2012半导体物理第二章-2+
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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
半导体物理第二章ppt课件
引进有效质量，半导体中的电子所受的外力与
加速的关系和牛顿第二定律类似。
3、引进有效质量的意义：
由
a= f
m
* n
可以看出有效质量概括了半导体内
部势场的作用，使得在解决半导体中电子在
外力作用下的运动规律时，可以不涉及半导
体内部势场的作用。
课堂练习：习题3（P58)
2.6.3 状态密度、态密度有效质量、电导有效质量
近出现了一些空的量子状态，在外电场的作用下， 停留在价带中的电子也能够起导电的作用，把价带 中这种导电作用等效于把这些空的量子状态看做带 正电荷的准粒子的导电作用，常称这些空的量子状 态为空穴
2.3.2 金属、半导体、绝缘体的能带
2.4 半导体的带隙结构
间接能隙结构—即价带的最高 点与导带的最低点处于K空间 的不同点
3、 测不准关系
当微观粒子处于某一状态时，它的力学量（坐 标、动量、能量等）一般不具有确定的数值。
如： p g xh 同 一 粒 子 不 可 能 同 时 确 定 其 坐 标 和 动 量
测不准原理告诉我们,对微观粒子运动状态分 析，需用统计的方法。
4、 波函数
波函数 r ,t 描述量子力学的状态
= hk m
h2k 2 E
2m
对于波矢为k的运动状态，自由电子的能量E和动
量P，速度v均有确定的数值，因此，波矢量 k可
用以描述自由电子的运动状态，不同的k值标致
自由电子的不同状态。
6、 单原子电子
电子的运动服从量子力学，处于一系列特定的 运动状态---量子态，要完全描述原子中的一个电 子的运动状态，需要四个量子数。
氧的电子组态表示的意思：第一主轨道上有两个电子 ，这两个电子的亚轨道为s，（第一亚层）；第二主轨 道有6个电子，其中有2个电子分布在s 亚（第一亚层） 轨道上，有4个电子分布在p亚轨道上（第二亚层）
半导体物理学第二章
r相对介电常数
5 杂质的补偿作用
• 同时掺入P型和n型两种杂质，它们会相互抵消。 • 若ND>NA,则为n型半导体，n= ND-NA ； • 反之为P型，p= NA-ND。 • 其净杂质浓度称之为“有效杂质浓度”。 • 值得注意的是，当两种杂质的含量均较高且浓度基本相同
时，材料容易被误认为是“高纯半导体”，实际上，过多 的杂质含量会使半导体的性能变差，不能用于制造器件。
空位缺陷的最近邻有四个原子，每个原子有一个不成对 的电子，为不饱和的共价键，有接受电子的倾向，表现 出受主的作用。反之，间隙缺陷有四个可以失去的价电 子，表现为施主。
热缺陷产生的原因
• 系统的热平衡取决于自由能 F= U-TS。而S=klnW，设 熵是由组态变化引起。在N个原子的晶体中，有n个空位， 则排列方式为W=(N+n)!/N!n!种。
• 结论：掺磷(5价)，施主，电子导电，n型半导体。
半导体的掺杂
施主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的电子， 并成为带正电的离子。如Si中的P 和As
ED
As
N型半导体
施主能级
EC ED
EV
3 受主杂质 受主能级
• 在硅中掺入3价的硼B，硼原子有3个价电子，与周围四个 硅原子形成共价鍵，缺少一个电子，必须从周围获得一 个电子，成为负电中心B-。
主要讨论杂质和缺陷：
杂质的影响：105个硅原子中有一个杂质硼原子，室温电 导率增加103个数量级。 缺陷的影响：硅平面器件要求位错密度控制在103cm2以下。 原因1.破坏了周期性势场； 2.在禁带中引入了杂质能级。
