* 4 * me e me EH Ge 15.8 0.12 0.21 0.007 0.011 ED 2 2 2 8 r 0 h m0 r2 ~几十个meV 室温 kBT ~26 meV
修正
锗，硅的介电常数为 16，12 * 施主杂质电子的玻尔半径: 氢原子基态电子的玻尔半径 施主杂质电子的玻尔半径
105硅原子中掺1个硼原子，则比单纯硅晶的电导率增加了103倍
本章目的：介绍杂质和缺陷的基本概念

杂质
与组成晶体材料的元素不同的其他
化学元素
形成原因
原材料纯度不够 制作过程中有玷污 人为的掺入
金刚石结构中，密堆积时，原子占晶格体积比？ 8个原子，r=?
占体积比？
～34%

分类(1)：按杂质原子在晶格中所处位置分
位错对半导体材料和器件的性能会产生严重影响！ 目前对位错的了解还不太充分。
Thanks for attentions!
习题： 第二章，P64: 1-8题
EA
有效的施主浓度 ND*=ND-NA
（B）NA>ND时：
p型半导体
因 EA 在 ED 之下 ， ED上的束缚电子首 先填充EA上的空位， 即施主与受主先相互 “抵消”，剩余的束 缚空穴再电离到价带 上。 ED
NA>>ND 经补偿后，导带中 空穴浓度为 NA-ND≈NA 半导体为p型半导体
有效的受主浓度 NA*=NA-ND
如： III族元素在硅锗中电离能为： 0.045 和0.01 eV

受主杂质(IV->III)
提供载流子：价带空穴
电离的结果：价带中的空穴数增加了，这即是掺受主的意义所在

上述介绍的施主杂质和受主杂质都是浅能级杂质
施主杂质能级靠近导带底，受主杂质能级靠近价带顶 杂质电离能非常小 （Eg通常为1ev左右，而Δ ED只有零点几个ev左右）

受主杂质
• 第III族杂质原子替代第IV族晶体材料原子 • 能够接受(Accept)电子而产生导电空穴，并形成负电中心 的杂质（p型杂质）
施 主 杂 质
受 主 杂 质

施主杂质(IV->V)
该多余电子运动状态： 1.比成键电子自由的多， ED>>Ev 2.与导带底电子也有差别 （受到 P+原子的库伦吸引力） （绕原子运动） ED=Ec-E库伦 （在禁带中） ED<<Eg
• 中性态
– 未电离时称为中性态或者束缚态 – T=0 K
• 杂质电离
– 在一定能量下，杂质中电子脱离原 子束缚而成为导电电子的过程 – T≠0K
• 杂质电离能
– 杂质电离时所需要的最少能量 – Δ EA=EA-EV，一般来说Δ EA<<Eg
• 离化态
– 杂质吸收能量释放电子后形成的带 电中心
受主 电 离 能： △EA=EA-EV
Frenkel缺陷： 间隙原子和空位成对出现
Schottky缺陷：
只在晶体内形成空位，而无间隙原子

反结构缺陷（化合物、替位原子）
有两种替位方式： A取替B，记为AB；B取替A，记为BA
位错：
位错是近完整晶体中的一个 缺陷，它是晶体中以滑移区 与未滑移区的边界
刃型位错 结构特点：周围有畸变、 上半部压应力、下半部张应 力、中心有最大畸变、范围 局限于2-3个原子间距的管道 区域。
深能级杂质
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，他们产生的受主 能级距离价带顶也较远，成为深能级，深 能级杂质。 深能级杂质通常能产生多次电离，每次电 Au 掺入 Si 离对应一个能级。

Ec
E
A
0.04 0.2 0.15
Ec EA3 EA2 EA1 ED Ev
ED
（ C） NA ≌ ND 时
杂质的高度补偿
本征激发的导带电子
Ec
ED
EA Ev
本征激发的价带空穴

杂质的高度补偿
控制不当，使得ND ≈
NA 施主电子刚好够填满受主能级 虽然杂质很多，但不能给半导体材料提供更多的电子 和空穴 一般不能用来制造半导体器件 （易被误认为纯度很高，实质上含杂质很多，性能很差）

