半-Ch9半导体中的杂质和缺陷(精)
02 半导体中的杂质和缺陷
2.1.5 杂质的补偿作用
问题 假如在半导体材料中，同时存在着施主和受主杂质， 该如何判断半导体究竟是N型还是P型 ？
答
应该比较两者浓度的大小，
由浓度大的杂质来决定半导体的导电类型
杂质的补偿作用
施主和受主杂质之间有相互抵消的作用
考虑只有一种施主杂质和一种受主杂质的情况：
ND 施主杂质浓度
NA 受主杂质浓度
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
2.1.1 替位式杂质 间隙式杂质1
金刚石结构的特点
原子只占晶胞体积的34%，还有66%是空隙，这些空隙 通常称为间隙位置。 杂质的填充方式
一）杂质原子位于晶格 原子间的间隙位置， 间隙式杂质/填充；
间隙式杂质
二）杂质原子取代晶格 原子而位于晶格格点处
，替位式杂质
替位式杂质/填充。
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。
情况二
NA>>ND时，施主能级上 的全部电子跃迁到受主能 级上后，受主能级还有 (NA-ND)个空穴，它们可 以跃迁到价带成为导电空 穴，p=NA-ND≈NA，半导 体是P型的
有效杂质浓度
经过补偿之后，半导体中的净杂质浓度
当ND >NA时，则（ND-NA）为有效施主浓度 当NA >ND时，则（NA-ND）为有效受主浓度
第二章半导体中杂质和缺陷能级讲解备课讲稿
Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si P Si Si Si Si Si Si
杂质原子进入半导体硅后，只 可能以两种方式存在。
一种方式是杂质原子位于晶格 原子间的间隙位置，常称为间 隙式杂质；间隙式杂质原子一 般较小，如离子锂（Li+）。
空穴束缚在Ⅲ族原子附近，但这种束缚很弱 很小的能量就可使空穴摆脱束缚，成为在晶格中自由运
动的导电空穴，而Ⅲ族原子形成一个不能移动的负电中心。
硅、锗中的Ⅲ族杂质，能够接受电子而在价带中产生空 穴， 并形成负电中心的杂质，称为受主杂质或P型杂质， 掺有P 型杂质的半导体叫P型半导体。受主杂质未电离时 是中性的，电离后成为负电中心。
晶体
杂质
硫硒
碲
GaAs
0.006 0.006
0.03
GaP
0.104 0.102
0.0895
2.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的杂质能级
4、掺过渡族元素，制备高电阻率的半绝缘GaAs 5、 Ⅲ族的B、Al 取代Ga, Ⅴ族的P，锑取代As既
不是施主也不是受主杂质。 6、掺Ⅰ族元素 ，一般起受主作用。
当位错密度较高时，由于它和杂质之间的补偿作用，能 使浅施主杂质的n型Si、Ge中的电子浓度降低，而对p型Si、 Ge却没有这种影响。
本章小结
一 重要术语解释
1．掺杂
2. 本征半导体
3. 非本征半导体
4. 补偿型半导体
5.多数载流子
6. 少数载流子
7. n型半导体
8. p型半导体
9. 施主杂质，施主能级，施主杂质电离能
EC EA3 EA2 Ei EA1 ED EV
第二章 半导体中杂质和缺陷能级讲解
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
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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
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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
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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
