半导体中杂质与缺陷表现
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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
半导体缺陷类型
半导体缺陷类型
半导体缺陷类型主要包括以下几种：
1.位错：位错是晶体材料中常见的缺陷，它会导致材料的力学性能和电学性能受到影响。
2.杂质条纹：杂质条纹是半导体材料中常见的缺陷，它是由杂质原子在晶体中形成的周期性排列。
3.凹坑：凹坑是晶体表面上的一种缺陷，它通常是由于表面重构或离子注入引起的。
4.空洞：空洞是晶体中一种常见的缺陷，它通常是由于热处理或离子注入过程中引起的。
5.孪晶：孪晶是晶体中一种特殊的缺陷，它是由两个或多个晶体部分以特定的方式排列而形成的。
6.嵌晶：嵌晶是另一种晶体缺陷，它通常是由于杂质原子或结构单元在晶体中形成的。
7.化学抛光：化学抛光是一种通过化学反应来改善晶体表面的方法，但它有时会导致表面缺陷的产生。
8.多晶：多晶是一种特殊的晶体结构，它由多个取向不同的晶粒组成，这使得它的物理和化学性质不同于单晶。
以上只是半导体缺陷的一部分类型，具体类型和产生原因可能会因材料种类和制造过程的不同而有所差异。
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
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 半导体中的杂质和缺陷
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。
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。
半导体材料中的缺陷与杂质控制技术
半导体材料中的缺陷与杂质控制技术半导体材料是现代电子器件制造中的关键材料之一。
为了保证半导体器件的性能和可靠性，需对半导体材料中的缺陷和杂质进行控制。
本文将重点讨论半导体材料中的缺陷与杂质控制技术。
一、半导体材料的缺陷类型半导体材料中常见的缺陷类型包括点缺陷、线缺陷和面缺陷。
点缺陷指的是材料中的单个原子或多个原子的缺失或占据，如空位和间隙原子；线缺陷是由材料中原子排列的缺陷引起的，如位错和脆性晶粒界；面缺陷则是材料表面或晶界处的缺陷，如二维氧化物缺陷和界面能带不平整。
二、缺陷对半导体性能的影响缺陷对半导体器件的性能和可靠性具有重要影响。
例如，点缺陷会降低半导体的载流子浓度，并影响电子迁移率和电阻；线缺陷会导致晶格畸变、局部应变和电子复合增加，降低载流子迁移率和器件寿命；面缺陷则会导致界面态和能带弯曲，进一步影响器件的电学性能。
三、缺陷与杂质控制技术为了控制半导体材料中的缺陷与杂质，需要实施一系列控制技术。
以下是几种常用的控制技术：1. 生长技术半导体晶体的生长是控制材料缺陷和杂质的重要方法。
例如，通过外延生长技术可以在晶体中控制点缺陷和线缺陷的形成；通过气相沉积技术可以控制杂质的浓度和分布。
2. 退火技术退火技术可以通过热处理来消除或减少材料中的缺陷和杂质。
例如，热退火可以使点缺陷移动和缩减；退火还可以使线缺陷部分消失或接近消失。
3. 加工工艺加工工艺可以通过控制材料的加工条件和方法来减少缺陷的形成。
例如，减小晶圆加工过程中的机械应力和温度梯度，可以减少缺陷的产生。
4. 杂质掺杂技术杂质掺杂技术可以通过控制材料中的杂质浓度和种类来改变材料的性能和控制缺陷。
例如，控制掺杂过程中的杂质浓度和扩散温度，可以有效控制杂质的分布和缺陷的形成。
5. 表面修饰技术表面修饰技术可以通过改变材料表面的能带结构来控制缺陷和杂质。
例如，通过表面处理或修饰来改变半导体材料的表面状态和化学反应性，可以减少表面缺陷和界面态的形成。
半导体物理半导体中的杂质和缺陷
CdTe以外的II-VI族化合物大多是单极性半导体。这些材 料有一些共同的特点，即熔点都比较高，其组成元素又 往往具有较高而不相等的蒸气压，因此制备符合化学计 量比的完美单晶体十分困难，而空位等晶格微缺陷的形 成却比较容易。
§1-5 典型半导体的能带结构
一、能带结构的基本内容及其表征
1、能带结构的基本内容 • 1）导带极小值和价带极大值的位置，特别是导带
3、碲化汞的能带结构 碲化汞的导带极小值与价带极大值基本重叠，禁 带宽度在室温下约为－0.15eV，因而是半金属。
五、宽禁带化合物半导体的能带结构
1、SiC的能带结构 SiC各同质异型体间禁带宽度不相同，完全六方型的2HSiC最宽，为3.3eV；随着立方结构成分的增加，禁带逐 渐变窄，4H-SiC为3.28eV，15R-SiC为3.02eV，6H-SiC 为2.86 eV，完全立方结构的3C-SiC为2.33eV。 •皆为间接禁带
2）等电子络合物的陷阱效应
镓
氧
磷
锌
4、深能级的补偿作用
浅能级杂质间的补偿
