优选第二章半导体中杂质和缺陷能级
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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
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
第二章 半导体中得杂质与缺陷能级
第二章 半导体中杂质与缺陷能级引言根据杂质能级在禁带中得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、缺陷得种类点缺陷,如空位、间隙原子;线缺陷,如位错;面缺陷,如层错、多晶体中得晶粒间界等§2、1硅、锗晶体中得杂质能级一、杂质与杂质能级杂质:半导体中存在得与本体元素不同得其它元素。
杂质出现在半导体中时,产生得附加势场使严格得周期性势场遭到破坏。
单位体积中得杂质原子数称为杂质浓度。
杂质能级:杂质在禁带中引入得能级。
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得间隙位置,形成该种杂质时,要求其杂质原子比晶,形成该种杂质时,要求其原子得大小与被取代得晶格原子得大小比较接近,而且二者得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得位置。
磷原子有5个价电子,其中4个价电子与周围得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,其效果就是形成一个正电中心P +与一个多余得价电子。
这个多余得价电子就束缚在正电中心P +得周围。
但就是,这种束缚作用比共价键得束缚作用弱得多,只要有很少得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,这就是磷原子就成为少了一个价电子得磷离子(P +),它就是一个不能移动得正电中心。
上述电子脱离杂质原子得束缚成为导电电子得过程称为杂质电离。
使这个多余得价电子挣脱束缚成为导电电子所需得能量称为杂质电离能,用表示。
间隙式杂质替位式杂质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。
它释放电子得过程叫做施主电离。
施主杂质未电离时就是中性得,称为束缚态或中性态,电离后成为正电中心,称为离化态。
第二章半导体中杂质和缺陷能级
(1)ND＞NA
Ec ED 电离施主 电离受主
Ev
n=ND-NA 此时半导体为n型半导体
(2) ND<NA
Ec ED 电离施主
电离受主 EA Ev
p=NA- ND 此时半导体为p型半导体
(3) ND≈NA ED上的电子刚好全部填满EA上的空的状态，导带 中的电子浓度和价带中的空穴浓度没有任何变化， 即杂质的高度补偿。此时，半导体性能很差！
Ec
杂质能级
Ev
2、施主（donor) 能级： 举例：Si中掺磷P（Si：P）
导带电子
电离施主 P+
束缚在正电 中心附近的 所受到的束 缚力比共价 键弱得多！
施主杂质 能 级 图：
施主杂 电子 质原子
电离的结果：导带中的电子数增加了，这即是 掺施主杂质的意义所在。
施主杂质
束缚态：杂质未电离，中性
上述杂质的特点：
施主电离能△ED《 Eg 受主电离能 △EA《 Eg
浅能级杂质
本征半导体和非本征半导体：
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
激发的半导体为本征半导体。
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。所需要的能量称为杂质的电离能。 称 具有这种导电能力的杂质半导体为非本征半 导体。
库仑排斥 （4） Au二 ；得到两个电子
电离能变大
（5） Au三；得到三个电子
对应金在锗中的四个能级，一个施主，三个受主能级
例2：Au（Ⅰ族）在Si中
EC
两个深杂质能
级，真正对少
EA
子寿命起控制 作用的是最靠
Ec ED 电离施主 电离受主
Ev
n=ND-NA 此时半导体为n型半导体
(2) ND<NA
Ec ED 电离施主
电离受主 EA Ev
