晶
杂质
体B
Al Ga
Si 0.045 0.057 0.065
Ge 0.01 0.01 0.011
含有受主杂质的半导体，其导电的载流子主要 是空穴——P型半导体，或空穴型半导体。
小结！
施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半 导体中提供导电的电子，并成为带正电的离 子。如Si中掺的P 和As 受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向 半导体提供导电的空穴，并成为带负电的离 子。如Si中掺的B
8 r 2o2h2
m* mo
1
r2
mo q 4
8
2 o
h2
m* mo
1
r2
E0
对于Si中的P原子，剩余电子的运动半径 约为24.4 Å： ( r )Si 12 me* 0.26mo
Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si
r
12 oh2 0.26moq 2
1
24.4
一、杂质存在的方式
(1) 间隙式→杂质位于组成 半导体的元素或离子的格 点之间的间隙位置。
Li：0.068nm
(2) 替位式→杂质占据格 点的位置。大小接近、 电子壳层结构相近
Si：r=0.117nm B：r=0.089nm P：r=0.11nm
Si
Si
Si
Li
Si
P
Si
Si
Si
Si
半导体中杂质存在方式
●空位VGa、VAs ●间隙原子GaI、AsI ●反结构缺陷 —Ga原子占据As 空位，或As原子占据Ga空位， 记为GaAs和AsGa。
化合物半导体: A、B两种原子组成
反结构缺陷
A
B
A
B
B
A
A
A
A
B
A
B
B
A
B
A
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。
● Ga空位是受主、As空位是施主；
多子——多数载流子 少子——少数载流子
N型半导体导带电子数由施主决定，半导体 导电的载流子主要是电子。电子为多子，空 穴为少子。
P型半导体价带空穴数由受主决定，半导体 导电的载流子主要是空穴。空穴为多子，电 子为少子。
2.1.3. 杂质半导体
杂质激发
杂质向导带和价带提供电子和空穴的过程（电 子从施主能级向导带的跃迁或空穴从受主能级 向价带的跃迁）称为杂质电离或杂质激发。具 有杂质激发的半导体称为杂质半导体
(1)杂质
●掺Ⅰ族：Ⅰ族→Ⅱ族，少一个电子，P型 ●掺Ⅲ族：Ⅲ族→Ⅱ族，多一个电子，N型
●掺Ⅴ族：Ⅴ族→Ⅵ族，少一个电子，P型 ●掺Ⅶ族：Ⅶ族→Ⅵ族，多一个电子，N型
（2）缺陷
由于Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体是负电性差别 较大的元素结合成的晶体，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， 半导体的导电类型更主要的是由它们自 身的结构缺陷（间隙离子或空格点）所 决定，这类缺陷在半导体中常起施主或 受主作用。
能量比导带底Ec低，称为
施主能级，ED。施主杂质
少，原子间相互作用可以
ED
忽略，杂质的施主能级是
具有相同能量的孤立能
级．
施主浓度：ND
施主电离能
施主电离能△ED=弱束缚的电子摆脱杂质原子 束缚成为晶格中自由运动的 电子（导带中的电子）所需 要的能量
EC
ED
△ED =EC－
EV
ED
施主电离能
施主杂质的电离能小， 在常温下基本上电离。
Å
Si Si P Si Si Si
Si：r=1.17Å
Si Si Si Si Si Si
Si: a=5.4Å
Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si
剩余电子本质上是 在晶体中运动
对于Si、Ge掺P
m* eSi
0.26m0 ,
m* eGe
0.12m0
rSi 12, rGe 16,
例: 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，电子浓度逐渐偏低。
SiGa SiAs
●中性杂质