与理想情况的偏离的影响
• 极微量的杂质和缺陷，会对半导体材料 的物理性质和化学性质产生决定性的影 响，同时也严重影响半导体器件的质量。 – 1个B原子/ 1 0 5 个Si原子 在室温下电导率提高1 0 3 倍 – Si单晶位错密度要求低于 103cm2
5 杂质的补偿作用
• 同时掺入P型和n型两种杂质，它们会相互抵消。 • 若ND>NA,则为n型半导体，n= ND-NA ； • 反之为P型，p= NA-ND。 • 其净杂质浓度称之为“有效杂质浓度”。 • 值得注意的是，当两种杂质的含量均较高且浓度基本相同
时，材料容易被误认为是“高纯半导体”，实际上，过多 的杂质含量会使半导体的性能变差，不能用于制造器件。
空位缺陷的最近邻有四个原子，每个原子有一个不成对 的电子，为不饱和的共价键，有接受电子的倾向，表现 出受主的作用。反之，间隙缺陷有四个可以失去的价电 子，表现为施主。
热缺陷产生的原因
• 系统的热平衡取决于自由能 F= U-TS。而S=klnW，设 熵是由组态变化引起。在N个原子的晶体中，有n个空位， 则排列方式为W=(N+n)!/N!n!种。
• 结论：掺磷(5价)，施主，电子导电，n型半导体。
半导体的掺杂
施主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的电子， 并成为带正电的离子。如Si中的P 和As
ED
As
N型半导体
施主能级
EC ED
EV
3 受主杂质 受主能级
• 在硅中掺入3价的硼B，硼原子有3个价电子，与周围四个 硅原子形成共价鍵，缺少一个电子，必须从周围获得一 个电子，成为负电中心B-。
主要讨论杂质和缺陷：
杂质的影响：105个硅原子中有一个杂质硼原子，室温电 导率增加103个数量级。 缺陷的影响：硅平面器件要求位错密度控制在103cm2以下。 原因1.破坏了周期性势场； 2.在禁带中引入了杂质能级。
与理想情况的偏离的影响
• 极微量的杂质和缺陷，会对半导体材料 的物理性质和化学性质产生决定性的影 响，同时也严重影响半导体器件的质量。 – 1个B原子/ 1 0 5 个Si原子 在室温下电导率提高1 0 3 倍 – Si单晶位错密度要求低于 103cm2
半导体物理学-第二章-半导体中的杂质和缺陷
m* mo
1
r2
moq4
8
2 o
h2
m* mo
1
r2
E0
施主杂质电离能
ED
mn*q 4
8
r2
2 0
h
2
mn* m0
E0
2 r
受主杂质电离能
E A
m*p q 4
8
r2
2 0
h
2
m*p m0
E0
2 r
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
剩余电子本质上是 在晶体中运动
对于Si、Ge掺P
m* eSi
0.26m0 ,
m* eGe
0.12m0 rSi 12, rGe 16, r2 100
Ec ED Ev
施主能级靠近导带底部
ED
me* mo
1
r2
E0
ED,Si 0.025 eV ED,Ge 0.064 eV
估算结果与实测值有 相同的数量级
b：替位式杂质 特点：杂质原子的大小与被替代的晶格原子大小
可以相比，价电子壳层结构比较相近，Ⅲ和Ⅴ族元 素在Si，Ge中都是替位式
单位体积中的杂质原子数称为杂质浓度
A: 间隙式→杂质位于间隙
位置。
Si
Li：0.068nm
B:替位式→杂质占据格点 Si
位置。大小接近、电子
壳层结构相近
Si
Si：r=0.117nm B：r=0.089nm P：r=0.11nm
主要内容
§2-1 元素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
第2章 半导体物理概论
