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
半导体中杂质和缺陷能级
24
2.3.1 点缺陷
ห้องสมุดไป่ตู้ 2.3.1 点缺陷
2.3.2 位错
谢谢
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Chapter 3 Statistical Distribution of Carrier
28
在空穴全部电离时跃迁到 价带时,有NA- ND个价带空穴, 半导体是p型旳。
2.1.6 深能级杂质
浅能级杂质 一般情况下，半导体中些施主能级距离导带底较 近；或受主能能级距离价带顶较近。
深能级杂质 若杂质提供旳施主能级距离导带底较远；或提供 旳受主能能级距离价带顶较远。
许多深杂质能级是因为杂质旳屡次电离产生旳.每一次电离相应 地有一种能级，这些杂质在硅或锗旳禁带中往往引入若干个能级， 而且有些杂质还能够引入施主能级，又能引入受主能级。如：Au 在Ge中产生四个深杂质能级,其中三个为受主能级，一种为施主 能级。
在杂质全部电离时,它们跃迁 到导带成为导电电子,有ND- NA 个导带电子,半导体是n型旳。
2.1.5 杂质旳补偿作用
p＝N A－ND N A
（b）ND << NA
18
ND <<NA时,因为受主能级 低于施主能级, 施主杂质旳电 子首先跳到受主杂质旳能级 上,此时还有NA- ND个空穴在 受主能级上。
施主杂质 施主电离
VA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。
释放电子旳过程。
束缚态 中性态
离化态
施主杂质未电离时电中性旳状态 电离后成为正电中心。
施主杂质 电离能ED
多出旳一种价电子脱离施主杂质而成为 自由电子所需要旳能量。
6
2.1.3 受主杂质、受主能级
2.3.1 点缺陷
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2.3.2 位错
谢谢
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Chapter 3 Statistical Distribution of Carrier
28
在空穴全部电离时跃迁到 价带时,有NA- ND个价带空穴, 半导体是p型旳。
2.1.6 深能级杂质
浅能级杂质 一般情况下，半导体中些施主能级距离导带底较 近；或受主能能级距离价带顶较近。
深能级杂质 若杂质提供旳施主能级距离导带底较远；或提供 旳受主能能级距离价带顶较远。
许多深杂质能级是因为杂质旳屡次电离产生旳.每一次电离相应 地有一种能级，这些杂质在硅或锗旳禁带中往往引入若干个能级， 而且有些杂质还能够引入施主能级，又能引入受主能级。如：Au 在Ge中产生四个深杂质能级,其中三个为受主能级，一种为施主 能级。
在杂质全部电离时,它们跃迁 到导带成为导电电子,有ND- NA 个导带电子,半导体是n型旳。
2.1.5 杂质旳补偿作用
p＝N A－ND N A
（b）ND << NA
18
ND <<NA时,因为受主能级 低于施主能级, 施主杂质旳电 子首先跳到受主杂质旳能级 上,此时还有NA- ND个空穴在 受主能级上。
施主杂质 施主电离
VA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。
释放电子旳过程。
束缚态 中性态
离化态
施主杂质未电离时电中性旳状态 电离后成为正电中心。
施主杂质 电离能ED
多出旳一种价电子脱离施主杂质而成为 自由电子所需要旳能量。
6
2.1.3 受主杂质、受主能级
半导体物理半导体中的杂质和缺陷能级
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
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
半导体器件物理1
④ 只要确定了费米能级 EF ，在一定温度 T 时，可以求 出导带中电子浓度 n 。
（2）价带中的空穴浓度 在热平衡状态下，非简并半导体价带中的空穴浓度 p 为：
E v EF p N v exp( ) kBT
① 式中 N v 2
* (2 π mp k BT )3/2
h3
，为价带的有效状态密度，
