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半导体物理学 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
半导体物理半导体中的杂质和缺陷能级

半导体物理半导体中的杂质和缺陷能级


3、杂质能级
1）类氢模型杂质电离能的简单计算
氢原子的电子能级
氢原子的电离能
E0
E
E1
m0 q 4
8 02 h 2
13.6
eV
杂质电离能
ED, A
mn*, pq4
8
2
2 0
h
2
mn*, p
m0 2
13.6
eV
锗、硅的介电常数ε分别为16和12，因此，杂质在锗、硅
晶体中的电离能分别为0.05 m*/ m0和0.1 m*/ m0。因为 m*/ m0一般小于l，所以，锗、硅中的杂质电离能一般小 于0.05eV和0.1eV。 （表1-3）
• 2、两性杂质及其能级
1）同位异性杂质 • 特点：同样环境下既可为施主，也可是受主，但施主
能级位于受主能级之下，因为对这种杂质而言，接受 一个电子是比释放一个电子更高的能量状态。
2）异位异性杂质 化合物半导体中特有的杂质行为。在这种情况下，杂质 的作用与III族和V族杂质原子在VI族元素半导体中的行 为相似，而与上述同位异性双性原子所受到的约束不同， 行为不同，其施主能级和受主能级一般都是浅能级.
• 异位异性双性杂质 SiGa与 SiAs自身的相互补偿
杂质浓度
3、等电子杂质及其能级
1）等电子杂质
与被替换的主体原子具有相同价电子数，但因原子序数 不同而具有不同共价半径和电负性，因而能俘获电子或 空穴，故常称之为等电子陷阱。
氮的共价半径和电负性分别为 0.07 nm 和 3.0 (Pauling)，磷的 共价半径和电负性分别为 0.11 nm和 2.1；氮有较强的俘获电 子倾向，在GaP中取代磷后能 俘获电子成为负电中心。
EV
EV
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
固体与半导体物理-第九章 半导体中的杂质和缺陷能级

固体与半导体物理-第九章 半导体中的杂质和缺陷能级

贵州大学新型光电子材料与技术研究所
• 等电子陷阱俘获载流子后成为带电中心，这一带电中心又 能俘获另一种相反符号的载流子，形成束缚激子。这种束 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。
• 填隙式杂质：杂质原子位于格点之间的间隙式位置。填隙 式杂质一般较小。
贵州大学新型光电子材料与技术研究所
贵州大学新型光电子材料与技术研究所
2. 施主杂质和施主能级（以Si、Ge为例） • V族元素（如P）进入到在Si、Ge晶体中时，与近邻原
子形成四个共价键，还有一个多余的电子，同时原子 所在处成为正电中心。 • V族元素取代Si、Ge后，其效果是形成一正电中心和一 多余的电子，多余的电子只需很小的能量即可跃迁至 导带成为自由电子。 • Si、Ge 晶体中的V族杂质能提供多余的电子，因此称 为施主杂质。存在施主杂质的半导体导电时以电子导 电为主，称n型半导体。
• 深能级测量：深能级瞬态谱仪。
贵州大学新型光电子材料与技术研究所
9.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物中的杂质能级
• Ⅲ-Ⅴ族化合物也是典型的半导体，具有闪锌矿型结构，杂质进 入到半导体中，既可以占据正常格点位置成为替位式杂质，也 可以占据格点间的间隙位置成为填隙式杂质。
• 因为Ⅲ-Ⅴ族化合物中有两种不同的原子，因而杂质进入到ⅢⅤ族化合物中情况要复杂得多：杂质替位式杂质既可以取代Ⅲ 族元素的原子，也可以取代Ⅴ族元素的原子。同样，填隙式杂 质如果进入到四面体间隙位置，其周围既可以是四个Ⅲ族元素 原子，也可以是四个Ⅴ族元素原子。
• 只有当掺入原子与基质晶体原子在电负性、共价半径方面 具有较大差别时，才能形成等电子陷阱。
贵州大学新型光电子材料与技术研究所
• 同族元素原子序数越小，电负性越大，共价半径越小。
半导体物理复习归纳

