第二章 半导体中的杂质和缺陷
合集下载
第二章半导体中的杂质和缺陷
●+ ○- ●+ ○- ●+
○- ●+ ○- ●+ ○-
●+ ○- ●+ ○- ●+
a.负离 子空位
○-
●+
○-
●+
○-
●+
○-
电负性
小
●+
●+ -
○-
●+
●原子失去电子后
○-
●+
○-
●+
○-
●+
○-
●+
●+
○-
●+
●+
○-
○-
●+
●+
○-
○-
●+
●+
○-
○-
●+
●+
○-
○-
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- = ‖
●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。
VGa、VAs、AsI 是起施主还是起受主作用， 尚有分歧。 较多的人则采用 VAs、AsI 为施主、VGa 是受主的观点来解释各种实验结果。
2.Ⅱ－Ⅵ族化合物半导体的杂 质和缺陷
Ⅱ－Ⅵ族化合物半导体是 典型的离子键化合物。
○- ●+ ○- ●+ ○-
●+ ○- ●+ ○- ●+
a.负离 子空位
○-
●+
○-
●+
○-
●+
○-
电负性
小
●+
●+ -
○-
●+
●原子失去电子后
○-
●+
○-
●+
○-
●+
○-
●+
●+
○-
●+
●+
○-
○-
●+
●+
○-
○-
●+
●+
○-
○-
●+
●+
○-
○-
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- = ‖
●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。
VGa、VAs、AsI 是起施主还是起受主作用， 尚有分歧。 较多的人则采用 VAs、AsI 为施主、VGa 是受主的观点来解释各种实验结果。
2.Ⅱ－Ⅵ族化合物半导体的杂 质和缺陷
Ⅱ－Ⅵ族化合物半导体是 典型的离子键化合物。
第二章半导体中的杂质和缺陷
Ec EA3
EA2
EA1
ED
Ev
EA3=EC－0.04eV
§2.1.6 深能级杂质
三个基本特点：
一、是不容易电离，对载流子浓度影响不大； 二、一般会产生多重能级，甚至既产生施主能级也产生
受主能级。 三、能起到复合中心作用，使少数载流子寿命降低（在
第五章详细讨论）。 四、深能级杂质电离后为带电中心，对载流子起散射作
ED
Ev
§2.1.6 深能级杂质
2，Au获得一个电子－－－受主 Au0 ＋e＝ Au-
Ec
EA1= EV + 0.15eV
EA1
ED
Ev
§2.1.6 深能级杂质
3，Au获得第二个电子 Au- ＋e＝ Au--
Ec
EA2
EA1
ED
Ev
EA2=EC－0.2eV
§2.1.6 深能级杂质
4，Au获得第三个电子 Au-- ＋e＝ Au---
第二章 半导体中杂质和缺陷能级
实际材料中 总是有杂质、缺陷，使周期场破坏，在杂质或
缺陷周围引起局部性的量子态——对应的能级常 常处在禁带中，对半导体的性质起着决定性的影 响。
杂质能级位于禁带之中
Ec
杂质能级
Ev
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
§2.1.2 施主杂质 施主能级
Si、Ge中Ⅴ族杂质的电离能△ED（eV）
晶
杂
质
体
P
As
Sb
Si 0.044 0.049
0.039
Ge 0.0126 0.0127 0.0096
§2.1.3 受主杂质 受主能级
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
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
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
第二章 半导体中杂质和缺陷能级讲解
杂质能级
杂质电离能 施主能级
ED
LOGO
硅、锗中晶体中的杂质能级
Ec
＋ ＋ ＋
ED
得到能量 ED
施主电离能：△ED = EC- ED
Ev
LOGO
硅、锗中晶体中的杂质能级
Si、Ge中Ⅴ族杂质的电离能△ED（eV）
晶体 Si Ge 杂质电离能△ED P As Sb 0.044 0.049 0.039 0.0126 0.0127 0.0096 禁带宽度Eg 1.12 0.67
LOGO
硅、锗中晶体中的杂质能级
（1）浅能级杂质 △ED、△EA远小于Eg
