材料学基础 杂质半导体
杂质补偿半导体
杂质补偿半导体
（实用版）
目录
1.半导体概述
2.杂质补偿半导体的概念和原理
3.杂质补偿半导体的应用
4.杂质补偿半导体的发展前景
正文
1.半导体概述
半导体是一种电子材料，介于导体和绝缘体之间，具有特殊的电导率特性。
半导体可以分为两大类：元素半导体和化合物半导体。
元素半导体主要包括硅（Si）、锗（Ge）等，化合物半导体包括砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）等。
半导体材料可以制成二极管、晶体管、场效应管等多种电子元件，广泛应用于电子、光电子和微电子领域。
2.杂质补偿半导体的概念和原理
杂质补偿半导体是指在半导体材料中掺杂一定量的杂质元素，以改变半导体的电导率特性。
杂质补偿半导体通常采用五价元素（如磷、砷）和三价元素（如硼、铟）进行掺杂。
掺杂过程中，五价元素会取代半导体晶格中的一部分四价元素，形成“空穴”（电子空位），而三价元素会取代半导体晶格中的一部分四价元素，形成“电子”。
这样，半导体材料中的电子浓度和空穴浓度得到平衡，使得半导体的电导率特性得到改善。
3.杂质补偿半导体的应用
杂质补偿半导体广泛应用于半导体照明、太阳能电池、光电子器件、微电子器件等领域。
例如，在半导体照明领域，通过杂质补偿可以提高 LED 器件的发光效率和稳定性；在太阳能电池领域，杂质补偿半导体可以提高
电池的光电转换效率，从而提高太阳能的利用率。
4.杂质补偿半导体的发展前景
随着科技的不断发展，对半导体材料的性能要求越来越高。
杂质补偿半导体技术作为一种提高半导体材料性能的有效手段，具有很大的发展潜力。
半导体 分类
半导体分类
半导体是指导电性介于导体和绝缘体之间的材料。
根据半导体的具体性质和用途，可以将其分为以下几类：
1. 基础半导体：基础半导体是指具有半导体特性的单一材料。
常见的基础半导体包括硅、锗、碲等。
2. 掺杂半导体：为了调节半导体的电性能，可以向其中掺入少量的杂质。
掺入少量的五价元素（如磷）会使半导体中出现多余的电子，形成n型半导体；而掺入少量的三价元素（如硼）会使半导体中出现少量的空穴，形成p型半导体。
3. 复合半导体：复合半导体通常由两种或两种以上不同的基础半导体通过特定的工艺方法组合而成。
复合半导体的性能一般比单一的基础半导体好，可以应用在更广泛的领域中。
4. III-V族半导体：III-V族半导体是指由III族元素和V族元素组成的半导体材料。
常见的III-V族半导体有氮化镓、砷化镓等，这些材料已经广泛应用于高频电子器件、光电器件等领域。
5. II-VI族半导体：II-VI族半导体是指由II族元素和VI族元素组成的半导体材料。
常见的II-VI族半导体有硫化锌、硒化镉等，这些材料在太阳能电池、蓝绿光发光二极管等领域有广泛的应用。
总之，半导体具有广泛的应用前景，不同类型的半导体材料和器件在不同的领域中都有着独特的应用价值。
- 1 -。
半导体基础
1.稳压管的伏安特性
1.3 稳压二极管
2.稳压管的主要参数 1).稳定电压 Uz 2).稳定电流 Iz 4）.动态电阻rz
5）.温度系数α
3）.额定功耗 PZM
1.3 稳压二极管
例： 如图所示是一个简单的并联稳压电路。 R为限流电阻，求 R 上的电压值VR和电流值。
1k + +
Vz 7V
_
Dz
热敏元件、光敏元件
1.1 半导体基础知识
3．杂质半导体 ⑴ N型半导体
在本征半导体中掺入五价 杂质（如磷），则形成N 型半导体，电子为多数载 流子，空穴为少数载流子， 主要依靠电子导电。
1.1 半导体基础知识
3．杂质半导体
⑵ P型半导体
在本征半导体中掺入 三价杂质，则形成P 型半导体，空穴为多 数载流子，电子为少 数载流子，主要依靠 空穴导电。
解：
1.2 半导体二极管
【例1－2】 电路如图所示，二极管导通电压UD～ 0.7V，分别计算开关断开和关闭时输出电压的数值
解：利用压降模型分析电路 开关断开时，输出电压为 U0=V1-UD=6-0.7=5.3V 开关闭合后，二极管外加反 向电压截止，故 输出电压为 V2＝12V
1.2 半导体二极管
1.1 半导体基础知识
1.1.2 PN结 1．PN结的形成
空穴电子 浓度差
引起 载流子扩散
空间电荷区 （耗尽层）
平衡 形成PN结
内建电场E 空间电荷区：只有少数载流子，导电性很差，看作绝缘区
1.1 半导体基础知识
PN结形成的动画
1.1 半导体基础知识