半导体物理复习归纳

半导体物理复习归纳————————————————————————————————作者: ————————————————————————————————日期:一、半导体的电子状态1、金刚石结构（Ｓi、Ge）Si、Ge原子组成，正四面体结构，由两个面心立方沿空间对角线互相平移１/４个空间对角线长度套构而成。

由相同原子构成的复式格子。

2、闪锌矿结构（GaAｓ)３-5族化合物分子构成，与金刚石结构类似,由两类原子各自形成的面心立方沿空间对角线相互平移1/４个空间对角线长度套构而成。

由共价键结合,有一定离子键。

由不同原子构成的复式格子。

3、纤锌矿结构（ＺnＳ)与闪锌矿结构类似，以正四面体结构为基础,具有六方对称性,由两类原子各自组成的六方排列的双原子层堆积而成。

是共价化合物，但具有离子性，且离子性占优。

4、氯化钠结构（NaＣl)沿棱方向平移1／2,形成的复式格子。

5、原子能级与晶体能带原子组成晶体时,由于原子间距非常小,于是电子可以在整个晶体中做共有化运动，导致能级劈裂形成能带。

6、脱离共价键所需的最低能量就是禁带宽度。

价带上的电子激发为准自由电子，即价带电子激发为导带电子的过程,称为本征激发。

7、有效质量的意义a.有效质量概括了半导体内部势场的作用（有效质量为负说明晶格对粒子做负功)b.有效质量可以直接由实验测定c.有效质量与能量函数对于k的二次微商成反比。

能带越窄,二次微商越小，有效质量越大。

8、测量有效质量的方法回旋共振。

当交变电磁场角频率等于回旋频率时,就可以发生共振吸收。

测出共振吸收时电磁波的角频率和磁感应强度,就可以算出有效质量。

为能观测出明显的共振吸收峰，要求样品纯度较高,且实验要在低温下进行。

9、空穴价带中空着的状态被看成带正电的粒子，称为空穴。

这是一种假想的粒子，其带正电荷+q，而且具有正的有效质量m p＊。

10、轻／重空穴重空穴:有效质量较大的空穴轻空穴：有效质量较小的空穴11、间接带隙半导体导带底和价带顶处于不同k值的半导体。

半导体物理学第二章-PPT

半导体物理学第二章-PPT

大家好
9
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
N型半导体
半导体的掺杂
施主能级
大家好
10
2.1.3 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-。硼的能级距价带能级顶部很近，容易得到电子。负电中心B-不能移动；而价带顶的空穴易于被周围电子填充，形成空穴的移动，即“导电空穴”。这种能够接受电子的杂质称之为“受主杂质”，或P型杂质。受主杂质获得电子的过程称之为“受主电离”；受主束缚电子的能量状态称之为“受主能级EA”；受主能级比价带顶EV高“电离能EA” 。
大家好
11
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
P型半导体
半导体的掺杂
受主能级
大家好
12
半导体的掺杂
Ⅲ、Ⅴ族杂质在Si、Ge晶体中分别为受主和施主杂质，它们在禁带中引入了能级；受主能级比价带顶高 ，施主能级比导带底低 ，均为浅能级，这两种杂质称为浅能级杂质。杂质处于两种状态：中性态和离化态。当处于离化态时，施主杂质向导带提供电子成为正电中心；受主杂质向价带提供空穴成为负电中心。
大家好
30
杂质在GaAs中的位置
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
大家好
31
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。
例如，硅在砷化镓中引入一个浅的施主能级，即硅起施主作用，向导带提供电子。当硅杂质浓度达到一定程度后，导带电子浓度趋向饱和，杂质的有效浓度反而降低。
半导体物理基础2

