当前位置：文档之家 › 第二章半导体中杂质和缺陷能级-朱俊-09

第二章半导体中杂质和缺陷能级-朱俊-09

  • 格式：ppt
  • 大小：7.80 MB
  • 文档页数：78

下载文档原格式

  / 78

合集下载

半导体物理第2章 半导体中杂质和缺陷能级

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

第二章 半导体中得杂质与缺陷能级

第二章 半导体中得杂质与缺陷能级

第二章 半导体中杂质与缺陷能级引言根据杂质能级在禁带中得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、缺陷得种类点缺陷,如空位、间隙原子;线缺陷,如位错;面缺陷,如层错、多晶体中得晶粒间界等§2、1硅、锗晶体中得杂质能级一、杂质与杂质能级杂质:半导体中存在得与本体元素不同得其它元素。

杂质出现在半导体中时,产生得附加势场使严格得周期性势场遭到破坏。

单位体积中得杂质原子数称为杂质浓度。

杂质能级:杂质在禁带中引入得能级。

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得间隙位置,形成该种杂质时,要求其杂质原子比晶,形成该种杂质时,要求其原子得大小与被取代得晶格原子得大小比较接近,而且二者得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得位置。

磷原子有5个价电子,其中4个价电子与周围得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,其效果就是形成一个正电中心P +与一个多余得价电子。

这个多余得价电子就束缚在正电中心P +得周围。

但就是,这种束缚作用比共价键得束缚作用弱得多,只要有很少得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,这就是磷原子就成为少了一个价电子得磷离子(P +),它就是一个不能移动得正电中心。

上述电子脱离杂质原子得束缚成为导电电子得过程称为杂质电离。

使这个多余得价电子挣脱束缚成为导电电子所需得能量称为杂质电离能,用表示。

间隙式杂质替位式杂质Ⅴ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,称它们为施主杂质或n 型杂质。

它释放电子得过程叫做施主电离。

施主杂质未电离时就是中性得,称为束缚态或中性态,电离后成为正电中心,称为离化态。

第二章半导体中杂质和缺陷能级

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

半导体中的杂质能级和缺陷能级

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。

第二章半导体中的杂质和缺陷能级

第二章半导体中的杂质和缺陷能级

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§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。

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

24
2.3.1 点缺陷
2.3.1 点缺陷
2.3.2 位错
汇报完毕！谢谢！
• Si中几种Ⅴ族施主电离能如下：
• Si中几种Ⅲ族受主电离能如下：
杂质基态的玻尔半径〔Bohr):
aB m0*shq22 s(m m0*)a0 0.52s(m m0*)
a0是氢原子基态的径 玻尔半
2.1.5 杂质的补偿作用
当同一块半导体中同时存在施主杂质和受主杂质时， 这种两种不同类型的杂质有互相抵偿的作用，称为杂 质补偿作用。
19
2.1.6 深能级杂质
深能级杂质的作用 1. ΔED，ΔEA 较大，杂质电离作用较弱，对载流子〔导电电 子和空穴〕浓度影响较小； 2. 对载流子的复合作用较大〔复合中心〕，降低非平衡载流 子的寿命。
2.2 III-V族化合物中的杂质能级
2.2.1 GaAs中的杂质
等电子杂质 (等电子陷阱〕
补偿后半导体中的净杂质浓度为有效杂质浓度，只 有有效的杂质浓度才能有效地提供载流子浓度。
空间角度的理解：施主周围有多余的价电子，受主 周围缺少价电子，施主多余的价电子正好填充受主周 围空缺的价键电子，使价键饱和，使系统能量降低， 稳定状态。
16
2.1.5 杂质的补偿作用 能带角度的理解：
n＝ N D － N AN D
• 在Si、Ge元素半导体和Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体等最重要的 半导体材料中发现： 参加多一个价电子的元素，如在Si 、 Ge中参加P、As、Sb，或在Ⅲ－Ⅴ族化合物中参加Ⅵ族元素， 这些掺入的杂质将成为施主；
• 参加少一个价电子的元素，如在Si 、Ge中参加Al 、Ga、 In，或在Ⅲ－Ⅴ族化合物中参加Ⅱ族元素，这些掺入的杂 质将成为受主；
A－间隙式杂质原子：原子半径比较小

