第二章_02载流子模型-掺杂

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。
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价带空穴 电离受主 B－
22
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。
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(2)受主电离能和受主能级
mP 1 E A EH 2 mo r
半导体中的杂质和缺陷
杂质：半导体中存在的与本体元素不同的
其它元素。
本征半导体和本征激发

本征半导体：纯净的、不含任何杂质和缺陷的半导体称为
本征半导体。

本征激发：共价键上的电子激发成为准自由电子，也就是
价带电子激发成为导带电子过程。

本征激发的特点：成对的产生导带电子和价带空穴。
1
半导体中的杂质和缺陷
41
§2-3 半导体中的深能级杂质
在 Ge 中掺 Au：
Au 的电子组态是：5s 5p 5d 6s
Ge ‖ — Au — ︱ Ge
2
6
10
1
Ge
Ge
42
1.Au 失去一个电子—施主
Ge ︱ + — Au ︱ Ge
Ge
—
Ge
电离过程为: + Au = Au +(－e)
Ec
↑
Eg
ED=Ev+0.04eV
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）。
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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~。
Si ‖ Si ‖ Si ‖
= = =
9
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。
施主杂质具有提供电子的能力。
掺杂：在半导体里掺入一定的特殊杂质原 子，从而增加电子和空穴的浓度
*
mP 0.05 ~ 0.1mo
*
Ec
EA Ev
E A E A EV
受主能级靠近价带顶部
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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
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受主能级EA
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。
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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。
只有本征激发的半导体称为本征半导体。
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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
28
Si
间隙原子缺陷起施主作用
35
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 = ‖
=
-
36
●施主杂质
深能级杂质： 杂质能级远离导带底 Ec 或价带顶 Ev。
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Eg
EV
m 1 m0 q ED 2 2 2 m0 r 8 0 h 8 h m 1 EH 2 m0 r EC E D
* e
mq
* 4 e 2 2 2 r 0
* e
4
16
对于Si、Ge掺P
m = 0.26m0 , m
48
ED Ev
43
2.Au 获得一个电子—受主
Ge ‖ － Ge = Au — Ge ︱ Ge
Au + (－e) = Au
－
Ec
EA1= Ev + 0.15eV
EA1 ED
Ev
44
3.Au 获得第二个电子
Ge ‖ 2= Au — Ge ‖ Ge
EA2
Ge
Ec
Au + (－e)=Au
-
- -
EA2=Ec－0.2eV
Ec ED
不能向导带和价 带提供电子和空穴
EA
Ev
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4.元素半导体中的缺陷
(1)空位
= = = Si = Si = ‖ ︱ Si － 〇 － ‖ ︱ Si = Si = ‖ ‖ Si ‖ Si ‖ Si ‖ = = =
原子的空位起受主作用
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(2) 间隙
Si Si Si
Si Si
Si
Si
Si
Si
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。
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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。
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例2、能带模型，砷化镓的价键模型如图所示，问 (1)当硅原子代替镓原子时，砷化镓的掺杂是p型还 是n型？为什么？ (2)当硅原子代替砷原子时，砷 化镓的掺杂是p型还是n型？为什么？ (3) 画出掺 杂砷化镓的能带图：a 镓原子人位置由硅原子所代 替 b 砷原子的位置由硅原子所代替。
Ga As Ga As As Ga As Ga Ga As Ga As As Ga As Ga
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导带电子
电离施主 P+
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(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
4
m0 q En 2 2 2 8 0 h n
12
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
氢原子中的电子的电离能为：
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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
此时为n型半导体
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(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
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(3) ND≈NA
杂质的高度补偿
* eSi
* eGe
= 0.12m0
2
rSi 12, rGe 16, r 100
ED,Si 0.04eV, ED,Ge 0.064eV
Ec ED Ev
ED EC ED
施主能级靠近导带底部
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在 Si 中，掺 P： △ED=0.044eV As： △ED=0.049eV Sb： △ED=0.039eV
=
●
●
= =
Si ‖ Si ‖ Si ‖
= = =
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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。
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二、元素半导体的杂质
1.ⅤA 族的替位杂质
(1)在硅 Si 中掺入 P
= = = Si ‖ Si ‖ Si ‖ = = = Si ‖ + P ‖ Si ‖ =
●
正电中心
= =
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
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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
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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
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§2.2 半导体中的浅能级杂质
一、杂质存在的方式
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
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(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
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= = =
Si ‖ Si ‖ Si ‖
=
Li
= =
Si ‖ + P P Si ‖ Si ‖
施主杂质的电离能小， 在常温下基本上电离。
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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。
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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－
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。