《半导体材料及工艺》
河南科技大学
第二章 半导体物理概论
2.1 半导体中电子的能量状态 2.2 半导体的导电性 2.3 半导体中的额外载流子
2.1 半导体中电子的能量状态
2.1.1 能带理论 2.1.2 半导体的能带结构 2.1.3 半导体中的载流子 2.1.4 载流子的有效质量
2.1.1 能带理论
2.1.2 半导体的能带结构
禁带宽度：导带底与价带顶之间的间隙。
直接禁带
间接禁带
直接带隙半导体
价带的极大值和导带的极小 值都位于k空间的同一点上 价带的电子跃迁到导带时， 只要求能量的改变，而电子 的准动量不发生变化，称为 直接跃迁 直接跃迁对应的半导体材料 称为直接禁带半导体 例子：GaAs，GaN，ZnO
有些半导体中，既有n型杂质又有p型杂质 N型杂质和P型杂质先相互补偿，称为杂质补偿效应
EC ED Eg EA EV
（4）载流子热平衡条件
温度一定时，两种载流子浓度乘积等于本征浓度 的平方。
np = ni
2 2 2 2
ni为本征载流子浓度 本征半导体 n型半导体 p型半导体
相邻原子壳 层形成交叠
共有化运动
多电子原子能级
晶体是由大量的原子组成，由于原子间距离很小， 原来孤立原子的各个能级将发生不同程度的交叠： 1. 电子不再完全局限于某一个原子，形成“共有化” 电子。 2. 原来孤立的能级便分裂成彼此相距很近的N个能 级，准连续的，可看作一个能带
自由电子的电子状态
+4 +4 +4
额外的电子
+4 +5 +4 +4
P替位式掺入Si中，其 中四个价电子和周围的 硅原子形成了共价键， 还剩余一个价电子 相当于形成了一个正电 中心P＋和一个多余的 价电子
河南科技大学
第二章 半导体物理概论
2.1 半导体中电子的能量状态 2.2 半导体的导电性 2.3 半导体中的额外载流子
2.1 半导体中电子的能量状态
2.1.1 能带理论 2.1.2 半导体的能带结构 2.1.3 半导体中的载流子 2.1.4 载流子的有效质量
2.1.1 能带理论
2.1.2 半导体的能带结构
禁带宽度：导带底与价带顶之间的间隙。
直接禁带
间接禁带
直接带隙半导体
价带的极大值和导带的极小 值都位于k空间的同一点上 价带的电子跃迁到导带时， 只要求能量的改变，而电子 的准动量不发生变化，称为 直接跃迁 直接跃迁对应的半导体材料 称为直接禁带半导体 例子：GaAs，GaN，ZnO
有些半导体中，既有n型杂质又有p型杂质 N型杂质和P型杂质先相互补偿，称为杂质补偿效应
EC ED Eg EA EV
（4）载流子热平衡条件
温度一定时，两种载流子浓度乘积等于本征浓度 的平方。
np = ni
2 2 2 2
ni为本征载流子浓度 本征半导体 n型半导体 p型半导体
相邻原子壳 层形成交叠
共有化运动
多电子原子能级
晶体是由大量的原子组成，由于原子间距离很小， 原来孤立原子的各个能级将发生不同程度的交叠： 1. 电子不再完全局限于某一个原子，形成“共有化” 电子。 2. 原来孤立的能级便分裂成彼此相距很近的N个能 级，准连续的，可看作一个能带
自由电子的电子状态
+4 +4 +4
额外的电子
+4 +5 +4 +4
P替位式掺入Si中，其 中四个价电子和周围的 硅原子形成了共价键， 还剩余一个价电子 相当于形成了一个正电 中心P＋和一个多余的 价电子
半导体物理课件 第2章2
晶 体 Si Ge
杂
B
0.045 0.01
质
Ga
0.065 0.011
Al
0.057 0.01
In
0.16 0.011
Si、Ge而言，施主通常是III族元素。电离能较小。 Si、Ge而言，施主通常是III族元素。电离能较小。 而言 III族元素 In在Si中是个例外 中是个例外。 但In在Si中是个例外。
图2-4 施主能级和施主电离
