质掺入不是由它们本身构成的 Ⅲ-Ⅴ族化合物中，取代同族晶格原子时，既可以 引入杂质能级，也可能不引入能级，这取决于杂 质种类和Ⅲ-Ⅴ族化合物的种类。
半导体物理学
27
与晶格基质原子具有相同价电子的杂质称为等电 子杂质。等电子杂质取代晶格上的同族原子后，因为 与晶格原子的共价半径与电负性的显著差别，能够在 晶体中俘获某种载流子成为带电中心，这种带电中心 叫等电子陷阱。 例如，GaAs中，Ⅲ（或Ⅴ）族杂质取代Ga(或As)时， 不引入禁带能级。在GaP中Ⅴ族杂质N、Bi取代P就能 在禁带中引入能级，N和Bi就是等电子陷阱，等电子 陷阱俘获的载流子的能量状态就是在禁带中引入的相 应能级。
第二章 半导体中杂质和缺陷能级
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 本征半导体——晶体具有完整的（完美的） 晶格结构，无杂质和缺陷。
半导体物理学
6
施主杂质向导带释放电子的过程为施主电离 施主杂质未电离之前是电中性的称为中性态或 束缚态；电离后成为正电中心称为离化态或电 离态 使多余的价电子挣脱束缚成为导电电子所需要 的最小能量称为施主电离能，施主电离能为 ΔED 被施主杂质束缚的电子的能量状态称为施主能 级，记为ED，。 施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主 离子，同时向导带提供电子，使半导体成为主 要依靠导带电子导电的n型半导体（也称电子型 半导体）。
半导体物理学
25
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。
半导体物理学
28
等电子杂质（如N）占据本征原子位置 （如GaAsP中的P位置）后，即
N
NP
存在着由核心力引起的短程作用力，它们可以吸引一个导带 电子（空穴）而变成负（正）离子，前者就是电子陷阱，后 者就是空穴陷阱。
等电子陷阱举例 1、N在GaAsP中：NP 2、C在Si中：CSi 3、O在ZnTe中： 其存在形式可以是 （1）替位式 （2）复合体，如 Zn-O
半导体物理学
16
2.1.5
杂质的补偿作用
杂质补偿：半导体中同时存在施主杂质和受主 杂质时，它们的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。（参看书中图 2.7）
1）N D N A ：剩余杂质 N D N A 2）N D N A ：剩余杂质 N A N D
半导体物理学
1
实际半导体中 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。 晶体中杂质来源 由于纯度有限，半导体原材料所含有的杂质 半导体单晶制备和器件制作过程中的污染 为改变半导体的性质，在器件制作过程中有目 的掺入的某些特定的化学元素原子
半导体物理学
11
受主电离
受主能级 EA
EC
电离的结果：价带中的空穴数增 加了，这即是掺受主的意义所在。
Eg
E △EA A
受主电离能：△EA=EA-EV
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EV
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上述杂质的特点：
施主电离能△ED＜＜Eg 受主电离能 △EA ＜＜ Eg
浅能级杂质
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2.1.4、浅能级杂质电离能的简单计算 （1） 氢原子基态电子的电离能
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两种杂质特点： 间隙式杂质原子小于晶体原子 替位式杂质： 1）杂质原子的大小与被取代的晶格原子的大 小比较相近 2）价电子壳层结构比较相近 如：III、V族元素在硅、锗中均为替位式杂质
杂质浓度：单位体积内的杂质原子数
杂质和缺陷破坏了晶体的周期性势场，产生附 加势场，从能带的角度来说就是在禁带中引入了各 种杂质能级和缺陷能级。
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§2.2 化合物半导体中的杂质能级
1、杂质在砷化镓中的存在形式 三种情况： 1）取代砷；2）取代镓； 3）填隙
Ⅰ族元素：一般引入受主能级，起受主作用。Ⅱ族 杂质与Ⅲ族原子价电子数相近，通常取代晶格中Ⅲ 族原子，因为少一个价电子，取代晶格原子后，具 有获得一个电子完成共价键的趋势，是受主杂质， 而且电离能较小，在Ⅲ-Ⅴ族化合物中引入浅受主 能级。所以Ⅱ族杂质是Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的p型 掺杂剂，如GaAs中的Mg、Zn。
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Ⅵ族杂质：与Ⅴ族晶格原子的价电子数相近， 在Ⅲ-Ⅴ族化合物中取代Ⅴ族晶格原子，与 周围晶格原子形成共价键后多余一个价电子， 易失去这个价电子成为施主杂质，一般引入 浅施主能级，如GaAs中的S、Se。可作为n型 掺杂剂。 Ⅳ族杂质：既可以取代Ⅲ族晶格原子起施主 作用，又可以取代Ⅴ族晶格原子起受主作用， 从而在Ⅲ-Ⅴ族化合物中引入双重能级—— 双性行为。
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2.1.6 深能级杂质
深能级杂质：非Ⅲ、Ⅴ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 个能级，其中可能有施主能级，也可能有受主 能级，这与杂质原子的电子壳层结构、杂质原 子的大小、杂质在半导体中的位臵等因素都有 关系。
2 2 h q 2 氢原子电子满足： (1) 4 2 m 4 r ( r ) E n ( r ) 0 0
m0q 4 故基态电子的电离能： E0 E E1 2 2 (2) 80 h
（2）用类氢原子模型估算浅能级杂质的电离能
ED
EA
所以：有效的受主浓度 NA*=NA-ND>ni
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当N D ≈NA 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 情况称为杂质的高度补偿。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。