显然有 N v T 3 / 2 ，是温度的函数。
②
Ev EF f ( Ev ) exp( ) kBT
是玻尔兹曼分布，表示空穴占
据能量为 Ev 的量子态的概率。
③ 上式可理解为把价带中所有量子态都集中在价带顶 E处， v 而它的状态密度为 ，则价带中的空穴浓度是 中有空 Nv Nv 穴占据的量子态数。 ④ 只要确定了费米能级 EF ，在一定温度 T 时，可以求 出价带中空穴浓度 p 。
n Nd
由
np n2 i
可求出价带空穴浓度为：
n n p n Nd
在杂质饱和电离区，导带电子的浓度比价带空穴的浓度大得 多。因此，对于 N 型半导体，导带电子通常称为多子（或多 数载流子），价带空穴被称为少子（或少数载流子），对于 P 型半导体则相反。 费米能级为：
2 i
2 i
Nd E F E c k B T ln Nc
3.非平衡载流子
Ec
光照
Ec
Ev
热平衡情况
Ev
光照产生非平衡载流子
np ni2
np ni2
处于热平衡状态的半导体，在一定温度下，载流子浓度是一 定的。这种处于热平衡状态下的载流子浓度，称为平衡载流 子浓度。 在外界（如光照、外加电场）作用下，能带中的载流子数目 发生明显的改变，比热平衡状态多出来一部分载流子，多出 来的这部分载流子叫做非平衡载流子（或过剩载流子）。
（2）价带中的空穴浓度 在热平衡状态下，非简并半导体价带中的空穴浓度 p 为：
E v EF p N v exp( ) kBT
① 式中 N v 2
* (2 π mp k BT )3/2
h3
，为价带的有效状态密度，
显然有 N v T 3 / 2 ，是温度的函数。
②
Ev EF f ( Ev ) exp( ) kBT
是玻尔兹曼分布，表示空穴占
据能量为 Ev 的量子态的概率。
③ 上式可理解为把价带中所有量子态都集中在价带顶 E处， v 而它的状态密度为 ，则价带中的空穴浓度是 中有空 Nv Nv 穴占据的量子态数。 ④ 只要确定了费米能级 EF ，在一定温度 T 时，可以求 出价带中空穴浓度 p 。
n Nd
由
np n2 i
可求出价带空穴浓度为：
n n p n Nd
在杂质饱和电离区，导带电子的浓度比价带空穴的浓度大得 多。因此，对于 N 型半导体，导带电子通常称为多子（或多 数载流子），价带空穴被称为少子（或少数载流子），对于 P 型半导体则相反。 费米能级为：
2 i
2 i
Nd E F E c k B T ln Nc
3.非平衡载流子
Ec
光照
Ec
Ev
热平衡情况
Ev
光照产生非平衡载流子
np ni2
np ni2
处于热平衡状态的半导体，在一定温度下，载流子浓度是一 定的。这种处于热平衡状态下的载流子浓度，称为平衡载流 子浓度。 在外界（如光照、外加电场）作用下，能带中的载流子数目 发生明显的改变，比热平衡状态多出来一部分载流子，多出 来的这部分载流子叫做非平衡载流子（或过剩载流子）。
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。
贵州大学新型光电子材料与技术研究所
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。
贵州大学新型光电子材料与技术研究所
• 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。
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* 4 * me e me EH Ge 15.8 0.12 0.21 0.007 0.011 ED 2 2 2 8 r 0 h m0 r2 ~几十个meV 室温 kBT ~26 meV
修正
锗，硅的介电常数为 16，12 * 施主杂质电子的玻尔半径: 氢原子基态电子的玻尔半径 施主杂质电子的玻尔半径
105硅原子中掺1个硼原子，则比单纯硅晶的电导率增加了103倍
本章目的：介绍杂质和缺陷的基本概念
杂质
与组成晶体材料的元素不同的其他
化学元素
形成原因
原材料纯度不够 制作过程中有玷污 人为的掺入
金刚石结构中，密堆积时，原子占晶格体积比？ 8个原子，r=?
占体积比？
～34%
分类(1)：按杂质原子在晶格中所处位置分
位错对半导体材料和器件的性能会产生严重影响！ 目前对位错的了解还不太充分。
Thanks for attentions!
