半导体物理半导体中的杂质和缺陷能级
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半导体物理学第二章
电离能的大小：
• 硅中掺磷为0.044，掺硼为0.045(eV)。 • 锗中掺磷为0.0126，掺硼为0.01(eV)。 • 这种电离能很小，杂质可以在很低的温度下电离。故称之 为“浅能级杂质”，在室温几乎全部电离。 • 杂质能级用短线表示，因杂质浓度与硅相比很低，杂质原 子相互之间几乎无作用，杂质能级相同，量子的排斥原理 对低浓度的杂质掺杂不起作用。
•
h 0 0 . 53 氢原子玻尔轨道半径为 r0 Å， 2 q m0 * 根据杂质类氢模型将 r 0 代替 0 ，以 mn 代
2
替m0 ，可得杂质等效玻尔半径
，
h r 0 r 2 * q mn
2
0 r h m0 r 2 * r * r0 q mn mn
• 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EA2-Ev；从价带激发第三个电子给
杂质在GaAs中的位置
间隙式 替 族原子 替位式替V族原子
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
• 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。
半导体的掺杂
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
EC
B
EA
EA EV
P型半导体
受主能级
chap.2
一、杂质存在的方式
1、杂质存在方式
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%。
(1) 间隙式→杂质位于间隙 位置。 Li：0.068nm
(2) 替位式→杂质占据格点 位置。大小接近、电子壳 层结构相近
Si
Si Li P
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si：r=0.117nm B：r=0.089nm P：r=0.11nm
Sb
0.039 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
2. ⅢA族替位杂质——受主杂质 （Acceptor impurity）
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－ 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
2
Si
Si Si Si Si Si
Si
Si
Si Si Si Si Si
Si
1 24 .4 Å
Si
Si Si Si
Si
P Si Si
Si
Si Si Si
Si
Si Si Si
Si：r=1.17Å Si: a=5.4Å 剩余电子本质上是 在晶体中运动
Si
Si
Si
Si
Si
Si
对于Si、Ge掺P
m
* eSi
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、杂质存在方式
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%。
(1) 间隙式→杂质位于间隙 位置。 Li：0.068nm
(2) 替位式→杂质占据格点 位置。大小接近、电子壳 层结构相近
Si
Si Li P
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si：r=0.117nm B：r=0.089nm P：r=0.11nm
Sb
0.039 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
2. ⅢA族替位杂质——受主杂质 （Acceptor impurity）
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－ 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
2
Si
Si Si Si Si Si
Si
Si
Si Si Si Si Si
Si
1 24 .4 Å
Si
Si Si Si
Si
P Si Si
Si
Si Si Si
Si
Si Si Si
Si：r=1.17Å Si: a=5.4Å 剩余电子本质上是 在晶体中运动
Si
Si
Si
Si
Si
Si
对于Si、Ge掺P
m
* eSi
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
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
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替位式杂质 P，B，As, Al, Ga, Sb, Ge
• 2.1.2 施主杂质、施主能级
+
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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
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。