（2）深能级杂质 △ED、△EA和Eg相当
LOGO
硅、锗中晶体中的杂质能级
例：Au（Ⅰ族）在Ge中
Au在Ge中共有五种可能的状态： （1）Au+（2）Au0 （3）Au- （4）Au2-（5）Au3Ec EA3 EA2 Ei EA1
LOGO
总结与复习
施主杂质、施主能级 受主杂质、受主能级 如何用能带理论解释什么是施主杂质、施主杂质 杂质的补偿作用 深能级杂质
LOGO
特点： 施主电离能 △ED<< Eg 受主电离能 △EA<< Eg —即所谓的浅能级杂质
LOGO
硅、锗中晶体中的杂质能级
杂质的补偿：既掺有施主杂质又掺有受主杂质
杂质补偿作用分为三种情况考虑： ND 施主杂质浓度，NA 受主杂质浓度 （A） ND>NA时 （B） NA>ND时 （C） ND≈NA时
特点：空位与间隙粒子成对出现，数量相等，晶体体积不发生变化。
LOGO
缺陷、位错能级
1、热缺陷（晶格位置缺陷)
（2）肖特基缺陷（Schottky）
杂质电离能 施主能级
ED
LOGO
硅、锗中晶体中的杂质能级
Ec
＋ ＋ ＋
ED
得到能量 ED
施主电离能：△ED = EC- ED
Ev
LOGO
硅、锗中晶体中的杂质能级
Si、Ge中Ⅴ族杂质的电离能△ED（eV）
晶体 Si Ge 杂质电离能△ED P As Sb 0.044 0.049 0.039 0.0126 0.0127 0.0096 禁带宽度Eg 1.12 0.67
LOGO
硅、锗中晶体中的杂质能级
（1）浅能级杂质 △ED、△EA远小于Eg
（2）深能级杂质 △ED、△EA和Eg相当
LOGO
硅、锗中晶体中的杂质能级
例：Au（Ⅰ族）在Ge中
Au在Ge中共有五种可能的状态： （1）Au+（2）Au0 （3）Au- （4）Au2-（5）Au3Ec EA3 EA2 Ei EA1
LOGO
总结与复习
施主杂质、施主能级 受主杂质、受主能级 如何用能带理论解释什么是施主杂质、施主杂质 杂质的补偿作用 深能级杂质
LOGO
特点： 施主电离能 △ED<< Eg 受主电离能 △EA<< Eg —即所谓的浅能级杂质
LOGO
硅、锗中晶体中的杂质能级
杂质的补偿：既掺有施主杂质又掺有受主杂质
杂质补偿作用分为三种情况考虑： ND 施主杂质浓度，NA 受主杂质浓度 （A） ND>NA时 （B） NA>ND时 （C） ND≈NA时
特点：空位与间隙粒子成对出现，数量相等，晶体体积不发生变化。
LOGO
缺陷、位错能级
1、热缺陷（晶格位置缺陷)
（2）肖特基缺陷（Schottky）
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。
半导体中的杂质和缺陷
△EA2
（5） Au三： Au二 + e
Au三
△EA3=
EC EA3 EA2
EA1 EV
7、等电子陷阱
（1）等电子杂质 特征：a、与本征元素同族但不同原子序数 b、以替位形式存在于晶体中，基本 上是电中性的。 条件：电负性、共价半径相差较大 同族元素原子序数越小，电负性越大，共价半 径越小。 等电子杂质电负性大于基质晶体原子的电负时， 取代后将成为负电中心；反之，将成为正电中心。 原子的电负性是描述化合物分子中组成原子吸引电 子倾向强弱的物理量，显然与原子的电离能、亲合 能及价态有关
等电子杂质（如N）占据本征原子位置 （如GaP中的P位置）后，即
N
NP
N 的共价半径为 0.07nm，电负性为3.0; P 的共价半径为 0.11nm，电负性为2.1 所以氮取代磷后能俘获电子成为负电中心，它们可以 吸引一个导带电子而变成负离子，这就是电子陷阱， 相反如果成为正电中心即可吸引一个价带空穴而变成 正离子这就是空穴陷阱。
（4）四族元素，两性杂质
举例：GaAs 中 掺 Si（Ⅳ族） Ga：Ⅲ族 As：Ⅴ族
Si Ga 两性杂质 SiAs
施主 受主
两性杂质：在化合物半导体中，某种杂质在 其中既可以作施主又可以作受 主，这 种杂质称为两性杂质。
（5）六族元素，常取代五族元素，施主杂质
（6）过渡族元素除钒产生施主能级，其余均产生 受主能级
（1）Au+； （2） Au0 ； （3） Au一 ； （4） Au二 ； （5） Au三。
（1）Au+： Au0 – e
Au+
EC Eg
ED
△E D
EV (2) Au0 电中性态
（5） Au三： Au二 + e
Au三
△EA3=
EC EA3 EA2
EA1 EV
7、等电子陷阱