电离能∆E 电离能 应主要关注的参数： 施主杂质电离能 D
硅锗中常见施主杂质及电离能∆ED
表2-1 硅锗中常见杂质电离能(单位:ev) 硅锗中常见杂质电离能(单位:ev)
晶 体 Si Ge
杂
P
0.044 0.0126
质
As
0.049 0.0127
Sb
0.039 0.0096
2.3缺陷、位错能级
2.3.1 点缺陷
热缺陷（由温度决定） 1. 热缺陷（由温度决定）
晶格原子吸收热能后挤入晶格间隙 挤入晶格间隙，产生间隙原子和空位。 挤入晶格间隙 同时也存在反过程，两者最终达热平衡状态。
(a).弗伦克尔缺陷 (a).弗伦克尔缺陷
成对出现的间隙原子和空位。
(b).肖特基缺陷 (b).肖特基缺陷
对Si、Ge而言，深能级杂质通常为 非III、V族元 素（图2-9）。
金是 I 族元素 (目前无完善的理论能够说明，只能定性)
故可失去一个电子，施主能级略高于价带顶； 也可得到三个电子，形成稳定的共价键结构。 实际中，Au在Si：一受主、一施主能级。 一受主、一施主 实际中 一受主 在Ge中：三受主，一施主能级。
思考： 思考：重掺杂时，禁带变窄的原因？
半导体物理学简明教程答案陈志明编第二章-半导体中的载流子及其输运性质-课后习题答案
半导体物理学简明教程答案陈志明编第二章-半导体中的载流子及其输运性质-课后习题答案半导体物理学简明教程 0第二章 半导体中的载流子及其输运性质1、对于导带底不在布里渊区中心，且电子等能面为旋转椭球面的各向异性问题，证明每个旋转椭球内所包含的动能小于（E －E C ）的状态数Z 由式（2-20）给出。
证明：设导带底能量为CE ，具有类似结构的半导体在导带底附近的电子等能面为旋转椭球面，即⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=-l t C m k m k k E k E 23222122)(与椭球标准方程2221122221k k k a b c++=相比较，可知其电子等能面的三个半轴a 、b 、c 分别为212])(2[ c t E E m b a -==212])(2[c l E E m c -=于是，K 空间能量为E 的等能面所包围的体积即可表示为232122)()8(3434C t l E E m m abc V -==ππ因为k 空间的量子态密度是V/(4π3)，所以动能半导体物理学简明教程0半导体物理学简明教程 02/132/3*2)()2(2)(E E m V E g Vp V -= π2、完成本章从式（2-42）到（2-43）的推演，证明非简并半导体的空穴密度由式（2-43）决定。
解：非简并半导体的价带中空穴浓度p 0为 dE E g E f p VB E E VV)())(1('0-=⎰带入玻尔兹曼分布函数和状态密度函数可得dE E E TK E E m p V E E Fp VV21'0323*20)()exp()2(21--=⎰π令,)()(0T K E Ex V-=则121021)()(x T K E E V =-Tdxk E E d V 0)(=-将积分下限的E'V （价带底）改为-∞，计算可得)exp()2(202320*0TK E E T k m p FV p -=π令3230*2320*)2(2)2(2h T k m T k m N p p V ππ==则得)ex p(00Tk E E N P VF V --=半导体物理学简明教程 13、当E －E F =1.5kT 、4kT 、10kT 时，分别用费米分布函数和玻耳兹曼分布函数计算电子占据这些能级的几率，并分析计算结果说明了什么问题。
半导体物理 第二章 PN结 图文
国家级精品课程——半导体器件物理与实验