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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。
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• 同族元素原子序数越小，电负性越大，共价半径越小。
• 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。
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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。
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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。
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• 同族元素原子序数越小，电负性越大，共价半径越小。
半导体物理学(第七版)
半导体物理学半导体物理学▪教材:《半导体物理学》(第六版)，刘恩科等编著，电子工业版社▪参考书：《半导体物理与器件》（第三版），Donald A.Neamen著，电子工业出版社▪课程考核办法:本课采用开卷笔试的考核办法。
第九周安排一次期中考试。
总评成绩构成比例为：平时成绩10%；期中考试45%；期末考试45%一．半导体中的电子状态二．半导体中杂质和缺陷能级三．半导体中载流子的统计分布四．半导体的导电性五．非平衡载流子六．pn结七．金属和半导体的接触八．半导体表面与MIS结构半导体概要微电子学简介:固态电子学分支之一微电子学光电子学研究在固体（主要是半导体〕材料上构成的微小型化器件、电路、及系统的电子学分支学科微电子学研究领域•半导体器件物理•集成电路工艺•集成电路设计和测试微电子学发展的特点向高集成度、低功耗、高性能高可靠性电路方向发展与其它学科互相渗透，形成新的学科领域：光电集成、MEMS、生物芯片半导体概要固体材料分成：超导体、导体、半导体、绝缘体什么是半导体？半导体及其基本特性半导体物理学一．半导体中的电子状态二．半导体中杂质和缺陷能级三．半导体中载流子的统计分布四．半导体的导电性五．非平衡载流子六．pn结七．金属和半导体的接触八．半导体表面与MIS结构半导体的纯度和结构▪纯度极高，杂质<1013cm-3▪结构▪单胞对于任何给定的晶体，可以用来形成其晶体结构的最小单元注：（a）单胞无需是唯一的（b）单胞无需是基本的▪三维立方单胞简立方、体心立方、面立方金刚石晶体结构原子结合形式：共价键形成的晶体结构：构成一个正四面体，具有金刚石晶体结构金刚石结构半导体有:元素半导体如Si 、Ge金刚石晶体结构闪锌矿晶体结构金刚石型闪锌矿型半导体有:化合物半导体如GaAs、InP、ZnS练习1、单胞是基本的、不唯一的单元。
（）2、按半导体结构来分，应用最为广泛的是（）。
3、写出三种立方单胞的名称，并分别计算单胞中所含的原子数。
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。
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
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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
(k)
2k 2 2mp *
二、三维k空间中的E－k关系和能带极值的位置
布里渊区中心导带底(能谷)等能面为各向同性球型等能面 非中心的导带底各向异性，特殊方向上为旋转椭球面
两种能带结构、两种跃迁方式
kz
E
E
ky
k
k
0
kx
<100>方向上的六个等价能谷
共价电子的轨道杂化使半导体导带与价带之间隔有禁带、且 绝对零度时导带状态全空、价带状态全满。适当温度下，导 带底有少量电子，价带顶有少量空穴可以导电。
eV
利用氢原子基态电子的轨道半径
r0
0h2 m0q
2
52.91012 m
算得弱束缚电子的轨道半径
rn
0 h2 mn*q2
m0 mn*
r0
60
nm
施主弱束缚电子的基态轨道半径比晶体中原子间距大两个 数量级，可见其约束力之弱。
二、深能级杂质
1、价电子数相差较多的杂质及其能级
1）金刚石结构中的I族杂质 只有一个价电子的杂质原子取代 4 配位的主体原子，有 两种可能的方式稳定存在于主体原子的共价环境中： (1) 释放其唯一的价电子而成为正离子； (2) 依次接受1个、2个、3个电子，成为多重负离子。 (3) 深能级概念 共价电子不同于V族元素杂质那个成键后剩余的价电子， 其电离能比较高，因而远离带边，称为深能级 。由于一 价元素的负电性极弱，不易接受电子，所以受主能级也较 深，多重受主能级因负离子的排斥作用而更深。
4）杂质补偿与半导体导电类型的转变
导带
••• • • •• •• •••
ED • • • • • 施主能级
导带•• •• •源自• • •• •价带
EA
• •• • •• • • • • •
• • •• • • •
价带
受主
n＝N有效＝ND-NA
P＝N有效＝NA-ND
杂质高度补偿