半导体物理：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
2.1.3 受主杂质 受主能级
受主杂质
硼原子电离生成空穴
空穴
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
2.1.3受主杂质、受主能级
空穴束缚在Ⅲ族原子附近，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Ⅲ族原子形成一个不能移动的负电中心。 硅、锗中的Ⅲ族杂质，能够接受电子而在价带中产生空穴，
第二章半导体中的杂质和缺陷能级
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 2.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的杂质能级 2.3 缺陷和位错的能级
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
2.1.1 替位式杂质 间隙式杂质
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；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。
m0mn*, mp*; 0 r0
施主杂质的电离能：ED
mn*q 4
8
r2
2 0
h
2
mn* m0
E0
2 r
13.6 mn*
m0
2 r
Si: mn* 0.26m0 r 12 ED 0.025eV
Ge: mn* 0.12m0 r 16 ED 0.0064eV
受主杂质的电离能
E A
mP* q 4
EC EA3 EA2 Ei EA1 ED EV
金在锗中的能级
0.04 0.20
0.15 0.04
2.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的杂质能级
1、Ⅱ族元素为受主杂质 铍、镁、锌、镉取代Ⅲ族原子而处
于晶格格点上，引入浅受主能级
GaAs、GaP晶体中受主杂质的电离能

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
硼原子接受电子，称为受主原子。 B为受主杂质(p型杂质)。 本征半导体掺B后成为p型半导体（空穴半导体）
Si
Si
Si B-
+
Si
Si Si
Si
Si
硅中的受主杂质
第二章
硼原子占据了硅原子的位置。 硼原子有三个价电子．它和周围的四个硅 原子形成共价键，但缺少一个电子，必须从别 处的硅原子中夺取一个价电子，在硅晶体的共 价键中产生一个空穴。
第二章
半导体中杂质 和缺陷能级
例题 施主杂质电离后向半导体提供（ 受主杂质电离后向半导体提供（ 本征激发向半导体提供（ A、B ） A. 空穴 B. 电子
B A
）， ），
第二章
七 浅能级杂质
半导体中杂质 和缺陷能级
硅、锗中的Ⅲ 、V族杂质的电离能都很 小，所以受主能级很接近于价带顶，施主能 级很接近于导带底。这些杂质能级称为浅能 级，产生浅能级的杂质称为浅能级杂质。 室温下，晶格原子热振动的能量会传 递给电子，可使硅、锗中的Ⅲ、Ⅴ族杂质 几乎全部离化，称为全电离
晶体
Si
杂 质
P
0.044
As
0.049
Sb
0.039
Ge
0.0126
0.0127
0.0096
第二章
四、施主能级和施主电离 施主能级：
半导体中杂质 和缺陷能级
将被施主杂质束缚的电子的能量状态，ED EC Δ ED ∵ΔED《Eg， ⊕ ⊕ ED ∴施主能级离导带 Eg 底很近 EV 电子得到能量ΔED，从施主的束缚态跃迁到导带 成为导电电子，所以电子被施主杂质束缚时的能量 比导带底EC低ΔED 。
  1. 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. 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. 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)。