（1）等电子杂质 特征：a、与本征元素同族但不同原子序数 b、以替位形式存在于晶体中，基本 上是电中性的。 条件：电负性、共价半径相差较大 同族元素原子序数越小，电负性越大，共价半 径越小。 等电子杂质电负性大于基质晶体原子的电负时， 取代后将成为负电中心；反之，将成为正电中心。 原子的电负性是描述化合物分子中组成原子吸引电 子倾向强弱的物理量，显然与原子的电离能、亲合 能及价态有关
等电子杂质（如N）占据本征原子位置 （如GaP中的P位置）后，即
N
NP
N 的共价半径为 0.07nm，电负性为3.0; P 的共价半径为 0.11nm，电负性为2.1 所以氮取代磷后能俘获电子成为负电中心，它们可以 吸引一个导带电子而变成负离子，这就是电子陷阱， 相反如果成为正电中心即可吸引一个价带空穴而变成 正离子这就是空穴陷阱。
（4）四族元素，两性杂质
举例：GaAs 中 掺 Si（Ⅳ族） Ga：Ⅲ族 As：Ⅴ族
Si Ga 两性杂质 SiAs
施主 受主
两性杂质：在化合物半导体中，某种杂质在 其中既可以作施主又可以作受 主，这 种杂质称为两性杂质。
（5）六族元素，常取代五族元素，施主杂质
（6）过渡族元素除钒产生施主能级，其余均产生 受主能级
（1）Au+； （2） Au0 ； （3） Au一 ； （4） Au二 ； （5） Au三。
（1）Au+： Au0 – e
Au+
EC Eg
ED
△E D
EV (2) Au0 电中性态
第二章 半导体中的杂质和缺陷
Au在Ge中共有五种可能的状态： （1）Au+； （2） Au0 ； （3） Au一 ； （4） Au二 ； （5） Au三。
半导体物理学
22
深能级的基本特点： 1、含量极少，而且能级较深，不易在室温下电离， 对载流子浓度影响不大； 2、一般会产生多重能级，甚至既产生施主能级也 产生受主能级。 3、能级位臵利于促进载流子的复合，其复合作用 比浅能级杂质强，使少数载流子寿命降低，称 这些杂质为复合中心杂质。（在第五章详细讨 论） 4、深能级杂质电离后对载流子起散射作用，使载 流子迁移率减少，导电性能下降。
半导体物理学
7
施主电离
ED
ED
EC
△ED=EC-ED
ED
电离的结果：导带中的电子数增 加了，这即是掺施主的意义所在。
Eg
施 主 电 离 能：△ED=EC-ED
EV
半导体物理学
8
2.1.3
受主杂质
受主能级
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。
浅能级杂质 = 杂质离子 + 束缚电子（空穴）
正、负电荷所处介质：
半导体物理学
0 r
14
q2 电势能 U( r ) 40 r r
mn q mn E0 施主电离能 E D 2 (3) 2 2 2 m0 r 8 0 r h
E0 受主电离能 E A 2 ( 4) 2 2 2 m0 r 8 0 r h mp q
概念：受主电离 受主电离能 p型半导体
受主能级
半导体物理学
9
以硅中掺In为例： In原子占据硅原子的位臵， 与周围的四个硅原于形成共价 键时还缺一个电子，就从别处 夺取价电子，这就在Si形成了 一个空穴。这时In原子就成为 多了一个价电子的离子，它是 一个不能移动的负电中心。空 穴只要很少能量就可挣脱束缚， 成为导电空穴在晶格中自由运 动。
半导体物理学
22
深能级的基本特点： 1、含量极少，而且能级较深，不易在室温下电离， 对载流子浓度影响不大； 2、一般会产生多重能级，甚至既产生施主能级也 产生受主能级。 3、能级位臵利于促进载流子的复合，其复合作用 比浅能级杂质强，使少数载流子寿命降低，称 这些杂质为复合中心杂质。（在第五章详细讨 论） 4、深能级杂质电离后对载流子起散射作用，使载 流子迁移率减少，导电性能下降。
半导体物理学
7
施主电离
ED
ED
EC
△ED=EC-ED
ED
电离的结果：导带中的电子数增 加了，这即是掺施主的意义所在。
Eg
施 主 电 离 能：△ED=EC-ED
EV
半导体物理学
8
2.1.3
受主杂质
受主能级
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。
浅能级杂质 = 杂质离子 + 束缚电子（空穴）
正、负电荷所处介质：
半导体物理学
0 r
14
q2 电势能 U( r ) 40 r r
mn q mn E0 施主电离能 E D 2 (3) 2 2 2 m0 r 8 0 r h
E0 受主电离能 E A 2 ( 4) 2 2 2 m0 r 8 0 r h mp q
