第二章半導體中的雜質和缺陷第二章半導體中的雜質和缺陷1理想半導體：1、原子嚴格周期性排列，具有完整的晶格結構。2、晶體中無雜質，無缺陷。3、電子在周期場中作共有化運動，形成允帶和禁帶——電子能量只能處在允帶中的能級上，禁帶中無能級。本征半導體——晶體具有完整的（完美的）晶格結構，無任何雜質和缺陷。由本征激發提供載流子。理想半導體：2實際半導體實際半導體中原子并不是靜止在具有嚴格周期性的晶格位置上，而是在其平衡位置附近振動；實際半導體并不是純凈的，而是含有雜質的；實際的半導體晶格結構并不是完整無缺的，而是存在著各種形式的缺陷，點缺陷，線缺陷，面缺陷；雜質和缺陷可在禁帶中引入能級，從而對半導體的性質產生了決定性的作用實際半導體實際半導體中原子并不是靜止在具有嚴格周期性的3主要內容

1.淺能級雜質能級和雜質電離；2.淺能級雜質電離能的計算；3.雜質補償作用4.深能級雜質的特點和作用1、等電子雜質；2、Ⅳ族元素起兩性雜質作用§2-1元素半導體中的雜質能級§2-3缺陷能級§2-2化合物半導體中的雜質能級點缺陷對半導體性能的影響

主要內容1.淺能級雜質能級和雜質電離；1、等電4§2.1Si、Ge晶體中的雜質能級

1、雜質與雜質能級

雜質：半導體中存在的與本體元素不同的其它元素。雜質的來源：｛有意摻入無意摻入根據雜質在能級中的位置不同：｛替位式是雜質間隙式雜質§2.1Si、Ge晶體中的雜質能級

雜質的來源：｛有意5在金剛石型晶體中，晶胞中原子的體積百分數為34%，說明還有66%是空隙。Si中的雜質有兩種存在方式，a：間隙式雜質特點：雜質原子一般較小，鋰元素b：替位式雜質特點：雜質原子的大小與被替代的晶格原子大小可以相比，價電子殼層結構比較相近，Ⅲ和Ⅴ族元素在Si，Ge中都是替位式以硅為例說明單位體積中的雜質原子數稱為雜質濃度在金剛石型晶體中，晶胞中原子的體積百分數為34%，說明還有66B:替位式→雜質占據格點位置。大小接近、電子殼層結構相近Si：r=0.117nmB：r=0.089nmP：r=0.11nmLi：0.068nmA:間隙式→雜質位于間隙位置。SiSiSiSiSiSiSiPSiLiB:替位式→雜質占據格點位置。大小接近、電子殼層結構相近Si7N型半導體P型半導體復合中心陷阱雜質分類淺能級雜質深能級雜質N型半導體P型半導體復合中心陷阱雜質分類淺能級雜質深能級雜質8雜質能級位于禁帶中Eg淺能級雜質能級位于禁帶中Eg淺能級9施主雜質施主能級Ei受主雜質受主能級EcEv淺能級施主雜質施主能級Ei受主雜質受主能級EcEv淺能級10(1)VA族的替位雜質——施主雜質在硅Si中摻入PSiSiSiSiSiSiSiP+Si磷原子替代硅原子后，形成一個正電中心P＋和一個多余的價電子束縛態—未電離離化態—電離后2、元素半導體的雜質(1)VA族的替位雜質——施主雜質在硅Si中摻入PSiSiS11