有效杂质浓度 补偿后半导体中的净杂质浓度。
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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。 概念：施主电离 束缚态和电离态 施主能级 n型半导体 施主电离能
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以硅中掺磷P为例： 磷原子占据硅原子的位臵。磷 其中四个价电子与周围的四个硅 原于形成共价键，还剩余一个多 余的价电子，束缚在正电中心P＋ 的周围。价电子只要很少能量就 可挣脱束缚，成为导电电子在晶 格中自由运动这时磷原子就成为 少了一个价电子的磷离子P＋，它 是一个不能移动的正电中心。
* 4
* 4
*
mp
*
估算结果与实际测量值有相同数量级
Ge： Si:
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△ED ～ 0.0064 eV △ED ～ 0.025 eV
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半导体物理学
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深能级的基本特点： 1、含量极少，而且能级较深，不易在室温下电离， 对载流子浓度影响不大； 2、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。 3、能级位臵利于促进载流子的复合，其复合作用 比浅能级杂质强，使少数载流子寿命降低，称 这些杂质为复合中心杂质。（在第五章详细讨 论） 4、深能级杂质电离后对载流子起散射作用，使载 流子迁移率减少，导电性能下降。
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施主电离
ED
ED
EC
△ED=EC-ED
ED
电离的结果：导带中的电子数增 加了，这即是掺施主的意义所在。
Eg
施 主 电 离 能：△ED=EC-ED
EV
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2.1.3
受主杂质
受主能级
受主杂质 III 族元素在硅、锗中电离时能够接受 电子而产生导电空穴并形成负电中心， 称此类杂质为受主杂质或p型杂质。
浅能级杂质 = 杂质离子 + 束缚电子（空穴）
正、负电荷所处介质：
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0 r
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q2 电势能 U( r ) 40 r r
mn q mn E0 施主电离能 E D 2 (3) 2 2 2 m0 r 8 0 r h
E0 受主电离能 E A 2 ( 4) 2 2 2 m0 r 8 0 r h mp q
概念：受主电离 受主电离能 p型半导体
受主能级
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以硅中掺In为例： In原子占据硅原子的位臵， 与周围的四个硅原于形成共价 键时还缺一个电子，就从别处 夺取价电子，这就在Si形成了 一个空穴。这时In原子就成为 多了一个价电子的离子，它是 一个不能移动的负电中心。空 穴只要很少能量就可挣脱束缚， 成为导电空穴在晶格中自由运 动。
退火可在一定程度上减少缺陷
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点缺陷对半导体性质的影响： 1）缺陷处晶格畸变，周期性势场被破坏，致使 在禁带中产生能级。 2）点缺陷对材料的导电类型起一定的作用 3）对载流子有散射作用，使载流子迁移率和寿 命降低。
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§2.2.2
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Ⅲ、Ⅴ族元素：——等电子杂质
当Ⅲ族或Ⅴ族杂质掺入不是由它们本身构成的 Ⅲ-Ⅴ族化合物中，取代同族晶格原子时，既可以 引入杂质能级，也可能不引入能级，这取决于杂 质种类和Ⅲ-Ⅴ族化合物的种类。
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与晶格基质原子具有相同价电子的杂质称为等电 子杂质。等电子杂质取代晶格上的同族原子后，因为 与晶格原子的共价半径与电负性的显著差别，能够在 晶体中俘获某种载流子成为带电中心，这种带电中心 叫等电子陷阱。 例如，GaAs中，Ⅲ（或Ⅴ）族杂质取代Ga(或As)时， 不引入禁带能级。在GaP中Ⅴ族杂质N、Bi取代P就能 在禁带中引入能级，N和Bi就是等电子陷阱，等电子 陷阱俘获的载流子的能量状态就是在禁带中引入的相 应能级。
第二章 半导体中杂质和缺陷能级
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 本征半导体——晶体具有完整的（完美的） 晶格结构，无杂质和缺陷。
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施主杂质向导带释放电子的过程为施主电离 施主杂质未电离之前是电中性的称为中性态或 束缚态；电离后成为正电中心称为离化态或电 离态 使多余的价电子挣脱束缚成为导电电子所需要 的最小能量称为施主电离能，施主电离能为 ΔED 被施主杂质束缚的电子的能量状态称为施主能 级，记为ED，。 施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主 离子，同时向导带提供电子，使半导体成为主 要依靠导带电子导电的n型半导体（也称电子型 半导体）。
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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。