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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
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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。
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缺陷、位错能级
1、热缺陷（晶格位置缺陷)
（2）肖特基缺陷（Schottky）
半导体材料中的缺陷与杂质控制技术
半导体材料中的缺陷与杂质控制技术半导体材料是现代电子器件制造中的关键材料之一。
为了保证半导体器件的性能和可靠性，需对半导体材料中的缺陷和杂质进行控制。
本文将重点讨论半导体材料中的缺陷与杂质控制技术。
一、半导体材料的缺陷类型半导体材料中常见的缺陷类型包括点缺陷、线缺陷和面缺陷。
点缺陷指的是材料中的单个原子或多个原子的缺失或占据，如空位和间隙原子；线缺陷是由材料中原子排列的缺陷引起的，如位错和脆性晶粒界；面缺陷则是材料表面或晶界处的缺陷，如二维氧化物缺陷和界面能带不平整。
二、缺陷对半导体性能的影响缺陷对半导体器件的性能和可靠性具有重要影响。
例如，点缺陷会降低半导体的载流子浓度，并影响电子迁移率和电阻；线缺陷会导致晶格畸变、局部应变和电子复合增加，降低载流子迁移率和器件寿命；面缺陷则会导致界面态和能带弯曲，进一步影响器件的电学性能。
三、缺陷与杂质控制技术为了控制半导体材料中的缺陷与杂质，需要实施一系列控制技术。
以下是几种常用的控制技术：1. 生长技术半导体晶体的生长是控制材料缺陷和杂质的重要方法。
例如，通过外延生长技术可以在晶体中控制点缺陷和线缺陷的形成；通过气相沉积技术可以控制杂质的浓度和分布。
2. 退火技术退火技术可以通过热处理来消除或减少材料中的缺陷和杂质。
例如，热退火可以使点缺陷移动和缩减；退火还可以使线缺陷部分消失或接近消失。
3. 加工工艺加工工艺可以通过控制材料的加工条件和方法来减少缺陷的形成。
例如，减小晶圆加工过程中的机械应力和温度梯度，可以减少缺陷的产生。
4. 杂质掺杂技术杂质掺杂技术可以通过控制材料中的杂质浓度和种类来改变材料的性能和控制缺陷。
例如，控制掺杂过程中的杂质浓度和扩散温度，可以有效控制杂质的分布和缺陷的形成。
5. 表面修饰技术表面修饰技术可以通过改变材料表面的能带结构来控制缺陷和杂质。
例如，通过表面处理或修饰来改变半导体材料的表面状态和化学反应性，可以减少表面缺陷和界面态的形成。
杂质和缺陷在半导体中的作用
杂质和缺陷在半导体中的作用半导体作为一种重要的材料，在现代科技和电子领域中扮演着重要的角色。
然而，即使是最纯净的半导体也不会是完美的。
杂质和缺陷不可避免地存在于半导体中，并对其性能和功能产生深远的影响。
本文将探讨杂质和缺陷在半导体中的作用，以及它们为半导体的应用带来的挑战和机会。
首先，让我们来关注杂质对半导体性能的影响。
杂质是指在晶体中插入的一些不同原子或分子。
这些杂质可以是意外存在的，也可以是有意添加的。
杂质的类型和浓度决定了半导体的电学性质。
例如，掺入少量的硼元素可以使硅半导体呈现P型特性，而掺入磷元素则使其呈现N型特性。
此外，其他金属杂质的存在也可以改变半导体材料的导电性能。
因此，通过控制杂质的类型和浓度，我们可以定制半导体材料的性能，以适应不同的应用需求。
此外，缺陷也是影响半导体性能的重要因素。
缺陷可以是晶体结构中的点状、线状或面状缺陷，也可以是晶粒边界或界面缺陷。
缺陷的存在会影响到半导体的电学、光学和热学性能。
例如，晶体缺陷可能导致载流子的散射和捕获，从而降低半导体的载流子迁移率和导电能力。
这对于电子器件的性能产生明显的影响。
另外，晶体缺陷还可能在光学应用中引起能带结构的变化，从而影响到光的吸收、发射和传输。