第二章 PN结
引言
4-4 外延工艺：
外延是一种薄膜生长工艺，外延生长是在单晶衬底上沿晶体 原来晶向向外延伸生长一层薄膜单晶层。
外延工艺可以在一种单晶材料上生长另一种单晶材料薄膜。
外延工艺可以方便地形成不同导电类型，不同杂质浓度，杂 质分布陡峭的外延层。
外延技术：汽相外延(PVD，CVD）、液相外延（LPE）、分 子束外延（MBE）、热壁外延（HWE）、原子层外延技术。
硅平面工艺的主体
国家级精品课程——半导体器件物理与实验
第二章 PN结
引言
4-1 氧化工艺：
1957年，人们发现硅表面的二氧化硅层具有阻止杂质向硅内 扩散的作用。这一发现直接导致了氧化工艺的出现。 二氧化硅薄膜的作用： （1）对杂质扩散的掩蔽作用； （2）作为MOS器件的绝缘栅材料； （3）器件表面钝化作用； （4）集成电路中的隔离介质和绝缘介质； （5）集成电路中电容器元件的绝缘介质。 硅表面二氧化硅薄膜的生长方法： 热氧化和化学气相沉积方法。
N(x) （a）
Na
Nd xj
（b） -a(x - xj)
引言
扩 SiO2 散 结 N-Si
杂质扩散
P
N-Si
N-Si
由扩散法形成的P-N结，杂质浓度从P区到N区是
逐渐变化的，通常称之为缓变结，如图所示。设 P-N结位置在x=xj处，则结中的杂质分布可表示为： x
Na Nd (x xj), Na Nd (x xj)
Al
液体
Al
P
N-Si
N-Si
N-Si
把一小粒铝放在一块N型单晶硅片上， 加热到一定温度，形成铝硅的熔融体， 然后降低温度，熔融体开始凝固，在N 型硅片上形成含有高浓度铝的P型硅薄 层，它和N型硅衬底的交界面即为P-N 结（称之为铝硅合金结）。
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四个能级
金是I族元素，中性金原子(Au0 )只有一个价电子，它 取代锗晶格中的一个锗原子而位于晶格点上，金比锗少三 个价电子，中性金原子的这一个价电子，可以电离而跃迁 到导带，这一施主能级为ED。因此，电离能为(Ec—ED )。
因为金的这个价电子被共价键所束缚，电离能很大， 略小于锗的禁带宽度，所以，这个施主能级靠近价带顶。
18cm-3时，取代镓原子的硅施主浓度与取代 度为10
砷原子的硅受主浓度之比约为
5.3:l。
硅在砷化镓中既能取代镓而表现为施主杂质，又能
取代砷而表现为受主杂质，这种性质称为
杂质的
双性行为。
锗、锡在砷化镓中及硅在磷化镓中，都表现出双性 行为。
硅取代砷所产生的受主能级在(Ev+0.003)eV处.
杂质的双性行为
N的电负性大于P，共价半径小于P。作为等
铋的共价半径和电负性分别为0．146nm和1.9, 铋取代磷后能俘获空穴。
它的电离能是△E＝0.038eV？
等电子陷阱俘获载流 子后成为带电中心
带电中心由库仑作用能俘获相反符号的载流子，
形成
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）。
等电子络合物也能形成等电子陷阱
等电子杂质----是与基质晶பைடு நூலகம்
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，仍是电中性。
等电子杂质、等电子杂质效应
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。
原子间序数不同，这些原子的 带电中心就称为
等电子陷阱
等电子杂质、等电子杂质效应
并非周期表中同族元素均能形成等电子陷阱
硼、铝、镓、 铟、铊和VA族元素氮、磷、砷、 锑、铋组成二元化合物
周期表中的IIIA族元素 III—V族化合物成分化学比1：1
（由
铝、镓、铟和磷、砷、