深能级杂质的补偿
导带
• • •• • • • • • • • • ED
导带
• •• •• • •• •• •• ••
•• •
EDEA
• • • • • EA
价带
价带
同样有补偿作用，但效果弱一点。
三、缺陷的施、受主作用及其能级
1）价带 中心略偏，轻重空穴带二度简并
2）导带底的位置 随着平均原子序数的变化而变化，以GaAs为界，…
3）禁带宽度
随着平均原子序数的变化而变化，…
4）电子有效质量 随着平均原子序数的变化而变化，…
5）空穴有效质量 重空穴在各III-V族化合物间差别不大
§1-5 典型半导体的能带结构
一、能带结构的基本内容及其表征
1、能带结构的基本内容 • 1）导带极小值和价带极大值的位置，特别是导带
3、碲化汞的能带结构 碲化汞的导带极小值与价带极大值基本重叠，禁 带宽度在室温下约为－0.15eV，因而是半金属。
五、宽禁带化合物半导体的能带结构
1、SiC的能带结构 SiC各同质异型体间禁带宽度不相同，完全六方型的2HSiC最宽，为3.3eV；随着立方结构成分的增加，禁带逐 渐变窄，4H-SiC为3.28eV，15R-SiC为3.02eV，6H-SiC 为2.86 eV，完全立方结构的3C-SiC为2.33eV。 •皆为间接禁带
2）等电子络合物的陷阱效应
镓
氧
磷
锌
4、深能级的补偿作用
浅能级杂质间的补偿
深能级杂质的补偿
导带
• • •• • • • • • • • • ED
导带
• •• •• • •• •• •• ••
•• •
EDEA
• • • • • EA
价带
价带
同样有补偿作用，但效果弱一点。
三、缺陷的施、受主作用及其能级
1）价带 中心略偏，轻重空穴带二度简并
2）导带底的位置 随着平均原子序数的变化而变化，以GaAs为界，…
3）禁带宽度
随着平均原子序数的变化而变化，…
4）电子有效质量 随着平均原子序数的变化而变化，…
5）空穴有效质量 重空穴在各III-V族化合物间差别不大
半导体中的杂质和缺陷
导带的自由电子，这种激发称为~。 只有本征激发的半导体称为本征半导体。
例如：Si 在室温下，本征载流子 浓度为 1010/cm3，掺入 P：
P 的浓度/Si 原子的浓度=10-6
Si 的原子浓度为 1022～1023/cm3
施主 P 向导带提供的载流子 =1016～1017/cm3＞＞本征载流子浓度
●+
○-
●+
○-
●+
○原子得到电子后：
○-
●+
○-
●+
○-
○-
●+
○-
●+
○-
●+
○-
●+
○-
●+
○-
●+
○-
●+
○-
●+
产 生 负 电 中 心， 起 受 主 作 用
负离子空位 正离子填隙
正离子空位 负离子填隙
产生正电中心，起施主作用 产生负电中心，起受主作用
§2-2 半导体中的深能级杂质
在 Ge 中掺 Au：
B 获得一个电子
＋
变成负离子，成
B－－
为负电中心，周
围产生带正电的
空穴。
受主杂质：束缚在杂质能级上的空穴被激发到
价带Ev成为价带空穴，该杂质电离后成为负电中 心（负离子）。这种杂质称为受主杂质。
受主杂质具有得到电子的性质， 向价带提供空穴。
价带空穴 电离受主 B－
受主能级 EA
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。
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- =
例如：Si 在室温下，本征载流子 浓度为 1010/cm3，掺入 P：
P 的浓度/Si 原子的浓度=10-6
Si 的原子浓度为 1022～1023/cm3
施主 P 向导带提供的载流子 =1016～1017/cm3＞＞本征载流子浓度
●+
○-
●+
○-
●+
○原子得到电子后：
○-
●+
○-
●+
○-
○-
●+
○-
●+
○-
●+
○-
●+
○-
●+
○-
●+
○-
●+
○-
●+
产 生 负 电 中 心， 起 受 主 作 用
负离子空位 正离子填隙
正离子空位 负离子填隙
产生正电中心，起施主作用 产生负电中心，起受主作用
§2-2 半导体中的深能级杂质
在 Ge 中掺 Au：
B 获得一个电子
＋
变成负离子，成
B－－
为负电中心，周
围产生带正电的
空穴。
受主杂质：束缚在杂质能级上的空穴被激发到
价带Ev成为价带空穴，该杂质电离后成为负电中 心（负离子）。这种杂质称为受主杂质。
受主杂质具有得到电子的性质， 向价带提供空穴。
价带空穴 电离受主 B－
受主能级 EA
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。
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- =
半导体中杂质和缺陷能级
33
2.4Ⅲ-Ⅴ族化合物中德尔杂质能级
（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。