因此，在半导体制备和器件设计过程中，对缺陷的控制和优化是非常关键的。
然而，尽管杂质和缺陷会对半导体产生不可忽视的影响，但它们也为半导体的应用带来了一些机会。
例如，杂质和缺陷可以用来制造特定的半导体器件。
一些杂质如磷和铋可以增加半导体的禁带宽度，从而制造出高能隙的半导体材料，用于制备太阳能电池、激光器和LED等器件。
此外，通过引入特定的缺陷或控制晶体缺陷的分布，还可以改变半导体的磁性和光学性质，开发出新型的磁性材料和纳米光子学器件。
然而，杂质和缺陷也给半导体的制备和应用带来了一些挑战。
首先，杂质和缺陷的生成和控制是一个复杂的过程。
制备高纯度的半导体材料需要采用精细的制备工艺和精确的控制方法。
第二章 半导体中的杂质和缺陷
2、受主,受主电离和p型半导体 受主,受主电离和p ♦受主--能接受电子而产生导电空穴的杂质. 受主--能接受电子而产生导电空穴的杂质. --能接受电子而产生导电空穴的杂质 受主杂质上的空穴摆脱束缚, ♦受主电离 –受主杂质上的空穴摆脱束缚,成为 受主杂质上的空穴摆脱束缚 即价带电子激发到受主能级上) 价带空穴 (即价带电子激发到受主能级上) ♦ p型半导体 --主要依靠价带空穴导电的半导体 主要依靠价带空穴导电的半导体
n型和p型半导体都称为极性半导体 型和p
★ 表2 - 1
锗晶体中Ⅴ 硅, 锗晶体中Ⅴ族杂质的电离能
★ 表2 - 2
锗晶体中Ⅲ 硅, 锗晶体中Ⅲ族杂质的电离能
2.3
类氢模型
浅能级杂质未电离时， 浅能级杂质未电离时，可看作为 带电中心+ 带电中心+一个束缚于其上的载流子 杂质电离能: 等效玻尔半径: 杂质电离能: 等效玻尔半径:
晶格中占据格点位置(替代式 Ⅴ族杂质在Si,Ge晶格中占据格点位置 替代式 族杂质在 晶格中占据格点位置 格点原子), 是浅能级杂质,起施主作用 起施主作用. 格点原子 是浅能级杂质 起施主作用 晶格中占据格点位置(替代式 Ⅲ族杂质在Si,Ge晶格中占据格点位置 替代式 族杂质在 晶格中占据格点位置 格点原子), 是浅能级杂质,起受主作用 起受主作用. 格点原子 是浅能级杂质 起受主作用
Ge
Ge ‖ — Au — ︱ Ge
Ge
1、Au失去一个电子—施主 电离过程为 Au = Au+ +(－e)
Ec
Ge ︱ + — Au ︱ Ge
Байду номын сангаас
Ge
—
Ge
ED=Ev+0.04ev
半导体中杂质和缺陷能级ppt课件
EA
△EA≮Eg
杂质在半导体禁带中产生的能级距带边较远
UESTC Nuo Liu
最新课件
25
深能级杂质的特征
1 、浅能级施主能级靠近导带，浅能级受主能级靠
近价带；深能级施主则主要位于禁带中线下，深能级
受主主要位于禁带中线上。
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2、多重能级特性：一些深能级杂质产生多次电
离，导致多重能级特性。
• Ge：
△ED ～ 0.0064 eV
• Si:
△ED ～ 0.025 eV
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2.1.5、杂 质 的 补 偿 作 用
1、本征激发与本征半导体
（1）本征激发：在纯净半导体中，载流子的产生
必须依靠价带中的电子激发到导带，它的特点是
每产生一个导带电子就相应在价带中产生一个空
穴，即电子和空穴是成对产生的。这种激发称为
本征激发。
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即：n0=p0=ni（ ni为本征载流子浓度）
电子浓度
空穴浓度
（2）本征半导体：不含杂质的半导体就是
本征半导体。
ni= ni（T）
n0=p0=ni
最新课件
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• 在室温（RT=300K）下：
•
ni （Ge）
≌2.4×1013cm-3