p=NA- ND 此时半导体为p型半导体
(3) ND≈NA ED上的电子刚好全部填满EA上的空的状态，导带 中的电子浓度和价带中的空穴浓度没有任何变化， 即杂质的高度补偿。此时，半导体性能很差！
Ec
杂质能级
Ev
2、施主（donor) 能级： 举例：Si中掺磷P（Si：P）
导带电子
电离施主 P+
束缚在正电 中心附近的 所受到的束 缚力比共价 键弱得多！
施主杂质 能 级 图：
施主杂 电子 质原子
电离的结果：导带中的电子数增加了，这即是 掺施主杂质的意义所在。
施主杂质
束缚态：杂质未电离，中性
上述杂质的特点：
施主电离能△ED《 Eg 受主电离能 △EA《 Eg
浅能级杂质
本征半导体和非本征半导体：
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
激发的半导体为本征半导体。
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。所需要的能量称为杂质的电离能。 称 具有这种导电能力的杂质半导体为非本征半 导体。
库仑排斥 （4） Au二 ；得到两个电子
电离能变大
（5） Au三；得到三个电子
对应金在锗中的四个能级，一个施主，三个受主能级
例2：Au（Ⅰ族）在Si中
EC
两个深杂质能
级，真正对少
EA
子寿命起控制 作用的是最靠
半导体材料物理 Chapter2 -1st&2nd 半导体中杂质和缺陷能级
受主能级远离价带顶。
杂质电离能大 能够产生多次电离，每次电离都对应着一个特定的能级。在禁带中引入
多个能级。
具有两重性，既能电离提供电子又能电离提供空穴，所以既能引入施主 能级又能引入受主能级。
Chapter 2 半导体中的杂质和缺陷能级
Semiconductor Physics & Materials
Chapter 2 半导体中的杂质和缺陷能级
Semiconductor Physics & Materials
2.1 硅锗半导体中的杂质能级
2.1.4多重电离杂质的作用及其能级
Si
Si
Si
a、释放唯一一个价电子成为正离 子，与周围4个近邻原子的一个等 效价电子形成类离子键；
b、依次接受1个、2个、3个电子， 形成一重、二重、三重电离的负 离子。 1条深施主能级，3条深受主能级
2.1 硅锗半导体中的杂质能级
2.1.4 深能级杂质 深能级杂质对半导体的影响
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。。 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
2.1.2 杂质类型—受主杂质
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。 受主杂质的电离过程，可以用能带图表示： 如图2-6所示.当空穴得到能量后，就从受主的 束缚态跃迁到价带成为导电空穴，所以电子被 受主杂质束缚时的能量比价带顶高 EA 。将被 受主杂质束缚的空穴的能量状态称为受主能级， 记为 EA ，故受主能级位于离价带顶很近的禁 带中。 Chapter 2 半导体中的杂质和缺陷能级
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
四.杂质浅能级电离能的简单计算
五. 杂质补偿作用
在同一块半导体材料中如果同时存在有两种类 型的杂质，则该半导体的导电类型主要取决于掺杂 浓度高的杂质。例如：若 Si 中的 P 浓度高于 B 浓度， 则该块 Si 材料是 n 型半导体。但是，与同样掺 P 浓 度的单一掺杂情况比较，由于有受主的存在，被激 发到导带的电子数将会减少（因为此时有一部分施 主能级上的电子将会落入受主能级），这种现象称 为杂质补偿。如果掺杂情况相反，则该块材料为 p 型半导体。
个价电子因受共价键束缚，它的电离能仅略小于禁带宽度 Eg，所以
施主能级ED很接近Ev。
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
§2.2 III-V族化合物中的杂质能级