锑形成九种化合物(AlP，Al Sb，AlAs，GaP，GaAs，
GaSb，InP，InAs，InSb）
闪锌矿型结构
间隙式杂质，或者成为取代晶格原子的替
杂质进入III—V族化合物，或处晶格原子间隙中的
位式杂质，情况比硅、锗更复杂。
复杂原因：环境
杂质可取代III族原子， 也可能取代V族原子
替位式
杂质原子用围 V族原子等
环境可能是四个III族原子或四个
砷化镓中替位式杂质和间隙式杂质的平面示意图，A、 B分别是取代镓和砷的杂质，C为间隙杂质。
III-V族化合物进行提纯制备单晶的技术比硅、锗等元 素半导体困难（近年来III-V族化合物的单晶制备技术的发展，使晶体完整性、晶
铍、镁、锌、镉在
磷化镓中引入浅受主能级：
(Ev+0.056)eV 、 (Ev+0.054)eV 、 (Ev+0.064)eV 、 (Ev+0.009)eV
在
磷化铟中，锌、镉起浅受主杂质作用：
掺锌或镉以获得III-V族化合 物的p型材料
常用 砷化镓二极管也用镁
3. III、V族元素 III族杂质(如硼、铝等)和V族杂质(如磷、锑等) 掺入不是由它们本身形成的III、V族化合物中时， 例如掺人砷化镓中，则实验中测不到这些杂质的影 响。
级，硒产生的能级尚待进一步研究。氧在硅
中产生能级的情况也不很清楚。
过渡族金属元素锰、铁、钴、镍在锗中都各自 产生两个受主能级，其中钴还产生一个施主能 级；但是，在硅中，锰、铁产生施主能级，而 钴、镍则产生两个受主能级。
III族元素铟和铊在硅中会产生一个深受主能级。
杂质为什么会产生多个 能级呢?
杂质能级是与杂质原子的电子壳层结构、杂质原子 的大小、杂质在半导体晶格中的位置等因素有关。
目前无完善的理论，可 作粗略定性解释。
讨论：杂质在硅、锗中的主要存在方式是
替代
式。分析能级情况，从四面体共价键的结构出发，
下面以
金在锗中产生的能级为例来说明。金在锗中
产生四个能级，如图。
ED是施主能级，EA1EA2 EA3是三个受主能级，它们都 是深能级。 图中Ei是禁带中线位置，禁带中线以上的能级，注明 离导带底的距离，禁带中线以下的能级，注明离价带顶的 距离。
接受第二个电子后，Au变为Au-- ，相应的受主能级 为EA2，其电离能为(EA2—Ev)。接受第三个电子， Au--－ 变为Au--- －－ ，相应的受主能级为EA3 ，其电离能为 (EA3 — Ev)。上述的Au- ， Au-- ， Au---分别表Au0 成为带一 个、两个、三个电子电荷的负电中心。
原因：
原子起着施主杂质的作用，而且硅也取代了一部 这是因为在硅杂质浓度较高时，硅原子不仅取代镓
分V族砷原子而起着受主杂质的作
用．对取代III族原子镓的硅施主杂质起到
补偿作
用，从而降低了有效施主杂质浓度，电子浓度趋于饱
和 。
但硅杂质的总效果是起施主作用，保持 砷化镓为n型半导体。
实验还表明：砷化镓单晶体中硅杂质浓
如在磷化镓中，以锌原子代替镓原子位置，以氧原 子代替磷原子位置，当这两个杂质原子处于相邻的 晶格点时,形成一个电中性的Zn-O结合物。 由于锌比镓阳性强，氧比磷阴性强，锌、氧结 合要比锌、磷或镓、氧结合更紧密。锌、镓电负性 均为1.6，氧的电负性为3.5，比磷的大，所以形成 Zn-O之后，能俘获电子。
在硅中，铜产生三个受主能级，银和金 各自产生一个受主能级和一个施主能级。杂 质锂在硅、锗中是间隙式杂质，它产生一个 浅施主能级。
II族元素锌、镉、汞在硅、锗中均产止两个受 主能级，其中汞在硅中还产生两个施主能级。 铍在锗中产生两个受主能级，在硅中产生一个 受主能级，镁在硅中产生两个受主能级。
VI族元素硫、硒、碲在锗中各产生两个施主能级。 在硅中，硫产生三个施主能级．碲产生两个施主能
深能
级杂质。