习题： 第二章，P64: 1-8题
EA
有效的施主浓度 ND*=ND-NA
（B）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。 ED
NA>>ND 经补偿后，导带中 空穴浓度为 NA-ND≈NA 半导体为p型半导体
有效的受主浓度 NA*=NA-ND
如： III族元素在硅锗中电离能为： 0.045 和0.01 eV
受主杂质(IV->III)
提供载流子：价带空穴
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
上述介绍的施主杂质和受主杂质都是浅能级杂质
施主杂质能级靠近导带底，受主杂质能级靠近价带顶 杂质电离能非常小 （Eg通常为1ev左右，而Δ ED只有零点几个ev左右）
受主杂质
• 第III族杂质原子替代第IV族晶体材料原子 • 能够接受(Accept)电子而产生导电空穴，并形成负电中心 的杂质（p型杂质）
施 主 杂 质
受 主 杂 质
施主杂质(IV->V)
该多余电子运动状态： 1.比成键电子自由的多， ED>>Ev 2.与导带底电子也有差别 （受到 P+原子的库伦吸引力） （绕原子运动） ED=Ec-E库伦 （在禁带中） ED<<Eg
• 中性态
– 未电离时称为中性态或者束缚态 – T=0 K
• 杂质电离
– 在一定能量下，杂质中电子脱离原 子束缚而成为导电电子的过程 – T≠0K
• 杂质电离能
– 杂质电离时所需要的最少能量 – Δ EA=EA-EV，一般来说Δ EA<<Eg
• 离化态
– 杂质吸收能量释放电子后形成的带 电中心
受主 电 离 能： △EA=EA-EV
Frenkel缺陷： 间隙原子和空位成对出现
Schottky缺陷：
只在晶体内形成空位，而无间隙原子
反结构缺陷（化合物、替位原子）
有两种替位方式： A取替B，记为AB；B取替A，记为BA
位错：
位错是近完整晶体中的一个 缺陷，它是晶体中以滑移区 与未滑移区的边界
刃型位错 结构特点：周围有畸变、 上半部压应力、下半部张应 力、中心有最大畸变、范围 局限于2-3个原子间距的管道 区域。
深能级杂质
非III，V族杂质在硅、锗的禁带中产生的施 主能级距离导带底较远，他们产生的受主 能级距离价带顶也较远，成为深能级，深 能级杂质。 深能级杂质通常能产生多次电离，每次电 Au 掺入 Si 离对应一个能级。
Ec
E
A
0.04 0.2 0.15
Ec EA3 EA2 EA1 ED Ev
ED
（ C） NA ≌ ND 时
杂质的高度补偿
本征激发的导带电子
Ec
ED
EA Ev
本征激发的价带空穴
杂质的高度补偿
控制不当，使得ND ≈
NA 施主电子刚好够填满受主能级 虽然杂质很多，但不能给半导体材料提供更多的电子 和空穴 一般不能用来制造半导体器件 （易被误认为纯度很高，实质上含杂质很多，性能很差）
实际半导体材料
原子在平衡位置附近振动 含有杂质； 晶格结构不完整，存在缺陷 点缺陷，线缺陷，面缺陷
杂质和缺陷的影响
使周期性势场受到破坏，有可能在禁带中引
入能级，从而对半导体的性质产生影响
影响半导体器件的质量（如性能等） 对半导体材料的物理性质和化学性质起决定性的 影响（如提高导电率）
0 0 r * h2 r 0 h 2 0 m0 a 2 * 0.53 * r (A) aB 2 0.53(A) * e me me e m0 m0 me
~25A 硅-硅间距～5.4A
杂 质 的 补 偿 作 用
（A）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， 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。
Ev
0.04 EA3>EA2>EA1 电子的库伦排斥力
深能级杂质
• 如第IV族材料中加入非III、V族杂质 • 杂质能级离导带或者价带很远 • 常规条件下不易电离 • 起一定的杂质补偿作用
• 对载流子的复合作用非常重要，是很好的 复合中心
III-V族化合物半导体中的浅能级杂质