等电子陷阱：在某些化合物半导体中，例如磷化 镓中掺入V族元素氮或铋，氮或铋将取代磷并在禁带 中产生能级。这个能级称为等离子陷阱。这种效应称 为等离子杂质效应。 等离子杂质:所谓等离子杂质是与基质晶体原子具 有同数量价电子的杂质原子，它们替代了格点上的同 族原子后，基本上仍是电中性的。但是由于原子序数 不同，这些原子的共价半径和电负性有差别，因而它 们能俘获某种载流子而成为带电中心。这个带电中心 就称为等离子陷阱。
元素 P 在 Si 中成为替位式杂质且电离时，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
2．施主能级
由于共价键是一种很强的化学键，结合非常牢固，共价 键上的电子是几乎不可能在晶体中运动的。但P 原子的那个 “多余”的价电子被离子实 P+ 束缚得相当微弱，这个电子 在不大的外场力作用下就可以脱离 P+ 的束缚而在 Si晶体中 自由运动。 从能带的角度来看，处于共价键上的电子就是处在价带 中的电子，而那个“多余”的电子并不处在价带中，它只要 得到一个很小的能量（只要室温就足够了）就会被激发到导 带，成为导带中的传导电子。这就相当于在Si禁带中，在距 导带底下方很近的地方有一个能级，在未激发的情况下（例 如0K时），那个“多余”电子就处在这个能级上，杂质此时 是电中性的。但是稍稍给它一点能量，那个“多余”的电子 就将跃迁到导带。杂质 P 原子也因这个价电子的离开而带正 电，此时就称施主杂质电离了。因掺入施主杂质而在禁带中 引入的这个能级称为施主能级。
第二章半导体中杂质和缺陷能级
24
2.3.1 点缺陷
2.3.1 点缺陷
2.3.2 位错
汇报完毕！谢谢！
• Si中几种Ⅴ族施主电离能如下：
• Si中几种Ⅲ族受主电离能如下：
杂质基态的玻尔半径〔Bohr):
aB m0*shq22 s(m m0*)a0 0.52s(m m0*)
a0是氢原子基态的径 玻尔半
2.1.5 杂质的补偿作用
当同一块半导体中同时存在施主杂质和受主杂质时， 这种两种不同类型的杂质有互相抵偿的作用，称为杂 质补偿作用。
19
2.1.6 深能级杂质
深能级杂质的作用 1. ΔED，ΔEA 较大，杂质电离作用较弱，对载流子〔导电电 子和空穴〕浓度影响较小； 2. 对载流子的复合作用较大〔复合中心〕，降低非平衡载流 子的寿命。
2.2 III-V族化合物中的杂质能级
2.2.1 GaAs中的杂质
等电子杂质 (等电子陷阱〕
补偿后半导体中的净杂质浓度为有效杂质浓度，只 有有效的杂质浓度才能有效地提供载流子浓度。
空间角度的理解：施主周围有多余的价电子，受主 周围缺少价电子，施主多余的价电子正好填充受主周 围空缺的价键电子，使价键饱和，使系统能量降低， 稳定状态。
16
2.1.5 杂质的补偿作用 能带角度的理解：
n＝ N D － N AN D
• 在Si、Ge元素半导体和Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体等最重要的 半导体材料中发现： 参加多一个价电子的元素，如在Si 、 Ge中参加P、As、Sb，或在Ⅲ－Ⅴ族化合物中参加Ⅵ族元素， 这些掺入的杂质将成为施主；
• 参加少一个价电子的元素，如在Si 、Ge中参加Al 、Ga、 In，或在Ⅲ－Ⅴ族化合物中参加Ⅱ族元素，这些掺入的杂 质将成为受主；
A－间隙式杂质原子：原子半径比较小
2.3.1 点缺陷
2.3.1 点缺陷
2.3.2 位错
汇报完毕！谢谢！
• Si中几种Ⅴ族施主电离能如下：
• Si中几种Ⅲ族受主电离能如下：
杂质基态的玻尔半径〔Bohr):
aB m0*shq22 s(m m0*)a0 0.52s(m m0*)
a0是氢原子基态的径 玻尔半
2.1.5 杂质的补偿作用
当同一块半导体中同时存在施主杂质和受主杂质时， 这种两种不同类型的杂质有互相抵偿的作用，称为杂 质补偿作用。
19
2.1.6 深能级杂质
深能级杂质的作用 1. ΔED，ΔEA 较大，杂质电离作用较弱，对载流子〔导电电 子和空穴〕浓度影响较小； 2. 对载流子的复合作用较大〔复合中心〕，降低非平衡载流 子的寿命。
2.2 III-V族化合物中的杂质能级
2.2.1 GaAs中的杂质
等电子杂质 (等电子陷阱〕
补偿后半导体中的净杂质浓度为有效杂质浓度，只 有有效的杂质浓度才能有效地提供载流子浓度。
