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第二章半导体中的杂质和缺陷能级. 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 2.2 Ⅲ-Ⅴ 族化合物半导体的杂质能级 2.3 缺陷和位错的能级. 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 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；另一种方式是杂质原子取代晶格原子而位于晶格格点处，常称为替位式杂质。. 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 半径小的杂质原子一般是间隙式杂质，如锂
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第二章半导体中的杂质和缺陷能级 • 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 • 2.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的杂质能级 • 2.3 缺陷和位错的能级
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 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；另一种方式是杂质原子取代晶格原子而位于晶格格点处，常称为替位式杂质。
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 半径小的杂质原子一般是间隙式杂质，如锂 杂质原子的大小与晶格原子的大小较接近，价电子壳层结构比较接近，形成替位式杂质，如Ⅲ、Ⅴ族元素在硅、锗晶体中都是替位式杂质。
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 施 主 掺 杂 受 主 掺 杂 间隙式和替位式杂质
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 • 2.1.2 施主杂质、施主能级 Ⅴ族元素占据了硅原子的位置： Ⅴ族元素有5个价电子，其中的四个价电子与周围的四个硅原子形成共价键，还剩余一个电子，同时Ⅴ族原子所在处也多余一个正电荷，称为正离子中心，所以，一个Ⅴ族原子取代一个硅原子，其效果是形成一个正电中心和一个多余的电子。
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 • 2.1.2 施主杂质、施主能级 +
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 • 2.1.2 施主杂质、施主能级 多余的电子束缚在正电中心，但这种束缚很弱 很小的能量就可使电子摆脱束缚，成为在晶格中导电的自由电子，而Ⅴ族原子形成一个不能移动的正电中心。 硅、锗中的Ⅴ族杂质，能够施放电子而在导带中产生电子并形成正电中心，称为施主杂质或N型杂质，掺有N型杂质的半导体叫N型半导体。施主杂质未电离时是中性的，电离后成为正电中心。
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 带有分立的施主能级的能带图 施主能级电离能带图
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 • 被施主杂质束缚的电子的能量状态称为施主能级ED。 • 施主能级位于离导带低很近的禁带中 • 杂质原子间的相互作用可忽略，某一种杂质的施主能级是一些具有相同能量的孤立能级。
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 • 表2-1 硅、锗晶体中Ⅴ族杂质的电离能(eV)
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 • 2.1.3 受主杂质 受主能级 Ⅲ族元素占据了硅原子的位置： Ⅲ族元素有3个价电子，它与周围的四个硅原子形成共价键，还缺少一个电子，于是在硅晶体的共价键中产生了一个空穴，而Ⅲ族原子接受一个电子后所在处形成一个负离子中心，所以，一个Ⅲ族原子取代一个硅原子，其效果是形成一个负电中心和一个空穴
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 2.1.3 受主杂质 受主能级 受主杂质 硼原子电离生成空穴
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 • 2.1.3受主杂质、受主能级 • 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。
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 带有分立的受主能级的能带图 受主能级电离能带图
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 • 被受主杂质束缚的空穴的能量状态称为受主能级EA。 • 施主能级位于离价带顶很近的禁带中 • 杂质原子间的相互作用可忽略，某一种杂质的受主能级是一些具有相同能量的孤立能级。
表2-1 硅、锗晶体中Ⅲ族杂质的电离能(eV) 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
总结 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中 提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如 Si中掺的B 施主和受主浓度：ND、NA