（a）電離態

（b）中性施主態

（a）電離態（b）12過程：1.形成共價鍵后存在正電中心P+；2.多余的一個電子掙脫束縛，在晶格中自由動；雜質電離3.P+成為不能移動的正電中心；雜質電離，雜質電離能，施主雜質（n型雜質），施主能級過程：雜質電離，雜質電離能，施主雜質（n型雜質），施主能級13電離的結果：導帶中的電子數增加了，這即是摻施主的意義所在。1.施主處于束縛態，2.施主電離3施主電離后處于離化態能帶圖中施主雜質電離的過程電離的結果：導帶中的電子數增加了，這即是摻施主的意義所在。114電離時，P原子能夠提供導電電子并形成正電中心，——施主雜質。施主雜質施主能級被施主雜質束縛的電子的能量比導帶底Ec低，稱為施主能級，ED。施主雜質少，原子間相互作用可以忽略，施主能級是具有相同能量的孤立能級．ED施主濃度：ND電離時，P原子能夠提供導電電子并形成正電中心，——施主雜質。15施主電離能△ED=弱束縛的電子擺脫雜質原子 束縛成為晶格中自由運動的電子（導帶中的電子）所需 要的能量ECED△ED=EC－ED施主電離能EV-束縛態離化態+施主電離能△ED=弱束縛的電子擺脫雜質原子ECED△ED16施主雜質的電離能小，在常溫下基本上電離。含有施主雜質的半導體，其導電的載流子主要是電子——N型半導體，或電子型半導體晶體雜質PAsSbSi0.0440.0490.039Ge0.01260.01270.0096施主雜質的電離能小，在常溫下基本上電離。含有施主雜質的半導體17定義：施主雜質V族元素在硅、鍺中電離時能夠釋放電子而產生導電電子并形成正電中心，稱此類雜質為施主雜質或n型雜質。施主電離施主雜質釋放電子的過程。施主能級被施主雜質束縛的電子的能量狀態，記為ED，施主電離能量為ΔED。n型半導體依靠導帶電子導電的半導體。定義：施主雜質183、受主能級：舉例：Si中摻硼B3、受主能級：舉例：Si中摻硼B19

在Si單晶中，Ⅲ族受主替位雜質兩種電荷狀態的價鍵（a）電離態

（b）中性受主態

在Si單晶中，Ⅲ族受主替位雜質兩種電荷狀態的價鍵（a20價帶空穴

電離受主B-2、受主能級：舉例：Si中摻硼B過程：1.形成共價鍵時，從Si原子中奪取一個電子，Si的共價鍵中產生一個空穴；2.當空穴掙脫硼離子的束縛，形成固定不動的負電中心B-受主電離，受主電離能，受主雜質（p型雜質），受主能級價帶空穴電離受主B-2、受主能級：舉例：21電離的結果：價帶中的空穴數增加了，這即是摻受主的意義所在1.受主處于束縛態，2，受主電離3，受主電離后處于離化態能帶圖中受主雜質電離的過程電離的結果：價帶中的空穴數增加了，這即是摻受主的意義所在1.22在Si中摻入BB具有得到電子的性質，這類雜質稱為受主雜質。受主雜質向價帶提供空穴。B獲得一個電子變成負離子，成為負電中心，周圍產生帶正電的空穴。B－＋B－EA受主濃度：NA在Si中摻入BB具有得到電子的性質，這類雜質稱為受主雜質。B23EcEvEA受主電離能和受主能級受主電離能△EA=空穴擺脫受主雜質束縛成為導電空穴所需要的能量-束縛態離化態+EcEvEA受主電離能和受主能級受主電離能△EA=空穴擺脫受24受主雜質的電離能小，在常溫下基本上為價帶電離的電子所占據——空穴由受主能級向價帶激發。含有受主雜質的半導體，其導電的載流子主要是空穴——P型半導體，或空穴型半導體。晶體雜質BAlGaSi0.0450.0570.065Ge0.010.010.011受主雜質的電離能小，在常溫下基本上為價帶電離的電子所占據——25定義：受主雜質III族元素在硅、鍺中電離時能夠接受電子而產生導電空穴并形成負電中心，稱此類雜質為受主雜質或p型雜質。受主電離受主雜質釋放空穴的過程。受主能級被受主雜質束縛的空穴的能量狀態，記為EA。受主電離能量為ΔEAp型半導體依靠價帶空穴導電的半導體。定義：受主雜質26施主和受主濃度：ND、NA施主：Donor，摻入半導體的雜質原子向半導體中提供導電的電子，并成為帶正電的離子。如Si中摻的P和As受主：Acceptor，摻入半導體的雜質原子向半導體提供導電的空穴，并成為帶負電的離子。如Si中摻的B小結！施主和受主濃度：ND、NA施主：Donor，摻入半導體的雜質27等電子雜質等電子雜質28N型半導體特征：a施主雜質電離，導帶中出現施主提供的導電電子b電子濃度n〉空穴濃度pP型半導體特征：a受主雜質電離，價帶中出現受主提供的導電空穴b空穴濃度p〉電子濃度nECEDEVEA----++++----++++EgN型和P型半導體都稱為極性半導體N型半導體a施主雜質電離，導帶中出現施主提供的導電電子b29P型半導體價帶空穴數由受主決定，半導體導電的載流子主要是空穴。空穴為多子，電子為少子。N型半導體導帶電子數由施主決定，半導體導電的載流子主要是電子。電子為多子，空穴為少子。多子——多數載流子少子——少數載流子P型半導體價帶空穴數由受主決定，半導體導電的載流子主要是空穴30雜質向導帶和價帶提供電子和空穴的過程（電子從施主能級向導帶的躍遷或空穴從受主能級向價帶的躍遷）稱為雜質電離或雜質激發。具有雜質激發的半導體稱為雜質半導體