2．PN结的单向导电特性 ⑴ PN结加正向电压 ⑵ PN结加反向电压
形成空穴电流
固体与半导体物理-第九章 半导体中的杂质和缺陷能级
• 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
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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。
本征半导体与杂质半导体
本征半导体与杂质半导体什么是半导体？半导体是指不同于导体和绝缘体的一种具有中间导电性质的材料。
在外界条件下，半导体的导电性介于导体和绝缘体之间，具有独特的电学和光学性质。
常见的半导体有硅、锗、砷化镓等。
本征半导体本征半导体是指不加杂质掺入的半导体材料。
它的导电性主要来自于半导体内在的电子、空穴和晶格振动。
在整个半导体晶体中，电子和空穴的浓度是相等的。
在零温度情况下，本征半导体没有自由电子和空穴参与导电，也就是不存在电流。
杂质半导体杂质半导体是指通过杂质元素的掺入来改变本征半导体的电学性质。
杂质掺入后，会形成少量带电的杂质离子，使半导体内部形成电势差，进而产生电流。
常用的掺杂元素有硼、磷、锗等。
杂质掺入后，半导体会出现P型和N型两种类型。
P型半导体P型半导体中, 杂质原子掺入后，少了一个电子，也就是说出现了一个空穴。
这些空穴具有正电荷，所以P型半导体的载流子以空穴为主。
N型半导体N型半导体中，杂质原子掺入后，多一个电子，这些电子以自由电子为主。
当外界施加电场时，自由电子会在材料内移动，这就产生了电流。
P-N结P型和N型半导体结合起来就可以构成P-N结。
P-N结是当前半导体器件最重要的基本器件，应用极为广泛。
在P-N结内部，P型和N型材料的电子和空穴进行了扩散，形成耗尽区。
在放置一个外部电压时，P-N结内就会产生正向偏置和反向偏置的电场。
本征半导体和杂质半导体的应用本征半导体材料特有的性质，使它在制造电子元器件方面具有广泛应用。
例如，对于太阳电池等光电器件而言，选择的都是杂质半导体材料。
而在集成电路和半导体激光器等微电子领域，则更多地采用本征半导体。
此外，半导体材料还可应用于热电器件、热像仪等科学领域。
通过本文，可以了解到半导体材料，以及其分类：本征半导体和杂质半导体。
这两种半导体材料在电子器件制造及微电子领域应用极广，是当今世界发展的关键技术领域之一。
半导体基础知识
结电容： C j Cb Cd
清华大学 华成英 hchya@
§2 半导体二极管
一、二极管的组成 二、二极管的伏安特性及电流方程 三、二极管的等效电路 四、二极管的主要参数 五、稳压二极管
导通电压
0.6~0.8V 0.1~0.3V
反向饱 和电流
开启 电压
温度的 电压当量
开启电压
0.5V 0.1V
反向饱和电流
1µA以下 几十µA
从二极管的伏安特性可以反映出： 1. 单向导电性 u i IS (eU T 1) 正向特性为
指数曲线
若正向电压 UT，则i ISe u
u UT
3、本征半导体中的两种载流子
运载电荷的粒子称为载流子。 外加电场时，带负电的自由电 子和带正电的空穴均参与导电， 且运动方向相反。由于载流子数 目很少，故导电性很差。 温度升高，热运动加剧，载 流子浓度增大，导电性增强。 热力学温度0K时不导电。 两种载流子
二、杂质半导体
1. N型半导体
多数载流子 杂质半导体主要靠多数载流 子导电。掺入杂质越多，多子 浓度越高，导电性越强，实现 导电性可控。
一、二极管的组成
将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。
小功率 二极管
大功率 二极管
稳压 二极管
发光 二极管
二、二极管的伏安特性及电流方程
二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。
i f (u )
i IS (e
u UT
1)
(常温下 UT 26m ) V
材料
硅Si 锗Ge
半导体中的杂质和缺陷
不含任何杂质
实际应用中的
极其微量的杂质和缺陷， 能够对半导体材料的物理性质 和化学性质产生决定性的影响
在硅晶体中，若以105个硅原子中掺入一个杂质原子的比例掺入硼(B)原子，则硅晶体的导电率在室温下将增加103倍。 用于生产一般硅平面器件的硅单晶，位错密度要求控制在103cm-2以下，若位错密度过高，则不可能生产出性能良好的器件。(缺陷的一种)