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等电子杂质（如N）占据本征原子位置 （如GaAsP中的P位置）后，即
N
NP
存在着由核心力引起的短程作用力，它们可以吸引一个导带 电子（空穴）而变成负（正）离子，前者就是电子陷阱，后 者就是空穴陷阱。
等电子陷阱举例 1、N在GaAsP中：NP 2、C在Si中：CSi 3、O在ZnTe中： 其存在形式可以是 （1）替位式 （2）复合体，如 Zn-O
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2.1.5
杂质的补偿作用
杂质补偿：半导体中同时存在施主杂质和受主 杂质时，它们的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。（参看书中图 2.7）
1）N D N A ：剩余杂质 N D N A 2）N D N A ：剩余杂质 N A N D
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实际半导体中 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。 晶体中杂质来源 由于纯度有限，半导体原材料所含有的杂质 半导体单晶制备和器件制作过程中的污染 为改变半导体的性质，在器件制作过程中有目 的掺入的某些特定的化学元素原子
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受主电离
受主能级 EA
EC
电离的结果：价带中的空穴数增 加了，这即是掺受主的意义所在。
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E △EA A
受主电离能：△EA=EA-EV
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上述杂质的特点：
施主电离能△ED＜＜Eg 受主电离能 △EA ＜＜ Eg
浅能级杂质
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2.1.4、浅能级杂质电离能的简单计算 （1） 氢原子基态电子的电离能
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两种杂质特点： 间隙式杂质原子小于晶体原子 替位式杂质： 1）杂质原子的大小与被取代的晶格原子的大 小比较相近 2）价电子壳层结构比较相近 如：III、V族元素在硅、锗中均为替位式杂质
杂质浓度：单位体积内的杂质原子数
杂质和缺陷破坏了晶体的周期性势场，产生附 加势场，从能带的角度来说就是在禁带中引入了各 种杂质能级和缺陷能级。
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§2.2 化合物半导体中的杂质能级
1、杂质在砷化镓中的存在形式 三种情况： 1）取代砷；2）取代镓； 3）填隙
Ⅰ族元素：一般引入受主能级，起受主作用。Ⅱ族 杂质与Ⅲ族原子价电子数相近，通常取代晶格中Ⅲ 族原子，因为少一个价电子，取代晶格原子后，具 有获得一个电子完成共价键的趋势，是受主杂质， 而且电离能较小，在Ⅲ-Ⅴ族化合物中引入浅受主 能级。所以Ⅱ族杂质是Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的p型 掺杂剂，如GaAs中的Mg、Zn。
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Ⅵ族杂质：与Ⅴ族晶格原子的价电子数相近， 在Ⅲ-Ⅴ族化合物中取代Ⅴ族晶格原子，与 周围晶格原子形成共价键后多余一个价电子， 易失去这个价电子成为施主杂质，一般引入 浅施主能级，如GaAs中的S、Se。可作为n型 掺杂剂。 Ⅳ族杂质：既可以取代Ⅲ族晶格原子起施主 作用，又可以取代Ⅴ族晶格原子起受主作用， 从而在Ⅲ-Ⅴ族化合物中引入双重能级—— 双性行为。
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2.1.6 深能级杂质
深能级杂质：非Ⅲ、Ⅴ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 个能级，其中可能有施主能级，也可能有受主 能级，这与杂质原子的电子壳层结构、杂质原 子的大小、杂质在半导体中的位臵等因素都有 关系。
2 2 h q 2 氢原子电子满足： (1) 4 2 m 4 r ( r ) E n ( r ) 0 0
m0q 4 故基态电子的电离能： E0 E E1 2 2 (2) 80 h
（2）用类氢原子模型估算浅能级杂质的电离能
ED
EA
所以：有效的受主浓度 NA*=NA-ND>ni
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当N D ≈NA 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 情况称为杂质的高度补偿。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。
有效杂质浓度 补偿后半导体中的净杂质浓度。
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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。 概念：施主电离 束缚态和电离态 施主能级 n型半导体 施主电离能
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以硅中掺磷P为例： 磷原子占据硅原子的位臵。磷 其中四个价电子与周围的四个硅 原于形成共价键，还剩余一个多 余的价电子，束缚在正电中心P＋ 的周围。价电子只要很少能量就 可挣脱束缚，成为导电电子在晶 格中自由运动这时磷原子就成为 少了一个价电子的磷离子P＋，它 是一个不能移动的正电中心。
* 4
* 4
*
mp
*
估算结果与实际测量值有相同数量级
Ge： Si:
半导体物理学
△ED ～ 0.0064 eV △ED ～ 0.025 eV
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