概念：受主电离 受主电离能 p型半导体
受主能级
半导体物理学
9
以硅中掺In为例： In原子占据硅原子的位臵， 与周围的四个硅原于形成共价 键时还缺一个电子，就从别处 夺取价电子，这就在Si形成了 一个空穴。这时In原子就成为 多了一个价电子的离子，它是 一个不能移动的负电中心。空 穴只要很少能量就可挣脱束缚， 成为导电空穴在晶格中自由运 动。
- 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、"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、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)。
对于Si中的P原子，剩余电子的运动半径 约为24.4 Å： ( r ) Si 12 me* 0.26mo
Si Si Si Si Si Si Si Si P Si Si Si Si Si Si Si Si Si
12 o h 2 r 1 24.4 Å 2 0.26moq
Si Si Si
第二章 思考题与自测题：
• 说明杂质能级以及电离能的物理意义。为什么受主、施主能 级分别位于价带之上或导带之下，而且电离能的数值较小？ • 纯锗、硅中掺入Ⅲ族或Ⅴ族元素后，为什么使半导体电性能 有很大的改变？杂质半导体（p型或n型）应用很广，但为什么 我们很强调对半导体材料的提纯？ • 把不同种类的施主杂质掺入同一种半导体材料中，杂质的电 离能和轨道半径是否不同？把同一种杂质掺入到不同的半导体材 料中（例如锗和硅），杂质的电离能和轨道半径又是否都相同？ • 何谓深能级杂质？它们电离以后有何特点？ • 为什么金元素在锗或硅中电离后可以引入多个施主或受主能 级？ • 说明掺杂对半导体导电性能的影响。 • 说明半导体中浅能级杂质和深能级杂质的作用有何不同？ • 什么叫杂质补偿？什么叫高度补偿的半导体？杂质补偿有何 实际应用？
不容易电离，对载流子 浓度影响不大； 一般会产生多重能级， 甚至既产生施主能级也 产生受主能级。 能起到复合中心作用， 使少数载流子寿命降低。
0. 54eV
Ec 1.12eV
0.35eV
EA ED Ev
Au doped Silicon
§2-2 化合物半导体中的杂质能级
Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体中的杂质
Si Si Si
Si Si
Si
Si
Si
Si
Si
间隙原子缺陷起施主作用
3. GaAs晶体中的点缺陷
●空位VGa、VAs
As Ga As e Ga As As As Ga
VGa受主 VAs 施主
●间隙原子GaI、AsI
GaI施主 AsI受主
As
Ga
As
Ga
●反结构缺陷
GaAs受主 AsGa施主
Ga
As
5. 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 施主
E
EA Ev
受主
此时半导体为n型半导体
有效施主浓度n=ND-NA
(2) ND<NA
Ec ED 施主
E
EA 受主 Ev
此时半导体为p型半导体
有效受主浓度p=NA- ND
(3) ND≈NA
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。
Ec
束缚态 离化态
B具有得到电子的性 质，这类杂质称为受 主杂质。
+
EA Ev
受主杂质向价带提供 空穴。
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
EA EA EV
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。
Ga
As
4.Ⅱ－Ⅵ族化合物半导体的缺陷
Ⅱ－Ⅵ族化合物半导体 离子键结构
+ + + + + + + + + + + + +
- —负离子 + —正离子
a.负离子空位
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
电负性小
产生正电中心，起施主作用
b.正离子填隙
+ +
+
+ -
+ +
+
+ -
+ +
产生负电中心，起受主作用
点缺陷能级作用基本判断方法：
空位看周边，填隙看自身