•
≌1.5×1010cm-3
•
ni （Si）
深能级杂质在半导体中以替位式的形态存在，
一般情况下含量极少，它们对半导体中的导电电子
浓度，导电空穴浓度和材料的导电类型的影响没有
浅能级杂质显著，但对载流子的复合作用比浅能级
杂质强得多。
最新课件
33
2.4Ⅲ-Ⅴ族化合物中德尔杂质能级
第二章半导体中的杂质和缺陷讲解
氢 原 子 基 态E能 1 量 8m 00： 2qh42 氢原子电离态E能： 0
故基态电子的 E0电 E离 E18能 m 002qh42： (2)§2来自1.4 浅能级杂质电离能的简单计算
类氢模型
En
m0 q 4
8 02 h 2 n 2
起散射作用，使载流子迁移率减少，导电性能 下降。
§2.2 化合物半导体中的杂质能级
杂质在砷化镓中的存在形式 四种情况：
1〕取代砷 2〕取代镓 3〕填隙 4〕反位
§2.2.1 杂质在砷化镓中的存在形式
等电子杂质效应 1〕等电子杂质 特征：a、与本征元素同族但不同原子序数
例：GaP中掺入Ⅴ族的N或Bi
§2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
替位式杂质 间隙式杂质
一个晶胞中包含有八个硅原子，假设近似地把原子看成是半径为r的圆 球，那么可以计算出这八个原子占据晶胞空间的百分数如下：
2r 1 a 3 r= 3 a
4
8
说明还，有在66金%刚是石空型隙晶体中一个8 晶34a胞3内r 3的80个.3原4 子只占有晶胞体积的34%，
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
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－
§2.1.6 深能级杂质
4，Au获得第三个电子 Au-- ＋e＝ Au---
§2.1.2 施主杂质 施主能级
半导体物理(朱俊)第二章 半导体中的杂质和能级缺陷
例2：Au（Ⅰ族）在Si中
EC EA ED EV
两个深杂质 能级，真正 对少子寿命 起控制作用 的是最靠近 禁带中部的 受主能级 0.54eV。
其它两个可能的受主能级目前还没有测量到。
6.Si、Ge 元素半导体中的缺陷
(空位、自间隙原子)
(1)空位 (1) 空位
●受主杂质－ Ⅱ族元素
Ⅱ族元素（Zn、Be、Mg、Cd、Hg） 在GaAs中通常都取代Ⅲ族元素Ga原子 的晶格位置，由于Ⅱ族原子比Ⅲ族原子 少一个价电子，因此Ⅱ族元素杂质在 GaAs中通常起受主作用，均为 浅受主 。
常用掺Zn或Cd以获得Ⅲ－Ⅴ族化合物p型半导体
● 两性杂质－ Ⅳ族元素
Ⅳ 族 元 素 杂 质 （ Si、Ge、Sn、Pb） 在 GaAs中的作用比较复杂，可以取代Ⅲ族的 Ga，也可以取代Ⅴ族的As，甚至可以同时 取代两者，因此Ⅳ族杂质不仅可以起施主作 用和受主作用，还可以起中性杂质作用。 例如，在掺Si浓度小于1×1018cm-3时，Si全 部取代Ga位而起施主作用，这时掺Si浓度和 电子浓度一致；而在掺Si浓度大于1018cm-3 时，部分Si原子开始取代As 位，出现补偿 作用，使电子浓度逐渐偏低。
硅、锗在T=0K 时的Eg为1.170eV和0.7437eV
浅施主杂质电离能的计算（类氢原子模型）：
（1）：氢原子中的电子的运动轨道半 径为： 2
εrεo h 2 rH = n 2 moπ q
+
n=1 为基态电子的运动轨迹
Si 中受正电中心 P 束缚的电子的运动轨道半 径，考虑正负电荷处在介电常数不同的介质 中以及晶格周期性势场的影响：
原因：杂质原子的电子壳层结构、杂质原子的大 小以及杂质在半导体晶格中的位置等原因，而导 致杂质的多能级结构。
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§2.1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，只要有很少间隙式杂质替位式杂质硅中的施主杂质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。
