半导体中的杂质和缺陷

氢原子中的电子的电离能为：
mo q EH 13 . 6 eV 2 2 8 o h
4
施主的电离能
设 施主杂质能级为ED
施主杂质的电离能△ED：即弱束缚的电子 摆脱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
△ED=EC-ED
Eg
施 主 电 离 能： △ED=EC-ED
○ ● ○ ●
-
● ●
+
+
○ ● ○ ●
-
● ○ ● ○
+
○ ● ○ ●
-
+
○ ● ○
-
+
-
+
产 生 正 电 中 心， 起 施 主 作 用
-
+
-
+
-
+
-
施主杂质具有提供电子的能力。
导带电子
电离施主 P+
(2)施主电离能
对氢原子
n=1→基态，电子的能量为 E1 n=∞→电离态，电子的能量为 E∞
氢原子中电子的能量
m0 q En 2 2 2 8 0 h n
4
电子从稳定的基态到电离态所需 要的能量就是电子的电离能△E：
E E E1
EV
m 1 m0 q ED 2 2 2 m0 r 8 0 h 8 h m 1 E H 2 m0 r EC ED
* e
mq
* 4 e 2 2 2 r 0
* e
4
对于Si、Ge掺P
m = 0.26m0 , m
* eSi
* eGe
= 0.12m0
2
rSi 12, rGe 16, r 100
对于Si中的P原子， 剩余电子的运动 半径：r ~ 65 Å
○
对于Ge中的P 原子，r 85 Å
P原子中这个多余的电子的运动半径远 远大于其余四个电子，所受到的束缚 最小，极易摆脱束缚成为自由电子。
施主杂质:
束缚在杂质能级上的电子被激发到导带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。
点缺陷，如空位、间隙原子等
缺陷
线缺陷，如位错等 面缺陷，如层错、晶粒间界等
§2.1 半导体中的浅能级杂质和缺陷
一、杂质存在的方式和缺陷类型
1.存在方式
(1)间隙式杂质：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。
金刚石结构中，一个晶胞内的原子占晶 体原胞的 34%，空隙占 66%。 间隙式杂质原子较小，如 Li、H
当 Ga 的位置被 As 取代后，多出一个电 子，相当于施主；
当 As 的位置被 Ga 取代后，少一个电子， 相当于受主。
●
实际晶体中，由于各种缺陷形成时所需要 的能量不同，他们浓度会有很大差别。
GaAs 曾认为VAs、VGa是比较重要的。 最近发现，主要缺陷是VAs、AsI。
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。
●中性杂质 Ⅲ 族元素（ B 、 Al 、 In ）和Ⅴ族元 素（P、Sb）在 GaAs 中通常分别 替代 Ga 和 As，由于杂质在晶格位 置上并不改变原有的价电子数，因 此既不给出电子也不俘获电子而呈 电中性，对 GaAs 的电学性质没有 明显影响。
在禁带中不引入能级
● 两性杂质
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。
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 10 3 浓度为 10 /cm ，掺入 P：
P 的浓度/Si 原子的浓度=10
22 23
-6
Si 的原子浓度为 10 ～10 /cm
3
施主 P 向导带提供的载流子 16 17 3 =10 ～10 /cm ＞＞本征载流子浓度
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（电子数>>空穴数），对应的半导体称 为N型半导体。 称电子为多数载流子，简称多子，空穴 为少数载流子，简称少子。
2.元素半导体中ⅢA族替位杂质的能级
（1）在 Si 中掺入 B
＋
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。
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。
此时为n型半导体
(2) ND<NA
Ec
电离施主
电离受主
ED
EA Ev
p=NA- ND
此时为p型半导体
(3) ND≈NA
杂质的高度补偿
Ec ED
不能向导带和价 带提供电子和空穴
EA
Ev
4.元素半导体中的缺陷
(1)空位
= = = Si = Si = ‖ ︱ Si － 〇 － ‖ ︱ Si = Si = ‖ ‖ Si ‖ Si ‖ Si ‖ = = =
○-—负离子 ●+—正离子
○- ●+ ○- ●+ ○●+ ○- ●+ ○- ●+ ○- ●+ ○- ●+ ○●+ ○- ●+ ○- ●+
a.负离 子空位
○ ● ○
-
● ○ ● ○
+
○ ●
-
● ○
+
○ ●
-
+
-
+
-
+
-
+ -
● ●
+
+
○ ●
-
电负性 小
●
+
-
= = = Si ‖ Si ‖ Si ‖ = = = Si ‖ + P ‖ Si ‖ =
●
正电中心
= =
Si ‖ Si ‖ Si ‖
= = =
氢原子中的电子的运动轨道半径为：
oh 2 rH n 2 moq
2
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：
+
(2)替位式杂质：杂质占据格点的位置。
Si：r =0.117nm Li：r =0.068nm P：r =0.11nm
= = =
Si = Li ‖ Si = ‖ Si = ‖
Si = ‖ + P = P Si ‖ Si = ‖
●
●
Si ‖ Si ‖ Si ‖
ED,Si 0.04eV, ED,Ge 0.064eV
Ec ED Ev
ED EC ED
施主能级靠近导带底部
