第二章-半导体中的杂质和缺陷能级Word版

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。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。使这个多余的价电子挣脱束缚成为导电电子所需的能量称为杂质电离能，用D E ∆表示。

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。它释放电子的过程叫做施主电离。施主杂质未电离时是中性的，称为束缚态或中性态，电离后成为正电中心，称为离化态。

当电子得到能量

D E ∆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 C 低D E ∆。因为D g E E ∆，所以是施主能级位于离导带底很

近的禁带中。

通常把主要依靠导带电子导电的半导体称为电子型或n 型半导体。

四、受主杂质、受主能级(举例Si 中掺B)

如图所示，一个硼原子占据了硅原子的位置。硼原子有3

个价电子，当它与周围的4个硅原子形成共价键时，还缺少一

个价电子。必须从别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。同时，硼原子接受一个电子后，

成为带负电的硼离子（B -）,称为负电中心。带负电的硼离子和

带正电的空穴间有静电引力作用，所以这个空穴受到硼离子的

束缚，但是这种束缚作用是很弱的，只要有很少的能量就可以

使它挣脱束缚，成为导电空穴在晶格中自由运动，这是硼原子就成为多了一个价电子的硼离

子（B -），它是一个不能移动的负电中心。上述空穴脱离杂质原子的束缚成为导电空穴的过程称为杂质电离。使空穴挣脱受主杂质束缚成为导电空穴所需的能量称为受主杂质电离能，用A E ∆表示。

Ⅲ族杂质在硅、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，称它们为受主杂质或p 型杂质。空穴挣脱受主杂质束缚的过程叫做受主电离。受主杂质未电离时是中性的，称为束缚态或中性态，电离后成为负电中心，称为离化态。

当空穴得到能量

A E ∆后，就从受主的束缚态跃

迁到价带成为导电空穴，所以空穴被受主杂质束缚时

的能量比价带顶E V 低A E ∆。因为A

g E E ∆，所以是受主能级位于离价带顶很近的禁带中。当然，受主

电离的过程实际是电子的运动，是价带中的电子得到

能量A E ∆后，跃迁到受主能级上，再与束缚在受主能级上的空穴复合，并在价带产生一个可以自由运动的导电空穴，同时也就形成一个不可移动的受主离子。

通常把主要依靠价带空穴导电的半导体称为空穴型或p 型半导体。 五、浅能级、浅能级杂质及其电离能的简单估算

1. 定义：将很接近于价带顶的受主能级和很接近于导带底的施主能级称为浅能级。将产生

浅能级的杂质称为浅能级杂质，其特点为D

g E E ∆；A g E E ∆。 2. 浅能级杂质电离能的简单估算

浅能级杂质的电离能很低，电子或空穴受到正电中心或负电中心的束缚很微弱，故可利用类氢模型来估算杂质的电离能。【注意】这种估算没有反映杂质原子的影响，只是实际情况的一种近似。

(1) 氢原子基态电子的电离能

➢ 氢原子中电子的能量为：44

0022222200(1,2,3)2(4)8n m q m q E n n h n

πεε=-=-=

➢ 氢原子的基态能量为(n=1)：4

012208m q E h

ε=- ➢ 氢原子电离态能量为(n=∞)：0E ∞=

➢ 氢原子基态电子的电离能：()4

4000122220013.6824r m q m q E E E eV h

επεε∞=-=== (2) 用类氢原子模型估算浅能级的电离能

修正后的电离能可表示为：

施主电离能：()*4*02220024n n D r r m q

m E E m επεε∆== 受主电离能：()*

4*02220024p p A r

r m q m E E m επεε∆== 六、杂质的补偿作用

半导体中同时存在施主和受主杂质时，二者之间有相互抵消的作用。

（1）N D >>N A

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N A 个受主能级上，还有N D -N A 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= N D -N A 。即则有效施主浓度为N Deff ≈ N D -N A

（2）N A >>N D

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N A -N D 个空穴，它们可接受价带上的N A -N D 个电子，在价带中形成的空穴浓度p= N A -N D . 即有效受主浓度为N

Aeff ≈ N A -N D

（3）N A »N D

不能向导带和价带提供电子和空穴，称为杂质的高度补偿。杂质高度补偿的材料中，杂质虽多，但不能向导带和价带提供电子和空穴。该材料容易被误认为高纯半导体，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。

七、深能级杂质

考虑两方面的因素对上式进行修正：

➢ 正、负电荷是处于某种介质中；

➢ 由于电子是在晶格周期性势场中运动，要用其有效质量代替惯性质量。