• 若杂质浓度控制得当，使ND≈NA，则施主所提供的电子 刚好将受主能级填满，即便杂质浓度很高，施主杂质仍 不能向导带提供电子，受主杂质也不能向价带提供空穴。 这种现象称为杂质的高度补偿。高度补偿的材料容易被 误认为是高纯材料，而实际上含有杂质。特别是在杂质 浓度很高的情况下，材料的性能会因为杂质浓度很高而 变差，—般不能用来制造半导体器件。
磷镓 氮
• 磷化镓中氮的能级在导带底以下0.008eV，但它是电子陷 阱而非施主，所以是一个深能级。
• 铋的共价半径和电负性分别为0.146nm和1.9，在磷化镓 中取代磷后成为空穴陷阱，能级在价带顶以上0.038 eV， 因为是俘获空穴而非向价带释放空穴，因而也是深能级。
等电子陷阱俘获载流子后成为带电中心，这一带电中心由 于库仑作用又能俘获极性相反的另一种载流子，形成束缚 激子(exiton)。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
2）等电子络合物的陷阱效应
镓
氧
磷
锌
• 在磷化镓中，当替换镓的锌原子与替换磷的氧原子处于相 邻格点时，就形成一个电中性的Zn-O对（施－受主对）络 合物。由于性质上的差异(氧的电负性为3.5，磷只有2.1), Zn-O对像等电子杂质氮一样，也能俘获电子。其能级在导 带底以下0.30 eV。
4、深能级的补偿作用
3）受主（accepter）杂质 比晶格主体原子少一个价电子的替位式杂质。它们在 适当的温度下能够向价带释放空穴而在半导体中产生非 本征自由空穴并使自身电离。
按此原则，所有III族元素在Ge、Si等IV族元素半导体 和IV-IV族化合物半导体都是受主杂质。在III-V族和II-VI 族化合物半导体中比被替换原子少一个电子的杂质即为受 主杂质。例如
浅能级杂质间的补偿
导带
• • •• • • • • • • • • ED
深能级杂质的补偿
导带
• •• •• • •• •• •• ••
•• •
EDEA
• • • • • EA
价带
价带
作业：1－9、11
2）施主能级和受主能级
导带
• • • • • ••
ED • • • • • 施主能级
导带
价带
n 型半导体
EA
• • • • • 受主能级 • • •• • • •
价带
p 型半导体
3）n型半导体和p型半导体 n型: 含有一定浓度施主杂质, 主要依靠电子导电； p型: 含有一定浓度受主杂质, 主要依靠空穴导电。
1）共价环境与外来原子 当主体晶格给外来原子提供的是一个过配位环境时，外 来原子的价电子数必不符合环境对共价电子数的要求。
2）施主（Donor）杂质 比晶格主体原子多一个价电子的替位式杂质。它们在 适当的温度下能够释放多余的价电子而在半导体中产生 非本征自由电子并使自身电离。
按此原则，所有V族元素对Ge、Si等IV族元素半导体 和IV-IV族化合物半导体而言都是施主杂质。在III-V族和 II-VI族化合物半导体中比被替换原子多一个电子的杂质即 为施主杂质。例如
a 8r / 3
（2）晶格中的间隙（Interstice）
四面体间隙 T（Tetrahedral） 六角锥间隙 H（Hexangular） （3）晶格中的空位 （Vacancy）
• 间隙与空位为杂质原子的进入和存在提供了两种位置， 并为杂质在半导体中的扩散提供了有效的途径。
2、共价环境与杂质类型
完美晶体
实际晶体
导带
导带
导带
•• •
• •• • ••• • •••
？
价带
T＝0K
•• •
价带
T≠0K
• •• • ••• • •••
价带
T≠0K
§1.4 半导体中的杂质和缺陷能级
• 实际应用中，半导体内载流子(carriers, 电子和空穴)的 数量(密度 density)、活动力(迁移率 mobility)以及在非 热平衡条件下产生的额外载流子(excess carriers)寿命 (lifetime) 主要受杂质或缺陷的控制。
前节要点
一、电子和空穴的有效质量
鉴于导带电子和价带空穴皆分布于Ek曲线的极值处, 根据泰勒 展开分别用导带底和价带顶的曲率定义电子和空穴的有效质量
mn *
2
/
d
2EC (k) dk 2
k 0或k0
mp*
2
/
d
2EV (k dk 2
)
k 0
导带底附近电子和价带顶附近空穴的能量即可分别表示为
2k 2 EC (k) EC 2mn *
• 但是，若能在杂质浓度不高的情况下实现高度补偿，则 因其电阻率高，可作为电绝缘材料使用，例如微波器件 的半绝缘衬底。
【例题】 利用类氢模型计算InSb的施主杂质电离能和施主的弱束缚电 子基态轨道半径。
代数据入类氢原子电离能公式算得
ED
mn*q4
8
2
2 0
h2
mn*
m0 2
13.6 0.0007
半导体中杂质和缺陷的三大作用： • 决定热平衡状态下的载流子密度 施、受主作用； • 决定迁移率的高低散射作用； • 决定额外载流子的寿命 复合作用。
一、真实晶体及其禁带中的允许能级
1、杂质存在的可能性
（1）晶格的原子占空比 （金刚石结构和闪锌矿结构）
8 4 r 3
3
3 0.34
83 r 3 3 3 16
2) 金刚石结构中的II、VI族杂质 II族杂质在金刚石结构中的行为与I族元素杂质类似，一般 会产生两条深受主能级和一条深施主能级。 VI族杂质在金 刚石结构中的行为与V族杂质类似，可顺次释放多余的两个 价电子，只起施主作用，但两条施主能级都是深能级。
3) 化合物半导体中的深能级杂质 受电负性不能相差太大的限制，化合物半导体中的替位式 杂质价电子数相差一般不大，但相差不止一个的也是深能 级杂质。