在 Si 中，掺 P： △ED=0.044eV As： △ED=0.049eV Sb： △ED=0.039eV
施主杂质的电离能小， 在常温下基本上电离。
导带
价带
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。
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 1×1018 cm-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 1018 cm-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。
○
-
+
●原子失去电子后
○ ● ○ ●
-
● ○ ● ○
+
○ ●
-
● ○
+
○ ●
+
-
+
-
+
-
+
-
+
● ●
+
○ ●
+
-
产 生 正 电 中 心， 起 施 主 作 用
+
-
○
-
b.正离 子填隙
○ ● ○ ●
-
● ● ○ ● ○
+
○ ● ○ ●
-
● ○ ● ○
+
○ ● ○ ●
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
●原子失去电子后：
（2）GaAs 晶体中的点缺陷
当 T ＞ 0 K 时：
● 空位 VGa、VAs
● 间隙原子 GaI、AsI
● 反结构缺陷 — Ga原子占据 As 空位，或 As 原子占据 Ga 空 位，记为 GaAs和 AsGa。
化合物晶体中的各类点缺陷可以电离， 释放出电子或空穴，从而影响材料的 电学性质。
●
= = =
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。
杂质能级位于禁带之中
Ec
杂质能级
Ev
2.缺陷的类型
(1)空位和间隙
Si = Si = Si = ‖ ︱ ‖ = Si － 〇 － Si = ‖ ︱ ‖ = Si = Si = Si = ‖ ‖ ‖ =
掺受主的半导体的价带空穴数由受 主决定，半导体导电的载流子主要是空 穴（空穴数>>电子数），对应的半导体 称为P型半导体。
空穴为多子，电子为少子。
3. 杂质的补偿作用
半导体中同时存在施主和受主杂质， 施主和受主之间有互相抵消的作用 (1) ND＞NA
Ec
ED
电离施主 电离受主
EA
Ev
n=ND-NA
原子的空位起受主作用
(2) 间隙
Si
Si
Si
Si Si
Si
Si
Si
Si
Si
间隙原子缺陷起施主作用
三、 化合物半导体中的杂质和缺陷
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 = ‖
受主能级EA
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）。
杂质电离或杂质激发： 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）。
所需要的能量称为杂质的电离能。
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~。
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。
(2)受主电离能和受主能级
mP 1 E A E H 2 mo r
*
mP 0.05 ~ 0.1mo
Ec
*
EA Ev
EA EA EV
受主能级靠近价带顶部
Si、Ge中 Ⅲ 族杂质的电离能△EA（eV） 晶体 杂 质 B Al Ga In Si 0.045 0.057 0.065 0.16 Ge 0.01 0.01 0.011 0.011
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。
(1)杂质
●掺Ⅰ族： P 型
●掺Ⅲ族： N 型
●掺Ⅴ族： P 型
●掺Ⅶ族： N 型
（2）Ⅱ-Ⅵ 族化合物半导体中的缺陷
主要是离子键起作用，正负离子相间排 列组成了非常稳定的结构，所以外界杂 质对它们性能的影响不显著。 其导电类型主要是由它们自身结构的缺 陷（间隙离子或空格点）所决定，这类 缺陷在半导体中常起施主或受主作用。
( r ) Si o h 2 r n * 2 me q
2
( r ) Si 12
m 0.1m0
* e
电子基态的运动半径为：
12 o h r 1 65 埃 2 0.4moq
2
●Si ●P
Si的晶格常数为 5.4Å
● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●
第二章 半导体中的杂质和缺陷
杂质 缺陷 原子在平衡位置附近振动实际半导体晶格偏离理想情况
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
杂质：半导体中存在的与本体元素不同的
其它元素。
浅能级杂质：能级接近导 带底 Ec 或价带顶 Ev；
深能级杂质：能级远离导 带底 Ec 或价带顶 Ev。
= = =
Si = ‖ Si = ‖ Si Si = ‖
Si ‖ Si ‖ Si ‖
= = =
Si = ‖ Si = ‖ Si = ‖
(2)替位原子
化合物半导体: A、B 两种原子组成
A B A B A B A
A B A
B A B
A
二、元素半导体的杂质和缺陷
1.ⅤA 族的替位杂质
(1)在硅 Si 中掺入 P
=
-
●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。
●受主杂质 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。 Ⅱ族元素杂质在 GaAs 中通常起受主作用， 均为浅受主杂质。