空间角度的理解：施主周围有多余的价电子，受主 周围缺少价电子，施主多余的价电子正好填充受主周 围空缺的价键电子，使价键饱和，使系统能量降低， 稳定状态。
16
2.1.5 杂质的补偿作用 能带角度的理解：
n＝ N D － N AN D
• 在Si、Ge元素半导体和Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体等最重要的 半导体材料中发现： 参加多一个价电子的元素，如在Si 、 Ge中参加P、As、Sb，或在Ⅲ－Ⅴ族化合物中参加Ⅵ族元素， 这些掺入的杂质将成为施主；
• 参加少一个价电子的元素，如在Si 、Ge中参加Al 、Ga、 In，或在Ⅲ－Ⅴ族化合物中参加Ⅱ族元素，这些掺入的杂 质将成为受主；
A－间隙式杂质原子：原子半径比较小
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
硼原子接受电子，称为受主原子。 B为受主杂质(p型杂质)。 本征半导体掺B后成为p型半导体（空穴半导体）
Si
Si
Si B-
+
Si
Si Si
Si
Si
硅中的受主杂质
第二章
硼原子占据了硅原子的位置。 硼原子有三个价电子．它和周围的四个硅 原子形成共价键，但缺少一个电子，必须从别 处的硅原子中夺取一个价电子，在硅晶体的共 价键中产生一个空穴。
第二章
半导体中杂质 和缺陷能级
例题 施主杂质电离后向半导体提供（ 受主杂质电离后向半导体提供（ 本征激发向半导体提供（ A、B ） A. 空穴 B. 电子
B A
）， ），
第二章
七 浅能级杂质
半导体中杂质 和缺陷能级
硅、锗中的Ⅲ 、V族杂质的电离能都很 小，所以受主能级很接近于价带顶，施主能 级很接近于导带底。这些杂质能级称为浅能 级，产生浅能级的杂质称为浅能级杂质。 室温下，晶格原子热振动的能量会传 递给电子，可使硅、锗中的Ⅲ、Ⅴ族杂质 几乎全部离化，称为全电离
晶体
Si
杂 质
P
0.044
As
0.049
Sb
0.039
Ge
0.0126
0.0127
0.0096
第二章
四、施主能级和施主电离 施主能级：
半导体中杂质 和缺陷能级
将被施主杂质束缚的电子的能量状态，ED EC Δ ED ∵ΔED《Eg， ⊕ ⊕ ED ∴施主能级离导带 Eg 底很近 EV 电子得到能量ΔED，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EC低ΔED 。
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施主未电离时，在饱和共价键外还有一个电子被施 主杂质所束缚，该束缚态所对应的能级称为施主能级。
•掺入施主的半导体以电子导电为主，被称为n 型半导体
特征：
①施主杂质电离，导带中出现
EC
施主提供的导电电子；
②电子浓度大于空穴浓度，
即n>p。
EV
• 施主电离能
• Si、Ge中V族杂质的电离能
△ED = EC - ED
△EA = EA - EV EC
受主
能级
Eg
△EA = EA - EV
EA EV
• Si、Ge中Ⅲ族杂质的电离能
杂质
硼B 铝Al 镓Ga 铟In
晶 硅 Si 0.045 0.057 0.065 0.160
体 锗 Ge 0.01 0.01 0.011 0.011
• 受主电离过程示意图
受主杂质电离的结果： 价带中的空穴数增加了， 这就是掺受主杂质的意 义所在。
优选第二章半导体中杂质 和缺陷能级
1、杂质与杂质能级
（1）杂质
半导体中存在的与本体元素不同的其它元素。 （2）杂质来源
• 无意掺入
• 有意掺入 （3）杂质在半导体中的分布状况
• 替位式杂质 • 间隙式杂质
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。
（4）杂质能级
杂质引起的电子能级称为杂质能级。通常位于 禁带之中的杂质能级对半导体性能有显著影响。
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。
高度补偿： 若施主杂质浓度与受主杂质浓度相差很小或二 者相等，
则不能提供电子或空穴，此时半导体 的导电能力与本征半 导体相当，这种情况称为杂质的高度补偿。