半导体物理基础2


处于热平衡状态的电子系统有统一的费米能级
物理与电子工程学院
费米分布函数
当 T 0K 时
是否被电子占据的一个界限 当 T 0K 时 若 E EF ，则 f ( E ) 1/ 2 若 E EF ，则 f ( E ) 1/ 2 若 E EF ，则 f ( E ) 1/ 2 费米能级是量子态基本上被 电子占据或基本上是空的一 个标志
同理得价带中的空穴浓度
n0 p0 N C NV e
*

EC EV k0T
N C NV e
Eg

Eg k0T
n0 p0
(mn mp ) 2
3
* 3/ 2
k0T 3 k0T ( 2 )e
热平衡状态下的非简并半导体中，在一定 的温度下，乘积 n0 p0 是一定的，如果电子 浓度增大，空穴浓度就会减小；反之亦然
dN f B ( E) gc (E)dE
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导带中的电子浓度 n0
V (2mn ) dN 2 2 3
* 3/ 2
e

E EF k0T
( E EC )1/ 2 dE
dN (2mn ) dn e 2 3 V 2
n0
EC '
* 3/ 2

E EF k0T
f (E) E EF 若 E EF ，则 f ( E ) 1 若 E EF ，则 f ( E ) 0 1 e k0T 在热力学温度为0度时，费米能级 EF 可看成量子态
1
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玻尔兹曼分布函数
E EF ) 1 ， 当E EF k0T 时，由于 exp( k0T 所以 E EF E EF 1 exp( ) exp( ) k0T k0T
半导体中的杂质和缺陷

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)
添加标题
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
单击此处添加小标题
03
单击此处添加小标题
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01
2.1.3 受主杂质、受主能级3
半导体物理 第二章 杂质能级剖析

半导体物理 第二章 杂质能级剖析


EA
m
E0 m0 r 2
* p
可得同一个数量级 ED 0.025eV (Si)
§2.1.5 杂质的补偿作用
杂质补偿：半导体中存在施主杂质和受主杂质时， 它们底共同作用会使载流子减少，这种作用称为 杂质补偿。在制造半导体器件底过程中，通过采 用杂质补偿底方法来改变半导体某个区域底导电 类型或电阻率。
施主杂质的电离过程，可以 用能带图表示 如图2-4所示.当电子得到能ED 量后，就从施主的束缚态跃 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 E 低 。 E 将被施主杂质束缚的电子的 E 能量状态称为施主能级，记 为 ED ，所以施主能级位于 离导带底很近的禁带中
§2.1.3 受主杂质 受主能级
使空穴挣脱束缚成为导电空穴所需要的能量称为 受主杂质电离能 受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离 子，同时向价带提供空穴，使半导体成为空穴导 电的p型半导体。
§2.1.3 受主杂质 受主能级
受主杂质的电离过程，可 以用能带图表示 如图2-6所示.当空穴得到 EA 后，就从受主的束 能量 缚态跃迁到价带成为导电 空穴，所以电子被受主杂 EV 质束缚时的能量比价带顶 高 E 。将被受主杂质 束缚的空穴的能量状态称 为受主能级，记为 ，所 E 以受主能级位于离价带顶 很近的禁带中
§2.1.2 施主杂质 施主能级
上述电子脱离杂质原子的束缚成为导电电子的 过程称为杂质电离 使个多余的价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 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，使半导体成为电 子导电的n型半导体。
§2.1.2 施主杂质 施主能级
§2.1.4 浅能级杂质电离能的简单计算
半导体物理半导体中的杂质和缺陷

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
半导体物理课件-化合物半导体中的杂质能级

半导体物理课件-化合物半导体中的杂质能级

应该是A原子的格点上为B原子所占据，应为B 原子的格点为A原子所据。
16
二、线缺陷 指位错，分为两类，刃位错和螺位错 ◆刃位错
17
◆螺位错
18
19
棱位错对半导体性能的影响：
1）位错线上的悬挂键可以接受电子变为负电中心，表 现为受主；悬挂键上的一个电子也可以被释放出来而 变为正电中心，此时表现为施主，即不饱和的悬挂键 具有双性行为，可以起受主作用，也可以起施主作用。
7
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。
8
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。
2
●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。
3
●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。
4
●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
5
● 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。