总结 施主杂质 受主杂质
杂质半导体中的导电载流子-电子和空穴 导电空穴 导电电子
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 • 2.1.4 浅能级杂质电离能的简单计算 采用类氢原子模型估算施主和受主杂质的电离能 氢原子中电子的能量： n=1时,基态电子能量 E=0 n=时，氢原子电离 氢原子的电离能
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 • 晶体内杂质原子束缚的电子： m0mn*, mp*; 0 r0 施主杂质的电离能： Si: Ge: 受主杂质的电离能
氢原子半径： • 施主杂质半径：
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 • 2.1.5 杂质的补偿作用 • 当半导体中同时存在施主和受主杂质时，半导体是n型还是p型呢？ ND>>NA NA>>ND
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 1、当 ND>>NA 因为受主能级低于施主能级，所以施主杂质的电子首先跃迁到NA个受主能级上，还有ND-NA个电子在施主能级上，杂质全部电离时，跃迁到导带中的导电电子的浓度为n= ND-NA。即则有效受主浓度为NAeff≈ ND-NA
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 2、 当NA>>ND 施主能级上的全部电子跃迁到受主能级上，受主能级上还有NA-ND个空穴，它们可接受价带上的NA-ND个电子，在价带中形成的空穴浓度p= NA-ND. 即有效受主浓度为NAeff≈ NA-ND
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 3、当NAND时， 不能向导带和价带提供电子和空穴， 称为杂质的高度补偿
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 • 2.1.6 深能级杂质 在半导体硅、锗中，除Ⅲ、Ⅴ族杂质在禁带中形成浅能级外，其它各族元素掺入硅、锗中也会在禁带中产生能级
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 • 特点： 1、施主杂质能级距离导带底较远，受主杂质能级距离价带顶较远，这种能级称为深能级，相应的杂质称为深能级杂质。 2、深能级杂质能够产生多次电离，每次电离对应有一个能级。有的杂质既能引入施主能级，又能引入受主能级。
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 金在锗中产生的能级 金在锗中产生4个能级， ED是施主能级，EA1、EA2和EA3是受主能级。中性金原子只有一个价电子，它取代锗原子后，金的这一价电子可以电离跃迁到导带，形成施主能级ED。它也可以从价带接受3个电子，形成三个受主能级。金有5种荷电状态，Au+, Au0, Au-, Au--,Au--- EC EA3 0.04 EA2 0.20 Ei EA1 0.15 ED 0.04 EV 金在锗中的能级
2.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的杂质能级 • 1、Ⅱ族元素为受主杂质 铍、镁、锌、镉取代Ⅲ族原子而处于晶格格点上，引入浅受主能级 GaAs、GaP晶体中受主杂质的电离能
2.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的杂质能级 • 2、Ⅵ族元素取代Ⅴ族原子，引入施主能级 Ⅵ族元素氧、硫、硒、碲比Ⅴ族元素多一个价电子而且容易失去，所以表现为施主杂质。 GaAs、GaP晶体中受主杂质的电离能（eV)
2.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的杂质能级 • 3、Ⅳ 族杂质在Ⅲ-Ⅴ族化合物中是两性掺杂剂 Ⅳ 族元素取代Ⅲ族原子则起施主作用； Ⅳ 族元素取代Ⅴ族原子则起受主作用 导带中电子浓度随硅杂质浓度的增加而增加，当硅杂质浓度增加到一定程度时趋于饱和。 硅先取代Ga原子起施主作用， 随着硅浓度的增加，硅取代As 原子起受主作用。 GaAs电子浓度和硅杂质浓度的关系
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
2.3 缺陷、位错能级 • 2.3.1 点缺陷 空位-表现为受主； 间隙原子-表现为施主 化合物半导体中，利用成分偏离正常的化学比的现象来控制材料的导电类型 化合物中的替位原子，如Ga取代As的位置起受主作用；As取代Ga的位置起施主作用，这种点缺陷称为反结构缺陷
2.3 缺陷、位错能级 • 2.3.2 位错 线位错（在一条线附近原子的排列偏离了严格的周期性） 面位错（在一个面附近原子的排列偏离了严格的周期性） 根据实验测得： Si中位错能级在价带顶上面0.03~0.09eV处 Ge中的位错能级在导带底下面0.2~0.35eV处 都属于深受主能级 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。
2.3 缺陷、位错能级 位错线
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. n型半导体 6. p型半导体 7. 多数载流子 8. 少数载流子 9. 施主杂质，施主能级，施主杂质电离能 10. 受主杂质，受主能级，受主杂质电离能
本章小结 二 知识点 学完本章后，应具备如下的能力： 1．使用价键模型，画出施主和受主杂质图 像，说明施主杂质和受主杂质的电离过程 2. 使用能带模型解释施主杂质和受主杂质的 作用
本章小结 三 复习题 1. 举例说明杂质的补偿作用 2. 试解释重掺杂半导体使禁带宽度变窄的原因
