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
估算结果与实际测量值有相同数量级
Ge： Si:
△ED ～ 0.0064 eV △ED ～ 0.025 eV
2.1.5杂质的补偿作用
假如半导体中，同时存在着施主和受主杂质， 半导体是n型还是p型呢？
受主杂质的电离能小，在常温下基本上电离。
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，浅能级杂质几乎可以全
部电离。 五价元素磷（P）、锑在硅、锗中是浅施主杂质 三价元素硼（B）、铝、镓、铟在硅、锗中为浅受主杂质。
•电离后：
施主失去电子带正电，受主得到电子带负电
2）杂质能级的电子占据
•未电离： •电离后：
施主能级满，受主能级空
施主能级空，受主能级满
3）对载流子数的影响
•掺入施主后： •掺入受主后：
电子数大于空穴数 电子数小于空穴数
2.1.4 浅能级杂质电离能简单计算
类氢模型
氢原子中电子能量
En
m0q4
第2章 半导体中杂质和缺陷能级
要求
掌握锗、硅晶体中的杂质能级， Ⅲ-Ⅴ族化合 物半导体的杂质能级。
理解点缺陷。
杂质 (impurity)：在半导体晶体中引入的 新的原子或离子
缺陷 (defect)：晶体按周期性排列的结构 受到破坏
实际晶体与理想晶体的区别
理想半导体晶体
实际半导体晶体
晶格结构完整无缺
当ND≈NA时
杂质的高度补偿
有效杂质浓度
补偿后半导体中的净杂质浓度。
杂质的补偿作用的应用
利用杂质的补偿作用，根据扩散或离子注入的方 法来改变半导体某一区域的导电类型，制成各种 器件。
在一块 n 型半导体基片的一侧掺入较高浓度的受 主杂质，由于杂质的补偿作用，该区就成为ｐ型 半导体。
2.1.6深能级杂质
施主杂质
V族元素在硅、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，称此类杂质为施主杂质或n型杂质。
施主电离
施主杂质释放电子的过程。
施主能级
被施主杂质束缚的电子的能量状态，记为ED，施主电离能量 为ΔED。
n型半导体
依靠导带电子导电的半导体。
本征半导体结构示意图
本征半导体：纯净的、不含其它杂质的半导体。
8
2 0
h
2
n
2
n=1,2,3……，为主量子数，当n=1和无穷时
E1
m0q 4
8
2 0
h
2
, E
0
氢原子基态电子的电离能
E0
E
E1
m0q4
8 02 h2
13.6eV
考虑到
1、正、负电荷处于介电常数ε=ε0εr的介质中
2、电子不在空间运动，而是处于晶格周期性势场中运动
施主杂质电离能
ED
这要看哪一种杂质浓度大，因为施主和受主杂 质之间有互相抵消的作用
通常称为杂质的补偿作用
杂质的补偿作用
杂质的补偿作用
当ND>NA时
ND-NA 为有效施主浓度
当ND<NA时
NA-ND为有效受主浓度
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
浅能级杂质电离能比禁带宽度小得多，杂质种类 对半导体的导电性影响很大。
在N型半导体中，电子浓度大于空穴浓度，电子称 为多数载流子，空穴称为少数载流子。
在P型半导体中，空穴浓度大于电子浓度，空穴称 为多数载流子，电子称为少数载流子。
施主杂质与受主杂质比较
1）杂质的带电性
•未电离 ： 均为电中性
硅晶体中：5x1022cm－3个原子 请估算杂质原子与Si原子的比例。
为什么极微量的杂质和缺陷，能够对半导体材料的物 理、化学性质产生决定性影响？
杂质和缺陷的存在，会使周期性势场受到破坏， 有可能在禁带中引入允许电子具有的能量状态 （即能级），从而对半导体的性质产生决定性 影响。
杂质、缺陷能级位于禁带之中
在单晶生长过程中掺入杂质 在高温下通过杂质扩散的工艺掺入杂质 离子注入杂质 在薄膜外延工艺过程中掺入杂质 用合金工艺将杂质掺入半导体中
杂质浓度：单位体积中杂质原子数
Diffusion Process
Ion Implantation
掺杂浓度
(施主杂质ND，受主杂质NA)
掺杂浓度：单位体积中掺入杂质的数目。 1014~1020cm－3
非III、V族元素在硅、锗的禁带中产生的施主能级距离导 带底和价带顶较远，形成深能级，称为深能级杂质。
特点 不容易电离，对载流子浓度影响不大 深能级杂质能够产生多次电离，每次电离均对应一个能 级。 能起到复合中心作用，使少数载流子寿命降低
存在着各种缺陷
原子静止在格点位置上
在平衡位置附近振动
纯净的
含有杂质
杂质主要来源：
1. 无意掺入：制备半导体的原材料纯度不够， 加工工艺
2. 有意掺入：为了控制半导体的某些性质，人 为掺入某种原子。
Si能够得到广泛应用的重要原因： 对其杂质实现可控操作，导体的性质，人为掺入杂质的工艺过程
Ec 杂质、缺陷能级
Ev
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
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
间隙式杂质:位于晶格原子间隙位置
杂质原子小于晶体原子
杂质浓度：单位体积内的杂质原子数
元素周期表
2.1.2施主杂质、施主能级
受主电离
受主杂质释放空穴的过程。
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
Si、Ge中Ⅲ族杂质的电离能△EA（eV）
晶体 杂
质
B Al Ga In
Si 0.045 0.057 0.065 0.16
Ge 0.01 0.01 0.011 0.011
N型半导体
Si、Ge中Ⅴ族杂质的电离能△ED（eV）
晶体
Si Ge
杂 P 0.044 0.0126
As 0.049 0.0127
质 Sb 0.039 0.0096
施主杂质的电离能小，在常温下基本上电离。
2.1.3受主杂质、受主能级
受主杂质
III族元素在硅、锗中电离时能够接受电子而产生导电空穴并 形成负电中心，称此类杂质为受主杂质或p型杂质。