• ND>NA时：n 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，
EA
EA EV
△EA
EC
Eg
△ED
ED
EV
• 例1：Au（I族）在Ge中
①Au 0：电中性态
Au在Ge中共有五种可能的状态：
① Au0 ②Au+ ③Au一④Au二;⑤Au三
②Au+：Au 0 – e →Au+
③Au一：Au0 + e →Au一
EC
EC
0.04eV Eg
ED
EV
④Au二：Au一 + e →Au二
0.04eV
ED
E0
E
E1
m0q 4
8 02h2
(2)
（2）用类氢原子模型估算浅能级杂质的电离能 浅能级杂质 = 杂质离子 + 束缚电子（或空穴）
正、负电荷所处介质的介电常数为： 0 r
电势能：
U(r)
q2
4 0 r r
施主电离能：
ED
mn*q 4
8 0 2 r 2h2
mn* m0
E0
2 r
(3)
受主电离能：
E A
m*p q 4
8 0 2 r 2h2
m*p m0
E0
2 r
(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。
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
EC ED
Eg
EA EV
本征激发的价带空穴
7、深能级杂质
• 浅能级杂质
△ED<<Eg △EA<<Eg
• 深能级杂质
△ED≤Eg △EA≤Eg
△ED
ED
EC Eg
△EA
△ED = EC - ED
EC ED
施主
Eg
能级
EV
杂质
磷P 砷As 锑Sb
晶 硅 Si
0.044 0.049 0.039
体 锗 Ge
0.0126 0.0127 0.0096
• 施主电离过程示意图
施主杂质电离的结果： 导带中的电子数增加了， 这就是掺施主杂质的意义 所在。
3、受主能级
（1）受主杂质
即施主与受主先相互“抵消”，剩余的束缚电子再电离到 导带上。
有效施主浓度： ND*=ND-NA
• 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
5、浅能级杂质电离能的简单计算
（1）氢原子基态电子的电离能
氢原子满足：
[
h2
4 2m0
2
q2 ] 4 0r
(r )
En
(r )
(1)
解得电子能量：
En
m0q4
8
2 0
h
2
n
2
n = 1, 2, 3, ……
氢原子基态能量：
E1
m0q 4
8 0 2h2
氢原子自由态能量：
E 0
故基态电子的电离能：
4、浅能级杂质
（1）浅能级杂质的特点
一般是替位式杂质 施主电离能△ED远小于禁带宽度△Eg，通常为V 族元素。 受主电离能△EA远小于禁带宽度△Eg。通常为III 族元素。
（2）浅能级杂质的作用 • 改变半导体的电阻率； • 决定半导体的导电类型。
（3）控制杂质浓度的方法 • 在单晶生长过程中掺入杂质 • 在高温下通过杂质扩散的工艺掺入杂质 • 离子注入杂质 • 在薄膜外延工艺过程中掺入杂质 • 用合金工艺将杂质掺入半导体中
杂质 能级
EC Eg
EV
2、施主能级
（1）施主杂质
杂质电离后能够施放电子而产生自由电子并形成正电 中心（正离子）。这种杂质称为施主杂质。 以硅为例：在硅单晶中掺入磷（P）等V族元素。
硅原 子
导带电子
电离施主
在Si单晶中，V族施主替位杂质的两种荷电状态的价键
(a) 电离态
(b) 中性施主态
（2）施主电离 • 施主能级
束缚在杂质能级上的空穴被激发到价带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。或定义为：能够向半导体提供空穴并形成 负电中心的杂质。
以硅为例：在硅单晶中掺入硼（B）等III族元素。
硅原 子
电离受主
价带空穴
在Si单晶中，III族受主替位杂质的两种荷电状态的价键
(a) 电离态
(b) 中性受主态
（2）受主电离 • 受主能级
受主杂质电离后所接受的电子被束缚在原来的空状 态上，该束缚态所对应的能级称为受主能级。
• 掺入受主杂质的半导体以空穴导电为主被称为p 型半导体
特征：
EC
①受主杂质电离，价带中出现
受主提供的导电空穴；
②空穴浓度大于电子浓度，
即p>n。
EV
• 受主电离能