例：分析PbS材料中Pb空位和填隙分别起施主还是 受主作用。 例：真空制备(Ba,Sr)TiO3薄膜时常导致缺氧，产生 氧空位，请分析这时该材料的漏电机制。 思考：半导体表面能否在禁带产生能级？
第二章 半导体中的 杂质和缺陷
电子科技大学微固学院 2014年7月
理想半导体：
1、原子严格周期性排列，具有完整的晶格 结构，无缺陷。 2、晶体中无杂质。 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——由本征激发提供载流子
实际半导体： 1、总是有杂质、缺陷，使周期场破坏，在 杂质或缺陷周围引起局部性的量子态 2、对应的能级常常处在禁带中，对半导体 的性质起着决定性的影响。
理想的GaAs晶格
价键结构： 含有离子键成分的 共价键结构
Ga-
As+
Ga
As
Ga
As
Ga
As
Ga
受主杂质
替代III族元素
施主杂质
替代Ⅴ族元素
双性杂质
IV族元素
等电子杂质——同族原子取代(III、Ⅴ族元素)
●等电子杂质
等电子杂质是与基质晶体原子具有同数量 价电子的杂质原子．替代了同族原子后， 基本仍是电中性的。 由于共价半径和电负性不同，它们能俘获 某种载流子而成为带电中心。带电中心称 为等电子陷阱。
例如，N取代GaP中的P而成为负电中心
束缚激子——间接半导体发光机制
§2-3 缺陷能级
1、缺陷的类型
点缺陷：空位、间隙原子 线缺陷：位错 面缺陷：层错、晶界
Si Si Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
2.元素半导体中的缺陷
(1) 空位
Si Si Si
Si
Si
Si
Si
Si
原子的空位起受主作用。
(2) 填隙
Ec
ED
本征激发产生的导 带电子
EA
Ev
本征激发产生的价 带空穴
杂质的高度补偿
6. 深杂质能级
根据杂质能级在禁带中 的位置，杂质分为：
浅能级杂质→电离能很小，能 级接近导带底Ec或价带顶Ev
ED Eg
EA Eg
EC Eg EC ED EA EV
深能级杂质→电离能较大，能 级远离导带底Ec或价带顶Ev
2
n=1为基态电子的运动轨迹
类氢模型：
r o h2 2 运动轨道半径： r * 2 n m q
剩余电子的电离能估算：
玻尔原子模型
m0 q 4 玻尔能级： En 2 2 2 8 0 h n
氢原子中的基态电子的电离能为E0=13.6eV
类氢模型
m*q 4 m* 1 mo q 4 m* 1 E0 电离能： E 2 2 2 2 2 2 2 8 r o h mo r 8 o h mo r
施主和受主浓度：ND、NA
等电子杂质
3. 杂质半导体
本征半导体
电子从价带直接向导带激发，成为导带的自由电子，这 种激发称为本征激发。只有本征激发的半导体称为本征 半导体。电子空穴成对产生
杂质半导体
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 杂质的作用： 改变半导体的导电性 决定半导体的导电类型
Eg
EA ED EV
多次电离，每一次电离相应地有一个能级既 能引入施主能级．又能引入受主能级
例：在Ge中掺Au 可产生3个受主能级，1个施主能
级 Au的电子组态是：5s25p65d106s1
Ge
Ge
Au
Ge
Ge
Au+ Au0 AuAu2Au3-
1. Au失去一个电子—施主
Ec
Au＋
ED Ev ED=Ev+0.04 eV
§2-1 单质半导体中的杂质能级
杂质——与本体元素不同的其他元素
一、杂质存在的方式
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：r=0.117nm B：r=0.089nm P：r=0.11nm
杂质半导体——主要由杂质电离提供载流子
主要内容
§2-1 单质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
△ED =EC－ED
施主杂质的电离能小， 在常温下基本上电离。 晶 体 杂质 P As Sb
Si
0.044
0.049
0.039
Ge 0.0126 0.0127 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
在Si中掺入B
Si Si
束缚态—未电离 离化态—电离后
思考：在能带中如何表示电子的这2种状态？
离化态 + 束缚态
EC ED
电离时， P 原子能够提供 导电电子并形成正电中 心——施主杂质。
施主杂质向导带提供电子
EV