实际半导体材料
原子在平衡位置附近振动 含有杂质； 晶格结构不完整，存在缺陷 点缺陷，线缺陷，面缺陷

杂质和缺陷的影响
使周期性势场受到破坏，有可能在禁带中引
入能级，从而对半导体的性质产生影响

影响半导体器件的质量（如性能等） 对半导体材料的物理性质和化学性质起决定性的 影响（如提高导电率）
0 0 r * h2 r 0 h 2 0 m0 a 2 * 0.53 * r (A) aB 2 0.53(A) * e me me e m0 m0 me
~25A 硅-硅间距～5.4A
杂 质 的 补 偿 作 用
（A）ND>NA时： n型半导体
因 EA 在 ED 之下 ， ED上的束缚电子首先 填充EA上的空位， 即 施主与受主先相互 “抵消”， 剩余的束缚电子再电 离到导带上。
Ev
0.04 EA3>EA2>EA1 电子的库伦排斥力
深能级杂质
• 如第IV族材料中加入非III、V族杂质 • 杂质能级离导带或者价带很远 • 常规条件下不易电离 • 起一定的杂质补偿作用
• 对载流子的复合作用非常重要，是很好的 复合中心
III-V族化合物半导体中的浅能级杂质
在III-V族化合物中掺入不同类型杂质： * II族元素 GaAs: 铍(Be),镁(Mg),锌(zn),镉(Cd) EA=Ev+0.02-0.03 eV * VI族元素 GaAs: 硫(S),硒(Se) ED=Ec-0.006 eV * IV族元素 GaAs: 硅(Si) Ev+0.03eV, Ec-0.006 eV （杂质的双性行为） 锗(Ge) Ev+0.03eV, Ec-0.006 eV * 等电子杂质 GaP: 氮(N) Ec-0.01 eV (等电子陷阱引起）
等电子陷阱
§2.2 缺陷、位错能级

缺陷：
晶格周期的不完整 分为三类
大多由热振动引起

点缺陷（点的不完整）：空位、间隙原子 线缺陷（线的不完整）：位错 面缺陷（面的不完整）：层错

由晶体内部的应力引起的，导致晶格结构发生扭曲

点缺陷

在一定温度下，晶格原子不仅在平衡位置附近做振动， 而且有一部分原子会获得足够的能量，克服周围原子对 它的束缚，挤入晶格原子间的间隙，形成间隙原子，原 来的位置空出来，成为空位。（热缺陷）
第2章 半导体中杂质和 缺陷能级
半导体的杂质敏感性 半导体电子、空穴共同参与导电，可否调 制？P-N结，晶体管

§2.1


掺杂晶体
理想半导体材料
原子静止在具有严格周期性晶格的格点位置上 晶体是纯净的，即不含杂质 (没有与组成晶体材料的元素不同的其它化学元 素) 晶格结构是完整的，即具有严格的周期性

间隙式杂质
• 杂质原子位于晶格原子的间隙位置 • 要求杂质原子比较小

替位式杂质
• 杂质原子取代晶格原子而位于格点处 • 要求杂质原子的大小、价电子壳层结构等均与晶格原子相近
两种类型的 杂质可以同 时存在
这里主要介 绍替位式杂 质

分类(2)：按杂质所提供载流子的类型分

施主杂质
• 第V族杂质原子替代第IV族晶体材料原子 • 能够施放(Discharge)电子而产生导电电子，并形成正电中 心的杂质（n型杂质）
用类氢原子模型估算浅能级杂质的电离能
浅能级杂质 = 杂质离子 + 束缚电子（空穴）
杂质浅能级的简单计算 * 类氢原子模型的计算 氢原子基态电子的电离能:
施主杂质电子的电离能:
r me*/m0 mh*/m0 Ed Ea m0e4 EH 2 2 13.6eV 8 0 h Si 11.7 0.26 0.37 0.026 0.037

施主杂质和受主杂质为半导体材料提供载流子
施主杂质为导带提供电子 （掺施主杂质的半导体为n型半导体） 受主杂质为价带提供空穴 （掺受主杂质的半导体为p型半导体）
n型半导体：电子的数目远大于空穴的数目（或者说以电子导电为主） p型半导体：空穴的数目远大于电子的数目（或者说以空穴导电为主） 本征半导体：没有掺杂的半导体 n=p

杂质ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ离



杂质电离能

Eg

离化态

施 主 电 离 能：△ED=EC-ED
如： V族元素在硅锗中电离能为： 0.044 和0.013 eV

施主杂质(IV->V)
提供载流子：导带电子
电离的结果：导带中的电子数增加了，这即是掺施主的意义所在

受主杂质(IV->III)
束缚空穴：
受B-原子吸引,绕原子运动 要形成自由空穴，要克服B原子的吸引力,给一定能量ΔEA。 能带中，越往下，空穴能量越高。（越往下的电子，越难激发形成空穴）
分立的能级 因为杂质含量低，不能共有化运动

中性态

未电离时称为中性态或者束缚态 T=0 K 在一定能量下，杂质中电子脱离原 子束缚而成为导电电子的过程 T≠0 K (热激发） 杂质电离时所需要的最少能量 Δ ED=Ec-ED，一般来说Δ ED <<Eg 杂质吸收能量释放电子后形成的带 电中心
杂质的双性行为
硅在砷化镓中既能取代镓而表现出施主杂质，又能取代砷表现出 受主杂质

等电子杂质

与基质晶体原子具有同数量价电子的杂质原子称为等电子杂质 （同族原子杂质）