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

刘诺-半导体物理学- 第二章


UESTC Nuo Liu
受 主 电 离 能：△EA=EA-EV
EC
受主电离能（束缚能） 受主电离能（束缚能） 是使被俘获的空摆脱 束缚， 束缚，从而可以参与 传导电流所需的能量。 传导电流所需的能量。 空穴浓度 0>电子浓度 0 空穴浓度p 电子浓度 电子浓度n
EA EV
UESTC Nuo Liu
半导体物理
SEMICONDUCTOR PHISICS
教案：刘诺 教案：刘诺 副教授 独立制作: 独立制作 刘 诺 副教授
电子科技大学 微电子与固体电子学院 微电子科学与工程系 Nuo Liu
UESTC
第二章 半导体中的杂质和缺陷能级
KEY 1、本征激发与本征半导体的特征 、
n0= p0
2、杂质半导体与杂质电离 、
（1）施主与 型半导体 ： ）施主与n型半导体 电子浓度n 空穴浓度 电子浓度 0 >空穴浓度 p0 （2）受主与 型半导体 ： ）受主与p型半导体 电子浓度n 空穴浓度 p0>电子浓度 0 电子浓度
UESTC Nuo Liu
§2.1 Si、Ge晶体中的杂质能级
KEY：1、施主
施主能级 施主电离能 2、受主 受主能级 受主电离能
正、负电荷所处介质： ε = ε0εr 负电荷所处介质：
q2 电势能 U(r) = 4πε0εr r
m q m E0 施 电 能 ED = 主 离 = 2 →(3) m0 εr 8ε ε h
E0 受主电离能 EA = = 2 →(4) m0 εr 8ε ε h m q
* 4 p 2 2 2 0 r
ni——本征载流子浓度 ——本征载流子浓度
UESTC Nuo Liu
（3）n型半导体与p型半导体 型半导体与p

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
金在锗中产生的能级 中性金原子Au0只有一个价电子，它取代锗原子后，金的这一价电子可以电离跃迁到导带，形成深施主能级ED。它也可以从价带接受1~3个电子，形成三个深受主能级。所以，在锗中金有5种荷电状态， Au+, Au0, Au-, Au˭, AuΞ
EC
EV
ED
EA1
ND>>NA
NA>>ND
NA~ND
~
1、当 ND>>NA
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
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NDeff≈ ND-NA
总结
深能级杂质和浅能级杂质
浅能级杂质：引入能级接近导带底Ec的施主杂质或引入能级接近价带顶Ev的受主杂质。其作用是改变半导体导电类型和调节导电能力，例如室温下，硅、锗中III、V族杂质几乎全部电离。 深能级杂质：引入能级远离导带底Ec 的施主杂质或引入能级远离价带顶Ev的受主杂质。一般作为复合中心，它对载流子和导电类型影响较小。
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
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。
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
表2-1 硅、锗晶体中Ⅴ族杂质的电离能(eV)
EC
EV
ED
EA
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
2、 当NA>>ND 施主能级上的全部电子跃迁到受主能级上，受主能级上还有NA-ND个空穴，它们可接受价带上的NA-ND个电子，在价带中形成的空穴浓度p= NA-ND. 即有效受主浓度为NAeff≈ NA-ND

《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。 ……….