在III-V族化合物中掺入不同类型杂质： * II族元素 GaAs: 铍(Be),镁(Mg),锌(zn),镉(Cd) EA=Ev+0.02-0.03 eV * VI族元素 GaAs: 硫(S),硒(Se) ED=Ec-0.006 eV * IV族元素 GaAs: 硅(Si) Ev+0.03eV, Ec-0.006 eV （杂质的双性行为） 锗(Ge) Ev+0.03eV, Ec-0.006 eV * 等电子杂质 GaP: 氮(N) Ec-0.01 eV (等电子陷阱引起）
等电子陷阱
§2.2 缺陷、位错能级
缺陷：
晶格周期的不完整 分为三类
大多由热振动引起
点缺陷（点的不完整）：空位、间隙原子 线缺陷（线的不完整）：位错 面缺陷（面的不完整）：层错
由晶体内部的应力引起的，导致晶格结构发生扭曲
点缺陷
在一定温度下，晶格原子不仅在平衡位置附近做振动， 而且有一部分原子会获得足够的能量，克服周围原子对 它的束缚，挤入晶格原子间的间隙，形成间隙原子，原 来的位置空出来，成为空位。（热缺陷）
第2章 半导体中杂质和 缺陷能级
半导体的杂质敏感性 半导体电子、空穴共同参与导电，可否调 制？P-N结，晶体管
§2.1
掺杂晶体
理想半导体材料
原子静止在具有严格周期性晶格的格点位置上 晶体是纯净的，即不含杂质 (没有与组成晶体材料的元素不同的其它化学元 素) 晶格结构是完整的，即具有严格的周期性
间隙式杂质
• 杂质原子位于晶格原子的间隙位置 • 要求杂质原子比较小
替位式杂质
• 杂质原子取代晶格原子而位于格点处 • 要求杂质原子的大小、价电子壳层结构等均与晶格原子相近
两种类型的 杂质可以同 时存在
这里主要介 绍替位式杂 质
分类(2)：按杂质所提供载流子的类型分
施主杂质
• 第V族杂质原子替代第IV族晶体材料原子 • 能够施放(Discharge)电子而产生导电电子，并形成正电中 心的杂质（n型杂质）
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（空穴）
杂质浅能级的简单计算 * 类氢原子模型的计算 氢原子基态电子的电离能:
施主杂质电子的电离能:
r me*/m0 mh*/m0 Ed Ea m0e4 EH 2 2 13.6eV 8 0 h Si 11.7 0.26 0.37 0.026 0.037
施主杂质和受主杂质为半导体材料提供载流子
施主杂质为导带提供电子 （掺施主杂质的半导体为n型半导体） 受主杂质为价带提供空穴 （掺受主杂质的半导体为p型半导体）
n型半导体：电子的数目远大于空穴的数目（或者说以电子导电为主） p型半导体：空穴的数目远大于电子的数目（或者说以空穴导电为主） 本征半导体：没有掺杂的半导体 n=p
杂质ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ离
杂质电离能
Eg
离化态
施 主 电 离 能：△ED=EC-ED
如： V族元素在硅锗中电离能为： 0.044 和0.013 eV
施主杂质(IV->V)
提供载流子：导带电子
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
受主杂质(IV->III)
束缚空穴：
受B-原子吸引,绕原子运动 要形成自由空穴，要克服B原子的吸引力,给一定能量ΔEA。 能带中，越往下，空穴能量越高。（越往下的电子，越难激发形成空穴）
分立的能级 因为杂质含量低，不能共有化运动
中性态
未电离时称为中性态或者束缚态 T=0 K 在一定能量下，杂质中电子脱离原 子束缚而成为导电电子的过程 T≠0 K (热激发） 杂质电离时所需要的最少能量 Δ ED=Ec-ED，一般来说Δ ED <<Eg 杂质吸收能量释放电子后形成的带 电中心
杂质的双性行为
硅在砷化镓中既能取代镓而表现出施主杂质，又能取代砷表现出 受主杂质
等电子杂质
与基质晶体原子具有同数量价电子的杂质原子称为等电子杂质 （同族原子杂质）
修正
锗，硅的介电常数为 16，12 * 施主杂质电子的玻尔半径: 氢原子基态电子的玻尔半径 施主杂质电子的玻尔半径
105硅原子中掺1个硼原子，则比单纯硅晶的电导率增加了103倍
本章目的：介绍杂质和缺陷的基本概念
杂质
与组成晶体材料的元素不同的其他
化学元素
形成原因
原材料纯度不够 制作过程中有玷污 人为的掺入
金刚石结构中，密堆积时，原子占晶格体积比？ 8个原子，r=?