精选ppt课件
34
（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
精选ppt课件
22
（C）NA≈ND时
杂质的高度补偿
精选ppt课件
23
※ 就实际而言：半导体的最重要的性质之一，
就是能够利用施主和受主杂质两种杂质进行参杂，
并利用杂质的补偿作用，根据人们的需要改变半
导体中某一区域的导电类型，以制成各种器件。
精选ppt课件
24
2.1.6
深能级杂质
Ec
（1）浅能级杂质
•
ni （Ge）
≌2.4×1013cm-3
•
≌1.5×1010cm-3
•
ni （Si）
ni （GaAs）
6cm-3
≌1.6×10
ni——本征载流子浓度
精选ppt课件
19
（3）n型半导体与p型半导体
当半导体中掺入一定量的浅施主或浅受主
时，因其离化能△ED或 △EA很小（～RT下的
kT=0.026eV）,所以它们基本上都处于离化态。
精选ppt课件
36
(4)两性杂质
• 举例：GaAs中掺Si（Ⅳ族）
• Ga：Ⅲ族
As：Ⅴ族
施主
Si Ga
SiAs
两性杂质
受主
两性杂质：在化合物半导体中，某种杂质在其
半导体中的杂质和缺陷
实际半导体： 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。
杂质半导体
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
也产生受主能级。
0.35eV
EA ED
能起到复合中心作用，
Ev
使少数载流子寿命降
低。
Au doped Silicon
§2-2 化合物半导体中的杂质能级
Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体中的杂质
理想的GaAs晶格
价键结构： 含有离子键成分的 共价键结构
Ga-
As+
Ga
As
Ga
As
Ga
As
Ga
受主杂质
施主杂质
Ge 0.012 0.012 0.009
6
7
6
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
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－－
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
替代III族元素
替代Ⅴ族元素
两性杂质
III、Ⅴ族元素
等电子杂质——同族原子取代
●等电子杂质
等电子杂质是与基质晶体原子具有同数量 价电子的杂质原子．替代了同族原子后， 基本仍是电中性的。但是由于共价半径和 电负性不同，它们能俘获某种载流子而成 为带电中心。带电中心称为等电子陷阱。
02 半导体中的杂质和缺陷
以看作是一些具有相同 能量的孤立能级，
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。
2.1.3 受主杂质、受主能级3
受主杂质/P型杂质
Ⅲ族元素杂质在硅、锗中能接受电子而产生导电空穴， 并形成负电中心。称为受主杂质或p型杂质。
空穴挣脱受主杂质束缚的过程称为受主电离。 受主杂质未电离时是中性的，称为束缚态或中性态。
空穴型半导体/P型半导体 纯净半导体中掺入受主杂质后，受主杂质电离，使价带中的 导电空穴增多（空穴密度大于电子密度），增强了半导体的 导电能力，成为主要依靠空穴导电的半导体材料。
2.1.2 施主杂质、施主能级3
施主杂质/N型杂质
Ⅴ族元素杂质在硅、锗中电离时，能够施放电子而 产生导电电子并形成正电中心。称为施主杂质或n型杂质
施放电子的过程称为施主电离。 施主杂质在未电离时是中性的，称为束缚态或中性态， 电离后成为正电中心，称为离化态。
电子型半导体/N型半导体
纯净半导体中掺入施主杂质后，施主杂质电离，使导带中 的导电电子增多（电子密度大于空穴密度），增强了半导 体的导电能力，成为主要依靠电子导电的半导体材料,称为 电子型或N型半导体。
2.1.2 施主杂质、施主能级2
多余的电子束缚在正电中心周围，但这种束缚作用比共价键的 束缚作用弱得多，只要很小的能量就可以使多余电子挣脱束缚， 成为自由电子在晶格中运动，起到导电的作用。这时磷原子就 成了一个少了一个价电子的磷离子，它是一个不能移动的正电 中心。 多余电子脱离杂质原子成为导电电子的过程称为杂质电离。 使这个多余电子挣脱束缚成为导电电子所需要的能量称为杂质 电离能，用ΔED表示。 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。
半导体中杂质和缺陷能级
ND>>NA NA>>ND
NA~~ND
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