Eg为 硅、锗在T=0K 时的Eg为1.170eV和0.7437eV 锗在T=0K 时的Eg 1.170eV和
How to calculate it?
浅施主杂质电离能的计算（类氢原子模型） 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
束缚态：杂质未电离， 束缚态：杂质未电离，中性
施主杂质
离化态： 离化态：杂志电离成为正电 中心， 中心，释放电子
EC ED Eg EV
△ED=EC-ED
施 主 电 离 能：△ED=EC-ED
施主杂质： 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， 到导带 成为导带电子，该杂质电离后成为正电 成为导带电子 正离子）。 ）。这种杂质称为 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） 、 中 族杂质的电离能△ ） 晶体 Si Ge 杂 P 0.044 0.0126 质 As 0.049 0.0127 Sb 0.039 0.0096
杂质的出现：
有意掺杂
杂质和缺陷对能带结构的影响： 杂质和缺陷对能带结构的影响： 在半导体的禁带中引入杂质或缺陷能级 影响半导体的电、光性质。 影响半导体的电、光性质。
根据杂质能级在禁带中的位 将杂质分为： 置，将杂质分为：
浅能级杂质→ 浅能级杂质→能级接近导 带底 Ec 或价带顶 Ev； ；
深能级杂质→ 深能级杂质→能级远离导带 。 底 Ec 或价带顶 Ev。
2、缺陷（点缺陷）的类型 、缺陷（点缺陷）
⑴ 空位和填隙 在一定温度下， 在一定温度下，晶格原子在平衡位置附近振动 有一部分原子获得足够的能量， 中，有一部分原子获得足够的能量，克服周围 原子对它的束缚而挤入晶格原子间隙，成为间 原子对它的束缚而挤入晶格原子间隙，成为间 隙原子，原来的位置成为空位 空位。 隙原子，原来的位置成为空位。它们成对出现 －－Frenkel缺陷。 缺陷。 －－ 缺陷 如在晶体中只形成空位而无间隙原子－－肖特 如在晶体中只形成空位而无间隙原子－－肖特 －－ 缺陷。 基缺陷。
3、受主 受主(acceptor)能级 能级
举例： 中掺硼 中掺硼B（ ： ） 举例：Si中掺硼 （Si：B）
（1） ） 价带空穴 电离受主 B-
Si（4价）被B（3价）所取代示意图： （ 价 示意图： （ 价 所取代示意图
受主杂质 能 级 图：
负电中心 空穴
电离的结果：价带中的空穴数增加了， 电离的结果：价带中的空穴数增加了，这即是
Chapter 2 Impurity and defect energy level in semiconductor
前
言
半导体的杂质工程(doping engineering)： 半导体的杂质工程 ：
在纯净的半导体中掺入一定量不同类型的杂质， 在纯净的半导体中掺入一定量不同类型的杂质， 掺入一定量不同类型的杂质 并通过对其数量和在空间的分布精确地控制， 并通过对其数量和在空间的分布精确地控制，实 现对电阻率和少子寿命的有效控制，从而人为地 现对电阻率和少子寿命的有效控制，从而人为地 改变半导体的电学性质， 改变半导体的电学性质，如n型半导体和 型半导 型半导体和p型 体。 原因：杂质能级的产生－－晶体的势场的周期性 原因：杂质能级的产生－－晶体的势场的周期性 －－ 受到破坏而产生附加势场， 受到破坏而产生附加势场，使得电子或空穴束缚 在杂质周围，产生局域化的量子态即局域态， 在杂质周围，产生局域化的量子态即局域态，使 能带极值附近出现分裂能级－－杂质能级。 能带极值附近出现分裂能级－－杂质能级。 －－杂质能级
εrεoh 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
对上述氢原子模型修正 对上述氢原子模型修正
修正
(ε r )Si ε o h 2 r = n * 2 me π q
2
(ε r ) Si = 12
m e = 0.4 m o
*
电子基态的运动半径为： 电子基态的运动半径为：
12ε o h r = × 1 ≈ 65 A° 2 0.4moπ q
2
对于Si中的 原子 剩余电子的运动半径： 对于 中的P原子，剩余电子的运动半径： 中的 原子，
●Si ●P
● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●
族元素， 硅、锗是Ⅳ 族元素，与Ⅲ 、Ⅴ族元素的情况比 较相近，它们在硅、锗晶体中都是替位式杂质。 较相近，它们在硅、锗晶体中都是替位式杂质。