占体积比？
～34%
分类(1)：按杂质原子在晶格中所处位置分
位错对半导体材料和器件的性能会产生严重影响！ 目前对位错的了解还不太充分。
Thanks for attentions!
习题： 第二章，P64: 1-8题
EA
有效的施主浓度 ND*=ND-NA
（B）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。 ED
NA>>ND 经补偿后，导带中 空穴浓度为 NA-ND≈NA 半导体为p型半导体
有效的受主浓度 NA*=NA-ND
如： III族元素在硅锗中电离能为： 0.045 和0.01 eV
受主杂质(IV->III)
提供载流子：价带空穴
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
上述介绍的施主杂质和受主杂质都是浅能级杂质
施主杂质能级靠近导带底，受主杂质能级靠近价带顶 杂质电离能非常小 （Eg通常为1ev左右，而Δ ED只有零点几个ev左右）
受主杂质
• 第III族杂质原子替代第IV族晶体材料原子 • 能够接受(Accept)电子而产生导电空穴，并形成负电中心 的杂质（p型杂质）
施 主 杂 质
受 主 杂 质
施主杂质(IV->V)
该多余电子运动状态： 1.比成键电子自由的多， ED>>Ev 2.与导带底电子也有差别 （受到 P+原子的库伦吸引力） （绕原子运动） ED=Ec-E库伦 （在禁带中） ED<<Eg
• 中性态
– 未电离时称为中性态或者束缚态 – T=0 K
• 杂质电离
– 在一定能量下，杂质中电子脱离原 子束缚而成为导电电子的过程 – T≠0K
• 杂质电离能
– 杂质电离时所需要的最少能量 – Δ EA=EA-EV，一般来说Δ EA<<Eg
• 离化态
– 杂质吸收能量释放电子后形成的带 电中心
受主 电 离 能： △EA=EA-EV
Frenkel缺陷： 间隙原子和空位成对出现
Schottky缺陷：
只在晶体内形成空位，而无间隙原子
反结构缺陷（化合物、替位原子）
有两种替位方式： A取替B，记为AB；B取替A，记为BA
位错：
位错是近完整晶体中的一个 缺陷，它是晶体中以滑移区 与未滑移区的边界
刃型位错 结构特点：周围有畸变、 上半部压应力、下半部张应 力、中心有最大畸变、范围 局限于2-3个原子间距的管道 区域。
深能级杂质
非III，V族杂质在硅、锗的禁带中产生的施 主能级距离导带底较远，他们产生的受主 能级距离价带顶也较远，成为深能级，深 能级杂质。 深能级杂质通常能产生多次电离，每次电 Au 掺入 Si 离对应一个能级。
Ec
E
A
0.04 0.2 0.15
Ec EA3 EA2 EA1 ED Ev
ED
（ C） NA ≌ ND 时
杂质的高度补偿
本征激发的导带电子
Ec
ED
EA Ev
本征激发的价带空穴
杂质的高度补偿
控制不当，使得ND ≈
NA 施主电子刚好够填满受主能级 虽然杂质很多，但不能给半导体材料提供更多的电子 和空穴 一般不能用来制造半导体器件 （易被误认为纯度很高，实质上含杂质很多，性能很差）
实际半导体材料
原子在平衡位置附近振动 含有杂质； 晶格结构不完整，存在缺陷 点缺陷，线缺陷，面缺陷
杂质和缺陷的影响
使周期性势场受到破坏，有可能在禁带中引
入能级，从而对半导体的性质产生影响
影响半导体器件的质量（如性能等） 对半导体材料的物理性质和化学性质起决定性的 影响（如提高导电率）
0 0 r * h2 r 0 h 2 0 m0 a 2 * 0.53 * r (A) aB 2 0.53(A) * e me me e m0 m0 me
~25A 硅-硅间距～5.4A
杂 质 的 补 偿 作 用
（A）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， 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。
Ev
0.04 EA3>EA2>EA1 电子的库伦排斥力
深能级杂质
• 如第IV族材料中加入非III、V族杂质 • 杂质能级离导带或者价带很远 • 常规条件下不易电离 • 起一定的杂质补偿作用