1、当 ND>>NA 因为受主能级低于施主能级，所以施主杂质的电子
首先跃迁到NA个受主能级上，还有ND-NA个电子在 施主能级上，杂质全部电离时，跃迁到导带中的导
电电子的浓度为n= ND-NA。即则有效施主浓度为
受主杂质的电离能 E A8m r2P *q 0 2h 42m m P * 0E r2 01.6 3m m 0P *r2
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
氢原子半径： 施主杂质半径：
r0
42 0
q 2 m0
n2
r
42 0 r
q 2 mn*
n2
m0 r
mn*
r0
基态下（n=1），氢原子的轨道半径： r10.05n3m
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
带有分立的施主能级 的能带图
施主能级电离能带图
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
被施主杂质束缚的电子的能量状态称为施主能级ED。 施主能级位于离导带低很近的禁带中 杂质原子间的相互作用可忽略，某一种杂质的施主能级
是一些具有相同能量的孤立能级。
表2-1 硅、锗晶体中Ⅴ族杂质的电离能(eV)
半导体中杂质和缺陷能 级
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si P Si Si Si Si Si Si
杂质原子进入半导体硅后，只 可能以两种方式存在。
一种方式是杂质原子位于晶格 原子间的间隙位置，常称为间 隙式杂质；间隙式杂质原子一 般较小，如离子锂（Li+）。
另一种方式是杂质原子取代晶格原子而位于晶格格点处，常称为替位 式杂质。替位式杂质原子通常与被取代的晶格原子大小比较接近而且电子壳层
半导体中的杂质能级和缺陷能级
n
n
等电子陷阱：由于等电子杂质与基材原子电负性的差 异，而能够俘获某种载流子而成为带电中心。这种带电 中心就称为等电子陷阱。
14
缺陷与缺陷能级
缺陷种类：
1. 点缺陷：空位，间隙原子，(替位杂质) 2. 线缺陷：位错 3. 面缺陷：层错，晶粒间界
15
点缺陷
perfect lattice
interstitial imputity
18
习题
n
P48，7，8题。
19
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
周围的硅原子多一个电子电荷的正电中心和一个束缚着的价电子相当于在硅晶体上附加了一个氢原子所以可以用氢原子模型估计以参入硅中的磷原子为例磷原子比的数值
第二章 半导体中的杂质和缺陷能级
n
硅和锗中的杂质能级
1. 施主杂质和施主能级
2.
受主杂质和受主能级
n n n n n
类氢模型 杂质补偿 深能级 Ⅲ—Ⅴ族化合物半导体中的杂质 缺陷与缺陷能级
N A − N D 为有效杂质浓度，(P型半导体)
当：
ND N A：
NA ND ：
n ≈ ND
p ≈ NA
10
高度补偿
n
杂质高度补偿
N D ≈ N A 时，由于施主电子刚好填充受主能级，几乎不向导 带和价带提供电子和空穴。这种情况称为杂质的高度补 偿。
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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玻尔原子模型
玻尔原子电子的运动轨道半径为：
rH
oh2 mo q2
n2
n=1为基态电子的运动轨迹
玻尔能级：
En
moq4 8 o2h2n2
半导体中的杂质和缺陷表现
(2)受主电离能和受主能级
受主电离能△EA=空穴摆脱受主杂质束缚成为导电 空穴所需要的能量
受主能级EA：被受主杂质所束缚的空穴能量
Ec
EAEAEV
△EA
EA
Ev
半导体中的杂质和缺陷表现
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。
Ec
+ ED
Ev
施主电离能
施主电离能△ED=弱束缚的电子摆脱杂质原子 束缚成为晶格中自由运动的 电子（导带中的电子）所需 要的能量
EC △ED =EC－ ED ED
EV
半导体中的杂质和缺陷表现
施主杂质的电离能小， 在常温下基本上电离。
晶 体P
杂质 As Sb
Si 0.044 0.049 0.039
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%。
半导体中的杂质和缺陷表现
(1) 间隙式→杂质位于组成
半导体的元素或离子的格
点之间的间隙位置。
Li：0.068nm
(2) 替位式→杂质占据格点的 位置。大小接近、电子壳层
Si
Si
Si
Li
Si
P
Si
结构相近
Si：r=0.117nm
重点 掌握锗、硅晶体中的杂质能级， Ⅲ-Ⅴ 族化合物半导体的杂质能级。