Ⅲ族元素（B、Al、In）和Ⅴ族元素（P、 Sb）在GaAs中通常分别替代Ga和As， 由于杂质在晶格位置上并不改变原有的 价电子数，因此既不给出电子也不俘获 电 子 而 呈 电 中 性 ， 对 GaAs 的 电 学 性 质 没有明显影响，在禁带不引入能级。
例：在Ge中掺Au 可产生3个受主能级，1个施主能
级，Au的电子组态是：5s25p65d106s1
Ge
Ge
Au
Ge
Ge
Au+ Au0
Au-
Au2Au3-
1. Au失去一个电子—施主
Ec
Au＋
ED Ev
ED=Ev+0.04 eV
2. Au获得一个电子—受主
Ec
Au－
EA1
ED
Ev
EA1= Ev + 0.15eV
(1) ND＞NA
Ec ED 电离施主 电离受主
EA Ev
有效施主浓度n=ND-NA
此时半导体为n型半导体
(2) ND<NA
电离施主 电离受主
Ec ED
EA Ev
有效受主浓度p=NA- ND
此时半导体为p型半导体
(3) ND≈NA
本征激发 产生的导 带电子
Ec
ED
EA Ev
杂质的高度补偿
本征激发
价键结构：
含有离子键成分的 共价键结构
As
Ga
As
Ga
As
Ga
●施主杂质
Ⅵ 族 元 素 :Ⅵ 族 元 素 (Se 、 S 、 Te) 在 GaAs 中 通 常 都 替 代 Ⅴ 族 元 素 As 原 子 的晶格位置，由于Ⅵ族原子比Ⅴ族原 子多一个价电子，因此Ⅵ族杂质在 GaAs中一般起施主作用，为浅施主杂 质。
第二章 半导体中的杂质 和缺陷
西南科技大学理学院
2020年6月9日星期二
主要内容
§2-1 元素半导体中的杂质和缺陷能级 §2-2 化合物半导体中的杂质和缺陷 §2-3 缺陷、位错能级 §2-4 半导体电学杂质与玷污
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。理解缺陷、位错能级。
晶
杂质
体P
As Sb
Si 0.044 0.049 0.039
Ge 0.0126 0.0127 0.0096
含有施主杂质的半导体，其导电的载流子主要 是电子——N型半导体，或电子型半导体
2.1.2. ⅢA族替位杂质——受主杂质
在Si中掺入B
＋
B获得一个电子变成 负离子，成为负电中
心，周围产生带正电 的空穴。
2 r
100
Ec ED Ev施主能级靠近导带底部 NhomakorabeaED
me* mo
1
r2
E0
ED,Si 0.025eV
ED,Ge 0.064eV
估算结果与实测值 有相同的数量级
对于Si、Ge掺B
EA
mP* mo
1
r2
E0
Ec
EA
Si
0.04
eV
EA Ev
EA
Ge
0.01
eV
2.1.5. 杂质的补偿作用
半导体中同时存在施主和受主杂质，施主和受 主之间有互相抵消的作用
●受主杂质
I 、 II 族 元 素 （ Ag 、 Au ， 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I、Ⅱ族原子比Ⅲ族原子少一或二 个价电子，因此I、Ⅱ族元素杂质在 GaAs中通常起受主作用，均为浅受 主。
● 两性杂质
Ⅳ族元素杂质可以取代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族杂质可以同时起施主作用和受主 作用，称为两性杂质。
● Ga间隙原子是施主、As间隙原子是受主；
● 当Ga的位置被As取代后，多一个电子， 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。
二.Ⅱ－Ⅵ族化合物半导体的杂质和缺陷
Ⅱ－Ⅵ族化合物半导体是典型的 离子键结构化合物
+-+-+
-+-+-
+-+-+
-+-+-
+-+-+
- —负离子 + —正离子
+-+-+ -+-++-+-+ -+-++-+-+
+-+-+
-+-+-
+-
-+
-+-+-
+-+-+
电负性大
产生负电中心，起受主作用
d.负离子填隙
+-+-+ -+-++-+-+ -+-++-+-+
+-+-+
-+-+-
+-+-+
-+-+-
B－
EA
B具有得到电子的性质，这类杂质称为受主杂质。 受主杂质向价带提供空穴。 受主浓度：NA
(2)受主电离能和受主能级