= = = Si ‖ Si ‖ Si ‖ = = = Si ‖ + P ‖ Si ‖ =
●
= =
Si ‖ Si ‖ Si ‖
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
= = =
单位体积中的杂质原子数称－－杂质浓度 单位体积中的杂质原子数称－－杂质浓度 －－
△ED EC ED
me 1 ∆E D = = 2 2 2 2 mo ε r 8ε r ε o h
me g
*
4
*
mo g 2 2 8ε o h
氢原子基态 电子的电离 能13.6eV
4
me 1 = ∆EH 2 mo ε r
= E c －E D
*
如对于在Si、 中掺 中掺P： 如对于在 、Ge中掺 ：
碱金属原子在半导体尤其在Si中的易扩散，引起器件 碱金属原子在半导体尤其在 中的易扩散， 中的易扩散 性能的恶化
(2)替位式→杂质占据格点的位置，大 替位式→ 替位式 杂质占据格点的位置，
小接近，价电子壳层结构相近。 小接近，价电子壳层结构相近。
Si：r=0.117nm B：r=0.089nm P：r=0.11nm
△ED=0.044ev △ED=0.049ev △ED=0.039ev
相当
kT=0.026eV 施主杂质的电离能小， 施主杂质的电离能小，在常温下基本上 全部电离。 全部电离。
含有施主杂质的半导体， 含有施主杂质的半导体 ， 其导电的载 流子主要是电子— 型半导体， 流子主要是电子 — N 型半导体 ， 或电 子型半导体。 子型半导体 。
P原子具有提供电子的能力，故称 原子具有提供电子的能力， 原子具有提供电子的能力 其为施主杂质 施主杂质。 其为施主杂质。
同理： 同理：
原子，剩余电子的运动半径： 对于 Ge 中的 P 原子，剩余电子的运动半径：
r ≈ 85 A°
⑵ 施主电离能
n=1→基态， n=1→基态，电子的能量为 E1 n=∞→电离态， ∞→电离态 n=∞→电离态，电子的能量为 Eo
m
* eSi
= 0.26m0 , m
* eGe
= 0.12m0
2
ε rSi = 12, ε rGe = 16, ε r ≥ 100
所以： 所以： D ED , Si = 0.04eV , D 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： As： As： Sb： Sb：
本征半导体（ 本征半导体（intrinsic）能带： ）能带：
Eg
没有 能级
实际半导体（ 实际半导体（extrinsic）： ）：
1、晶体中晶格位置的原子在平衡位置振动 、
点缺陷 空位 位错 层错
缺陷的出现：
线缺陷 面缺陷
2、和晶体基质原子不同的杂质原子的存在 、
无意掺杂 源材料和工艺 有目的控制 材料性质
掺受主的意义所在。 掺受主的意义所在。
EC Eg
△EA
EA EV
受主 电 离 能： △EA=EA-EV
受主杂质： 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， 到价带Ev成为价带空穴，该杂质电离后成为负电 Ev成为价带空穴 中心（负离子）。这种杂质称为受主杂质。 负离子）。这种杂质称为 ）。 Si、Ge中Ⅲ族杂质的电离能△EA（eV）实验值 、 中 族杂质的电离能△ ） 晶体 杂 B Al Ga Si 0.045 0.057 0.065 Ge 0.01 0.01 0.011 质 In 0.16 0.011
本章主要内容： 本章主要内容：
1、硅、锗中的浅能级和深能级杂质以及和杂 质能级，浅能级杂质电离能的计算， 质能级，浅能级杂质电离能的计算，并了解杂 质补偿作用。 质补偿作用。 中的杂质能级， 2、III-V族化合物主要是 III- 族化合物主要是GaAs中的杂质能级， 主要是 中的杂质能级 理解等电子陷阱、 理解等电子陷阱、等电子络合物以及两性杂质 等概念。 等概念。
§2-1 半导体中的杂质和缺陷
一、杂质存在的方式和缺陷类型 1、存在方式： 、存在方式：
(1)间隙式→杂质位于组成半导体的元 间隙式→ 间隙式 素或离子的格点之间的间隙位置。 素或离子的格点之间的间隙位置。
Note: 间隙式原子的半径一般比较小。 间隙式原子的半径一般比较小。
金刚石结构中， 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%。 ， 。 Li、H 在硅、锗、砷化镓中是以间隙式杂质。 砷化镓中是以间隙式杂质。 、 在硅、