施主/受主 施主杂质/受主杂质
浅能级杂质电离能的计算
施主能级/受主能级 浅能级杂质/深能级杂质
杂质补偿作用
半导体中的杂质和缺陷表现
§2-1 元素半导体中的杂质能级
•杂质——与本体元素不同的其他元素
一、杂质存在的方式
➢ 1、杂质存在方式
b空穴浓度p 〉电子浓度n
N型和P型半导体都半称导体为中的杂极质和性缺陷半表现 导体
多子——多数载流子
少子——少数载流子
N型半导体导带电子数由施主决定，半导体 导电的载流子主要是电子。电子为多子，空 穴为少子。
P型半导体价带空穴数由受主决定，半导体导 电的载流子主要是空穴。空穴为多子，电子 为少子。
施主和受主浓度：ND、NA
半导体中的杂质和缺陷表现
半导体中的杂质和缺陷表现
N型半导体
特征：
a 施主杂质电离，导带中 出现施主提供的导电电子
- - - - EC + + + + ED
b 电子浓度n 〉空穴浓度p
Eg
P 型半导体
特征：
a 受主杂质电离，价带中 出现受主提供的导电空穴
----
EA + + + + EV
半导体中的杂质和缺陷表现
实际半导体： 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。
杂质半导体
半导体中的杂质和缺陷表现
主要内容
➢ §2-1 元素半导体中的杂质能级 ➢ §2-2 化合物半导体中的杂质能级 ➢ §2-3缺陷、位错能级
半导体中的 杂质和缺陷表现
半导体中的杂质和缺陷表现
理想半导体：
1、原子严格周期性排列，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。 本征半导体——晶体具有完整的（完美的）晶格 结构，无任何杂质和缺陷。由本征激发提供载流 子。
半导体中的杂质和缺陷表现
施主杂质 施主能级
电离时，P原子能够提供导电电子并形成正电
中心，称为施主杂质。
被施主杂质束缚的电子
的能量比导带底Ec低，
称为施主能级，ED。
施主杂质少，原子间相
互作用可以忽略，杂质
△ED+ +
Eg
的施主能级是具有相同
能量的孤立能级．
施主浓度：ND 半导体中的杂质和缺陷表现
++
半导体中的杂质和缺陷表现
杂质半导体中杂质载流子浓度远高于 本征载流子浓度
例如：Si 在室温下，本征载流子浓度为 1010/cm3，
掺入P的浓度/Si原子的浓度=10-6 Si的原子浓度为1022～1023/cm3
施主向导带提供的载流子 =1016～1017/cm3 》 本征载流子浓度
半导体中的杂质和缺陷表现
晶
杂质
体B
0.065
Ge 0.01 0.01 0.011
含有受主杂质的半导体，其导电的载流子主要 是空穴——P型半导体，或空穴型半导体。
半导体中的杂质和缺陷表现
小结！
施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半 导体中提供导电的电子，并成为带正电的离 子。如Si中掺的P 和As 受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向 半导体提供导电的空穴，并成为带负电的离 子。如Si中掺的B
上述杂质的特点：
杂质能级在禁带中的位置
施主杂质：
很接近导E带D底Eg
受主杂质： EA Eg 很接近价带顶
浅能级杂质
杂质的双重作用：
改变半导体的导电性 决定半导体的导电类型
半导体中的杂质和缺陷表现
4. 浅能级杂质电离能的简单计算
施主
+
-
受主
-
+
类氢模型
浅能级杂质=杂质离子+束缚电子（空穴）
半导体中的杂质和缺陷表现
半导体中的杂质和缺陷表现
3. 杂质半导体
杂质激发
杂质向导带和价带提供电子和空穴的过程（电 子从施主能级向导带的跃迁或空穴从受主能级 向价带的跃迁）称为杂质电离或杂质激发。具 有杂质激发的半导体称为杂质半导体
N型和P型半导体都是杂质半导体
本征激发
电子从价带直接向导带激发，成为导带的自由 电子，这种激发称为本征激发。只有本征激发 的半导体称为本征半导体。
Si
Si
Si
B：r=0.089nm
半导体中杂质存在方式
P：r=0.11nm
半导体中的杂质和缺陷表现
二、元素半导体的杂质
1. VA族的替位杂质——施主杂质
在硅Si中掺入P
Si
Si
Si
Si
P+
Si
磷原子替代硅原 子后，形成一个 正电中心P＋和一 个多余的价电子
Si
Si
Si
束缚态—未电离 离化态—电离后
Ge 0.0126 0.0127 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
半导体中的杂质和缺陷表现
2. ⅢA族替位杂质——受主杂质
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－－
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