添加标题
实验测得，Ⅴ族元素原子在硅、锗中的电离能很小，在硅中电离能约为0.04~0.05eV，在锗中电离能约为0.01eV，比硅、锗的禁带宽度小得多。
2.1.2 施主杂质、施主能级3
2.1.2 施主杂质、施主能级4
2.1.3 受主杂质、受主能级1
硅中掺入硼（B）为例，研究Ⅲ族元素杂质的作用。当一个硼原子占据了硅原子的位置，如图所示，硼原子有三个价电子，当它和周围的四个硅原子形成共价键时，还缺少一个电子，必须从别处的硅原子中夺取一个价电子，于是在硅晶体的共价键中产生了一个空穴。硼原子成为一个带有一个负电荷的硼离子（B-），称为负电中心硼离子。其效果相当于形成了一个负电中心和一个多余的空穴。
利用杂质补偿的作用，就可以根据需要用扩散或离子注入等方法来改变半导体中某一区域的导电类型，以制备各种器件。
若控制不当，会出现ND≈NA的现象，这时，施主电子刚好填充受主能级，虽然晶体中杂质可以很多，但不能向导带和价带提供电子和空穴，（杂质的高度补偿）。这种材料容易被误认为是高纯度的半导体，实际上却含有很多杂质，性能很差。
2.1.3 受主杂质、受主能级2
02
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03
单击此处添加小标题
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01
2.1.3 受主杂质、受主能级3
半导体基础知识
半导体基础知识1．什么是导体、绝缘体、半导体？容易导电的物质叫导体，如：金属、石墨、人体、大地以及各种酸、碱、盐的水溶液等都是导体。
不容易导电的物质叫做绝缘体，如：橡胶、塑料、玻璃、云母、陶瓷、纯水、油、空气等都是绝缘体。
所谓半导体是指导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。
如：硅、锗、砷化镓、磷化铟、氮化镓、碳化硅等。
半导体大体上可以分为两类，即本征半导体和杂质半导体。
本征半导体是指纯净的半导体，这里的纯净包括两个意思，一是指半导体材料中只含有一种元素的原子；二是指原子与原子之间的排列是有一定规律的。
本征半导体的特点是导电能力极弱，且随温度变化导电能力有显著变化。
杂质半导体是指人为地在本征半导体中掺入微量其他元素（称杂质）所形成的半导体。
杂质半导体有两类：N型半导体和P型半导体。
2．半导体材料的特征有哪些？（1）导电能力介于导体和绝缘体之间。
（2）当其纯度较高时，电导率的温度系数为正值，随温度升高电导率增大；金属导体则相反，电导率的温度系数为负值。
（3）有两种载流子参加导电，具有两种导电类型：一种是电子，另一种是空穴。
同一种半导体材料，既可形成以电子为主的导电，也可以形成以空穴为主的导电。
（4）晶体的各向异性。
3．简述N型半导体。
常温下半导体的导电性能主要由杂质来决定。
当半导体中掺有施主杂质时，主要靠施主提供电子导电，这种依靠电子导电的半导体叫做N型半导体。
例如：硅中掺有Ⅴ族元素杂质磷（P）、砷（As）、锑（Sb）、铋（Bi）时，称为N型半导体。
4．简述P型半导体。
当半导体中掺有受主杂质时，主要靠受主提供空穴导电，这种依靠空穴导电的半导体叫做P型半导体。
例如：硅中掺有Ⅲ族元素杂质硼（B）、铝（Al）、镓（Ga）、铟（In）时，称为P型半导体。
5．什么是半绝缘半导体材料？定义电阻率大于107Ω*cm的半导体材料称为半绝缘半导体材料。
如：掺Cr的砷化镓，非掺杂的砷化镓为半绝缘砷化镓材料。
掺Fe的磷化铟，非掺杂的磷化铟经退火为半绝缘磷化铟材料。
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取代Si原子
电子浓度）
P
N型半导体（自由电子浓度大
取代Si原子
于空穴浓度）
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
P 型半导体
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
N 型半导体
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LOGO P 型半导体
+4
+4
++34
+4
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LOGO Zn在GaAs化合物半导体中扩散