(2)大多深能级杂质能够产生
多次电离，
每一次电离相应地有一个能级。这些杂质在硅、锗 的禁带中往往引入若干个能级。
既能引入施主能级， 又能引入受主能级。
有的杂质
2807 C 1064.43 196.966 79 2,8,18,32,18,1 Gold 5d1
I族：铜、银、金在锗中均产生三个受主能级，共中金还 产生一个施主能级。
可用类氦模型计算杂质的电离能
2．2 III—V族化合物中的
杂质能级
解，硫化物、硒化物、碲化物重要光敏半导体材料。氧
人能级的情况还不完全清楚，
硅、鍺相对较了解， III—V有了
化物、硫化物是主要热敏材料等等，杂质在这些材料中引
很不了解。
以 能级的情况
GaAs为代表的III—V族化合物半导体中杂质
带中的电子浓度应随硅杂质浓度的增加而线性增加。 如 图2-13
砷化镓电子浓度与硅杂质浓度关系
硅杂质电离后，硅原子向导带提供一个导电电子,导
测得硅在砷化镓中引入一浅施主能级(Ec-0.002)eV起施主作用。
导带电子浓度趋向饱和。
如图2-13
砷化镓电子浓度与硅杂质浓度关系
但实验表明：硅杂质浓度升高到—定程度之后，
俘获电子后， Zn-O带负电，电子电离能为0.30eV.
4.
IV族元素
取代III族？起施主作用 取代V族？起受主作用
施主作 用还是受主作用，与掺杂浓 度及掺杂时的外界条件 有关。
的晶格点上，这时杂质总效果是起
IV族元素可杂乱分布在III族原子和V族原子
测得硅在砷化镓中引入一浅施
主能级(Ec-0.002)eV起施主作用。
符号“+”或“-”分别表示该能级是施主能级或受主能 级，而符号“?’’表示该能级还有疑问．要进—步弄清楚。
由图，非Ⅲ 、V族杂质在硅、锗中产生的能级有以下 两个特点：
(1)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，它们产生的受主能级距离价带顶也较远, 通常称这种能级为深能级，相应的杂质称为
分析方法可以用来说明在硅、锗中形成深能级的杂质， 基本上与实验情况相一致。
许多化学元素在硅、锗中产生能级的情况还没 有研究过。
许多能级存在疑问，如氧在硅、锗中的能级， 银、硒、碲、钼在硅中的能级，铜、锰、硫、铬在 锗中的能级，需进一步研究。
有些杂质的能级没有完全测到 如硅中的金杂质，只测到一个施主能级和—个受主能 级，这可能是因为这些受主态或施主态的电离能大于禁带 宽度，相应的能级进入导带或价带，所以在禁带中就测不 到它们。
2．1．6
深能级杂质
半导体硅、锗中，除Ⅲ 、V族杂质在禁带中产生浅能级 以外，如果将其他各族元素掺人硅锗中，情况会怎样呢?
实验测量表明，它们也在硅、锗的禁带中产生能级。 在硅中的情况如图2-8所示：
锗中的情况图2-9所示
标注： 禁带中线以上的能级注明离开导带底的距离， 在禁带中线以下的能级注明离开价借顶的距离．
硅在砷化镓中还产生两个能级－－更复杂缺陷结构
IIIA族元素硼、铝、镓、铟、铊 VA族元素氮、磷、砷、锑、铋
一般情况
既不是施主杂质又不是受主杂质，而是电中性的 杂质，在
禁带中不引入能级（壳
层相近）。
III族原子取代镓，V 族原子取代砷
例外
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。
缺陷－－等电子缺陷
能级称为等电子陷阱
所产生效应称为等电子杂质效应
电离以后，中性金原子Au0就成为带一个电子电荷的 正电中心Au+ 。
另一方面，中性金原子还可以和周围的四个锗原子形 成共价键。
在形成共价键时，它可以从价带接受三个电子形成 EA1EA2 EA3三个受主能级。金原子Au0接受第一个电子后变 为Au- ，相应的受主能级为EA1，，其电离能为(EA1—Ev)。