第二章晶体结构的缺陷(第4讲)
n型化合物半导体 例如，化合物GaAs中掺Te ，六价的Te 替代五价的As可形成施主能级， 成为n型GaAs杂质半导体。
ｐ型化合物半导体
例如，化合物 GaAs中掺Zn，二价的Zn 替代三价的Ga可形成受主能级，
成为p型GaAs杂质半导体。
第二章晶体结构的缺陷(第4讲)
2.7 半导体晶体中的掺杂缺陷—电子缺陷
（1）固体的能带结构
根据能带理论，当原子或离子紧密堆积形成晶体时，外层 价电子是离域的，所有的价电子归整个晶格的原子所共有。 • 外层电子(能量高) 势垒穿透概率较大，可以在整个固体中 运动, 称为共有化电子。 内层电子与原子核结合较紧,一般是非共有化电子。 • 价电子波函数线性组合形成的分子轨道在空间上延伸到整 个晶体。 • 分子轨道数目很多，而其能量间隔极小，所以就形成。
第二章晶体结构的缺陷(第4讲)
分子轨道理论的延伸: 有限到无限,一维到三维
当n 时的线性氢原子链Hn的能级分布图 第二章晶体结构的缺陷(第4讲)
根据电子占据情况能带分为： • 满带：由充满电子的能级构
成，能量较低； • 价带：由未充满电子的能级
构成，能量较高； • 空带：由未填电子的能级构
成，能量较高； 禁带：满带顶到导带底之间
Si 中 掺 P 时ED为0.045eV
紧靠空带处, E～10-2eV， 电子容易受激发跃迁到导带中，
空带
E
成为导电的电子 。
施主能级 ED
ED
施主能级
Eg
施主杂质束缚的电子的能级；
杂质给出的电子所在的能级；
满带
杂质提供的带电子的能级。
施主（donor）能级
第二章晶体结构的缺陷(第4讲)
硅、锗单晶中掺入P、As等杂质的电离反应：
2.8 非化学计量化合物（缺陷）
一般化合物其化学式符合倍比定律和定比定律 。
非化学计量化合物：组成不符合倍比和定比定律， 偏离其化学式的化合物。
例如：方铁矿 （ Fe0.89O 至 Fe0.96O，通常记为Fe1-xO）
TiO2-x 、Zn1+xO及黄铁矿FeS1+x等。 易形成非计量化合物的阴离子：O2-、S2-和H-离子；
阳离子：过渡金属和稀土金属， 一般具有可变的化合价。
非化学计量化合物晶体中往往形成点缺陷结构，且这些缺陷
一般是空位、间隙离子与电子、空穴的复合 ，具有半导体性
质，或使材料出现一第系二章列晶色体结心构的。缺陷(第4讲)
非化学计量化合物缺陷：由于化学组成偏离化学计量 而产生的一种结构缺陷，属于点缺陷的范畴。
第二章晶体结构的缺陷(第4讲)
• 把ⅢA族元素（如B、Al）掺入硅单晶中 ( BSi’)
像硼这样能接受电子给出空穴的杂质，称为受主（杂质）， 这类缺陷称为受主缺陷，掺有受主杂质的半导体又称为 p型半导体，载流子是空穴，也称为空穴半导体。
负电荷中心束缚空穴
第二章晶体结构的缺陷(第4讲)
量子力学表明，掺杂后多余的空 穴的能级（受主能级）在禁带中
硅中掺杂形成施主能级和受主能级（统称为杂质能级） 的分子轨道理论解释
原子轨道有效组合形成分子轨道应满足的条件： 能量相近、第对二称章晶性体匹结构配的、缺陷最(第大4讲重) 叠。
Silicon Crystal Doped with (a) Arsenic and (b) Boron
掺杂半导体导电机制： 跳跃式导电机理
的能量间隔。
对半导体：满带也称价带 空带亦称导带
能带结构及导体、半导体
固体中的轨道也称第为二能章级晶体结构的缺陷(第4讲) 和绝缘体的划分
满带上的电子跃迁到空带后, 满带中 出现空的电子能级，称为“空穴” 。
空穴带一个单位的正电荷。
电子和空穴总是成对 产生或成对复合 激子：电子－空穴对
空带
h Eg=2.42eV
紧靠满带处，E～10-2eV， 极易产生空穴导电。
Si 中 掺 B 时EA为0.045eV
空带
受主能级 EA
受主杂质束缚的空穴的能级； EA
受主杂质提供的空能量状态。
受主能级 满带
Eg E
受主（acceptor）能级
第二章晶体结构的缺陷(第4讲)
硅、锗单晶中掺入B、 Al 等杂质的电离反应：
第二章晶体结构的缺陷(第4讲)
第二章晶体结构的缺陷(第4讲)
（2）杂质半导体的能带结构特点
与本征半导体相比，杂质半导体中除了具有与能带相 对应的电子共有化状态外，还存在一定数目的束缚状态 的电子，这些电子是由杂质引起的，并为杂质所束缚， 如同一般电子为原子核所束缚的情况一样，束缚电子也 具有确定的能级。这种能级处于禁带中间，对杂质半导 体的性质起着决定作用。
满带
吸收一定波长的光
Cd S半导体
如：514nm 第二章晶体结构的缺陷(第4讲)
关于空穴导电
在外电场作用下：
满带中空穴下面能 级上的电子跃迁到 空穴上,相当于空穴 向下跃迁。
满带中带正电的空 穴向下跃迁形成电 流,称为空穴导电。
第二章晶物体的半导体性质是由电子从满带激发到导 带而产生的。
第二章晶体结构的缺陷(第4讲)
• 把VA元素（如P、As）掺入硅单晶中
( PSi·)
像磷这样能给出电子的杂质，称为施主（杂质），
这类缺陷称为施主缺陷，掺有施主杂质的半导体称为
n型半导体，载流子是电子，也称为电子型半导体。
正电荷中心束缚电子
第二章晶体结构的缺陷(第4讲)
量子力学表明，掺杂后多余的电 子的能级（施主能级）在禁带中
载流子：电子和空穴。 高纯半导体在较高温度时，才具有本征半导体的性质。 • 杂质半导体：半导体中掺入杂质时，其导电性能和导电机
构与本征半导体不同。 载流子：电子（n-型）或空穴（p-型）。 实际使用的半导体都是掺杂的，掺杂不仅可增加半导 体的导电能力，并且可通过控制掺入杂质原子的种类和 数量形成不同类型的半导体。
根据点缺陷形式，非化学计量氧化物有如下四类：
1. 阴离子空位型（TiO2-x、ZrO2-x） 2. 阳离子空位型（Fe1-xO、Cu2-xO） 3. 阴离子间隙型（UO2+x） 4. 阳离子间隙型（Zn1+xO、Cd1+xO） 其导电性质可分别归属为n型和p型半导体。
第二章晶体结构的缺陷(第4讲)
（1）阴离子空位引起阳离子过剩（TiO2-x、ZrO2-x）