GaAs本征缺陷：VAs 、IAs、Ica、VGa、AsGa、GaAs Vas－Ａs晶格出现空位 IAs – As间隔原子 AsGa-As占据Ga晶格格点称反位缺陷
费米能级：晶体费米能级位置影响带电点缺陷浓度
扩散影 响因素
气相压强：不同的气压导致不同的缺陷浓度
接受一个 电子变为 负离子
硼原子
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空穴 掺入三价元素 掺杂浓度远大于本
征半导体中载流子浓 度，所以，空穴浓度 远大于自由电子浓度。
空穴称为多数载流 子（多子），
自由电子称为少数 载流子（少子）。
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LOGO PN结的形成
前一页 后一页
内电场越强，漂移
少子的漂移运动 运动越强，而漂移使
[4]史尚钊，孟繁萍.微波对n型硅半导体材料中PN结扩散的加速 作用[J].洛阳工业高等专科学校学报，1997.第7卷3期.
[5]周金廷.浅谈扩散工艺在半导体生产中的应用[J].科技创新 .2012,10. [6]秦曾煌，姜三勇.电工学[M].高等教育出版社 .2009,6.第7版.
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杂质半导体
LOGO
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LOGO 半导体
导电能力介乎导体和绝缘体之间的物质
分类
本征半导体： 将锗或硅材料提纯后形成的完全 纯净、具有晶体结构的半导体
单晶形态 杂志半导体： 在本征半导体中掺入某些微量元素
作为杂质 掺入的杂质主要是三价或五价元素
Ｂ，Ｐ
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LOGO 扩散
定义 物质中原子(或其他微观粒子)微观热运动所引起的的 宏观迁移现象
唯象 原子结构
扩散 热激活 条件 位置（晶体缺陷：空位，位错，界面等）
微观 机制
换位机制 间隙机制
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LOGO
PN结（P型半导体和N型半导体相接触区域） 与扩散
纯净硅晶体
掺入B
P型半导体（空穴浓度大于自由
空空扩间散电间的荷电结区荷果变区使宽。浓度差 多子的扩散运动
返回
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LOGO PN结扩散加速
方法 微波加热
原理
1，普通加热
能量由外部热源辐射给样品表面 能量通过传导作用向内传递 杂质粒子、母体点阵粒子获得同等能量 2，微波加热
杂志粒子可优先从微波源获得扩散能量
效果 微波加热扩散中，温度没达到普通加热所需温度，杂 志粒子就有了完成扩散所需的扩散能量；温度相同时 ，微波加热杂质粒子扩散能量大大超过普通加热，因 此PN结形成时间大大缩小。
空间电荷区也称 PN 结
空间电荷区变薄。
P 型半导体 －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
内电场E N 型半导体
扩散和漂 + + + + +移+这一对相 + + + + +反+的运动最
终达到动态 + + + + +平+衡，空间 + + + + +电+荷区的厚
度固定不变。
非平衡点缺陷：非平衡点缺陷又影响杂质扩散
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LOGO Zn在GaAs化合物半导体中扩散
扩散机制 间隙替换机制 关键假设 间隙粒子与替换粒子相比, 溶解度低, 受束
缚小, 扩散较快
向基体GaAs提供间隙粒子,Zni与Zn相互转换
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LOGO 文献
[1] 孙继忠，宋远红，宫野.GaAs中杂志Zn的扩散[J].半导体杂 志，1995,12.第20卷4期.
[2] 骆桂良，李观启，曾绍洪.关于硼杂志在二氧化硅中扩散机理 的探讨[J].
[3] 屈盛，刘祖明，陈庭金.晶体硅扩散层有效杂质的浓度分布 [J].太阳能学报，2006,3,27.第27卷3期.