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福州大学《固体物理及半导体物理》(01100847教案 2011-2012 学年下学期
热缺陷的数目随温度升高而增加 热缺陷中以肖特基缺陷为主（即原子空位为
主）。原因：三种点缺陷中形成 肖特基缺陷需要的能量最小。 淬火后可以“冻
结”高温下形成的缺陷。 退火后可以消除大部分缺陷。半导体器件生产工艺中，
经高温加工（如扩散） 后的晶片一般都需要进行退火处理。离子注入形成的缺陷
也用退火来消除。 点缺陷对半导体性质的影响 缺陷处晶格畸变，周期性势场被
破坏，致使在禁带中产生能级。 热缺陷能级大多为深能级，在半导体中起复合
中心作用，使非平衡载流子浓 度和寿命降低。 空位缺陷有利于杂质扩散 对
载流子有散射作用，使载流子迁移率和寿命降低。 2. 硅、锗晶体中的点缺陷 空
位易于间隙原子出现，因为空位周围有四个不成对电子，成为不饱和的共 价键，
所以空位表现出受主作用； 每个间隙原子有四个可以失去的电子，所以表现出
施主作用。 3. III-V 族化合物中的点缺陷 化合物成分偏离正常的化学比所引起的点
缺陷。当 T ＞ 0 K 时： 空位: VGa、间隙原子: GaI、反结构缺陷
(替位原子——Ga 原子占据 As 空位，或 As 原子占据 Ga 空位， 记为 GaAs 和
AsGa。 化合物晶体中的各类点缺陷可以电离，释放出电子或空穴，从而影响材料
的 电学性质。 ：当 Ga 的位置被 As 取代后，多出一个电子，相当于施
主； ：当 As 的位置被 Ga 取代后，少一个电子，相当于受主； 4. 离子晶
体中的点缺陷 Ⅱ-Ⅵ 族化合物半导体中主要是离子键起作用，正负离子相间排列组
成了非常 稳定的结构，所以外界杂质对它们性能的影响不显著。 其导电类型主要
是由它们自身结构的缺陷（间隙原子或空格点）所决定，这 类缺陷在半导体中常
起施主或受主作用。 .a. 负离子空位：产生正电中心，起施主作用——电负性小；
-6Revised time: 2012-05-08 制作人：微电子学系 王少昊
福州大学《固体物理及半导体物理》(01100847教案 2011-2012 学年下学期 b.
正离子填隙：产生正电中心，起施主作用； c.正离子空位：产生负电中心，起受主
作用——电负性大； d.负离子填隙：产生正电中心，起受主作用。 离子性强的
化合物半导体（M,X），正离子空位是受主，负离子空位是施主， 金属原子为间
隙原子时为施主，非金属原子为间隙原子时为受主 5. 替位原子造成的反结构缺陷
特征：出现在化合物半导体中； 化合物半导体：A、B 两种原子组成的半导体。 6.
位错 位错是半导体中的一种缺陷，它对半导体材料和器件的性能会产生严重的影
响。 例子：锗中的 60° 棱位错——图 2-18(a 位错线在（111 ）面内
方向，滑移方向是 ，位错线和滑移方向之 间的夹角是 60° 。图 2-
18(b为其中一个位错截面。 在棱位错周围，晶格发生畸变，在体积形变时，导带
底 Ec 和价带顶 Ec 的改变 可以分别表示为
其中 εc 和 ε c 称为形变势常数，而 Ec0 和 Ev0 分
别为完整半导体内导带底和价带 顶位置，所以禁带宽度变化为
棱位错对半导体性能的影响 位错线上的悬挂键可以接受电子变为负
电中心，表现为受主；悬挂键上的一 个电子也可以被释放出来而变为正电中心，
此时表现为施主，即不饱和的悬 挂键具有双性行为，可以起受主作用，也可以起
施主作用。 位错线处晶格变形，导致能带变形； 位错线影响杂质分布均匀
性； 位错线若接受电子变成负电中心，对载流子有散射作用。（第四章） 影
响少子寿命，原因：一是能带变形，禁带宽度减小，有利于非平衡载流子 复合；
二是在禁带中产生深能级，促进载流子复合。（第五章） -7Revised time: 2012-05-
08 制作人：微电子学系 王少昊