半导体物理学重点和难点

重点和难点
第一章半导体中的电子状态
1、Si和GaAs的晶体结构
2、Ge、Si和GaAs的能带结构
3、本征半导体及其导电机构、空穴
4、本征半导体及其导电机构、空穴
第二章半导体中的杂质和缺陷
l、本征激发与本征半导体的特征 2、杂质半导体与杂质电离第三章半导体中载流子的统计分布
1、热平衡态时非简并半导体中载流子的浓度分布
2、费米能级E F的相对位置。

第四章半导体中的导电性
1、迁移率
2、散射——影响迁移率的本质因素
3、电导率
4、弱电场下电导率的统计理论
第五章非平衡载流子
1、非平衡载流子的产生
2、非平衡载流子的复合
3、非平衡载流子的运动规律
4、扩散方程
5、爱因斯坦关系
6、连续性方程
第六章金属和半导体接触
1、阻挡层与反阻挡层的形成
2、肖特基势垒的定量特性
3、欧姆接触的特性
4、少子的注入
第七章半导体表面与MIS结构
1、表面电场效应
2、理想与非理想MIS结构的C-V特性
3、Si-SiO2系统的性质
4、表面电导。

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。
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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。
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
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
束缚态
Ec
离化态
- EA + Ev
EA EA EV
受主杂质的电离能小，在
Si
P+
Si
Si
Si
Si
束缚态—未电离 离化态—电离后
（a）电离态 •
（b）中性施主态
过程：
1.形成共价键后存在正电中心P+；
2.多余的一个电子挣脱束缚，在晶格中自由动； 杂质电离
3. P+成为不能移动的正电中心；
杂质电离，杂质电离能，施主 杂质（n型杂质），施主能级
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
施主和受主浓度：ND、NA
等电子杂质
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
b空穴浓度p 〉电子浓度n
N型和P型半导体都称为极性半导体
施主电离 施主杂质释放电子的过程。
施主能级 被施主杂质束缚的电子的能量状态，记为ED， 施主电离能量为ΔED。
n型半导体 依靠导带电子导电的半导体。
3、受主能级：举例：Si中掺硼B
• 在Si单晶中，Ⅲ族受主替位杂质两种电荷状态的价键
（a）电离态
（b）中性受主态
在Si中掺入B
＋ B－－
EV
△ED =EC－ ED
施主杂质的电离能小， 在常温下基本上电离。
晶
杂质
体 P As Sb
Si 0.044 0.049 0.039
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
定义：
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。
1、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。
｛ 杂质的来源： 有意掺入 无意掺入
根据杂质在能级中的位置不同：
｛ 替位式是杂质 间隙式杂质
以硅为例说明
在金刚石型晶体中，晶胞中原子的体积百分数为 34%，说明还有66%是空隙。Si 中的杂质有两种存在 方式，
a：间隙式杂质 特点：杂质原子一般较小，锂元素
实际半导体
实际半导体中原子并不是静止在具有 严格周期性的晶格位置上，而是在其平 衡位置附近振动；
实际半导体并不是纯净的，而是含有 杂质的；
实际的半导体晶格结构并不是完整无缺 的，而是存在着各种形式的缺陷，点缺 陷，线缺陷，面缺陷；
杂质和缺陷可在禁带中引入能级，从而对半 导体的性质产生了决定性的作用
受主电离 受主杂质释放空穴的过程。
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。
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
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。
晶
杂质
体B
Al Ga
Si 0.045 0.057 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。
定义：
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。
中心，——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
ED
互作用可以忽略，施主
能级是具有相同能量的
孤立能级．
施主浓度：ND
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
束缚态
离化态
- EC + ED
Si
Si
Li
P级杂质
深能级杂质
N型半导体
P型半导体
复合中心
陷阱
杂质能级位于禁带中
浅能级 Eg
施主杂质 施主能级
浅能级
Ec
Ei 受主杂质 受主能级 Ev
2、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
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
第二章 半导体中的 杂质和缺陷
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。
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。
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
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
§2-2 化合物半导体中的杂质能级
1、等电子杂质； 2、Ⅳ族元素起两性杂质作用
§2-3 缺陷能级
点缺陷对半导体性能的影响
§2.1 Si、Ge晶体中的杂质能级