• 对载流子的复合作用非常重要，是很好的 复合中心
III-V族化合物半导体中的浅能级杂质
在III-V族化合物中掺入不同类型杂质： * II族元素 GaAs: 铍(Be),镁(Mg),锌(zn),镉(Cd) EA=Ev+0.02-0.03 eV * VI族元素 GaAs: 硫(S),硒(Se) ED=Ec-0.006 eV * IV族元素 GaAs: 硅(Si) Ev+0.03eV, Ec-0.006 eV （杂质的双性行为） 锗(Ge) Ev+0.03eV, Ec-0.006 eV * 等电子杂质 GaP: 氮(N) Ec-0.01 eV (等电子陷阱引起）
等电子陷阱
§2.2 缺陷、位错能级
缺陷：
晶格周期的不完整 分为三类
大多由热振动引起
点缺陷（点的不完整）：空位、间隙原子 线缺陷（线的不完整）：位错 面缺陷（面的不完整）：层错
由晶体内部的应力引起的，导致晶格结构发生扭曲
点缺陷
在一定温度下，晶格原子不仅在平衡位置附近做振动， 而且有一部分原子会获得足够的能量，克服周围原子对 它的束缚，挤入晶格原子间的间隙，形成间隙原子，原 来的位置空出来，成为空位。（热缺陷）
第2章 半导体中杂质和 缺陷能级
半导体的杂质敏感性 半导体电子、空穴共同参与导电，可否调 制？P-N结，晶体管
§2.1
掺杂晶体
理想半导体材料
原子静止在具有严格周期性晶格的格点位置上 晶体是纯净的，即不含杂质 (没有与组成晶体材料的元素不同的其它化学元 素) 晶格结构是完整的，即具有严格的周期性
间隙式杂质
• 杂质原子位于晶格原子的间隙位置 • 要求杂质原子比较小
替位式杂质
• 杂质原子取代晶格原子而位于格点处 • 要求杂质原子的大小、价电子壳层结构等均与晶格原子相近
两种类型的 杂质可以同 时存在
这里主要介 绍替位式杂 质
分类(2)：按杂质所提供载流子的类型分
施主杂质
• 第V族杂质原子替代第IV族晶体材料原子 • 能够施放(Discharge)电子而产生导电电子，并形成正电中 心的杂质（n型杂质）
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（空穴）
杂质浅能级的简单计算 * 类氢原子模型的计算 氢原子基态电子的电离能:
施主杂质电子的电离能:
r me*/m0 mh*/m0 Ed Ea m0e4 EH 2 2 13.6eV 8 0 h Si 11.7 0.26 0.37 0.026 0.037
施主杂质和受主杂质为半导体材料提供载流子
施主杂质为导带提供电子 （掺施主杂质的半导体为n型半导体） 受主杂质为价带提供空穴 （掺受主杂质的半导体为p型半导体）
n型半导体：电子的数目远大于空穴的数目（或者说以电子导电为主） p型半导体：空穴的数目远大于电子的数目（或者说以空穴导电为主） 本征半导体：没有掺杂的半导体 n=p
杂质ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ离
杂质电离能
Eg
离化态
施 主 电 离 能：△ED=EC-ED
如： V族元素在硅锗中电离能为： 0.044 和0.013 eV
施主杂质(IV->V)
提供载流子：导带电子
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
受主杂质(IV->III)
束缚空穴：
受B-原子吸引,绕原子运动 要形成自由空穴，要克服B原子的吸引力,给一定能量ΔEA。 能带中，越往下，空穴能量越高。（越往下的电子，越难激发形成空穴）
分立的能级 因为杂质含量低，不能共有化运动
中性态
未电离时称为中性态或者束缚态 T=0 K 在一定能量下，杂质中电子脱离原 子束缚而成为导电电子的过程 T≠0 K (热激发） 杂质电离时所需要的最少能量 Δ ED=Ec-ED，一般来说Δ ED <<Eg 杂质吸收能量释放电子后形成的带 电中心
杂质的双性行为
硅在砷化镓中既能取代镓而表现出施主杂质，又能取代砷表现出 受主杂质
等电子杂质
与基质晶体原子具有同数量价电子的杂质原子称为等电子杂质 （同族原子杂质）