雜質激發3.雜質半導體電子從價帶直接向導帶激發，成為導帶的自由電子，這種激發稱為本征激發。只有本征激發的半導體稱為本征半導體。本征激發N型和P型半導體都是雜質半導體

雜質向導帶和價帶提供電子和空穴的過程（電子從施主能級向導帶的31施主向導帶提供的載流子=1016～1017/cm3》本征載流子濃度雜質半導體中雜質載流子濃度遠高于本征載流子濃度Si的原子濃度為1022～1023/cm3摻入P的濃度/Si原子的濃度=10-6例如：Si在室溫下，本征載流子濃度為1010/cm3，施主向導帶提供的載流子雜質半導體中雜質載流子濃度遠高于本征載32上述雜質的特點：施主雜質：受主雜質：淺能級雜質雜質的雙重作用：改變半導體的導電性決定半導體的導電類型雜質能級在禁帶中的位置上述雜質的特點：施主雜質：受主雜質：淺能級雜質雜質的雙重作用334.淺能級雜質電離能的簡單計算+-施主-+受主淺能級雜質=雜質離子+束縛電子（空穴）類氫模型4.淺能級雜質電離能的簡單計算+-施主-+受主淺能級雜質=34玻爾原子電子的運動軌道半徑為：n=1為基態電子的運動軌跡玻爾能級：玻爾原子模型玻爾原子電子的運動軌道半徑為：n=1為基態電子的運動軌跡玻爾35類氫模型氫原子中電子能量n=1,2,3……，為主量子數，當n=1和無窮時類氫模型36氫原子基態電子的電離能考慮到正、負電荷處于介電常數ε=ε0εr的介質中，且處于晶格形成的周期性勢場中運動，所以電子的慣性質量要用有效質量代替氫原子基態電子的電離能37類氫模型：計算束縛電子或空穴運動軌道半徑及電離能運動軌道半徑：電離能：類氫模型：計算束縛電子或空穴運動軌道半徑及電離能運動軌道半徑38施主雜質電離能受主雜質電離能施主雜質電離能39對于Si中的P原子，剩余電子的運動半徑約為24.4?：Si:a=5.4?剩余電子本質上是在晶體中運動SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiPSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi：r=1.17?對于Si中的P原子，剩余電子的運動半徑約為24.4?：Si40施主能級靠近導帶底部對于Si、Ge摻PEcEvED估算結果與實測值有相同的數量級施主能級靠近導帶底部對于Si、Ge摻PEcEvED估算結果與41對于Si、Ge摻BEcEvEA對于Si、Ge摻BEcEvEA42EcED電離施主電離受主Ev5.雜質的補償作用(1)ND＞NA半導體中同時存在施主和受主雜質，施主和受主之間有互相抵消的作用此時半導體為n型半導體有效施主濃度n=ND-NAEAEcED電離施主電離受主Ev5.雜質的補償作用(1)ND43EcEDEAEv電離施主電離受主(2)ND<NA此時半導體為p型半導體有效受主濃度p=NA-NDEcEDEAEv電離施主電離受主(2)ND<NA此時半導體44(3)ND≈NA雜質的高度補償EcEDEAEv本征激發產生的導帶電子本征激發產生的價帶空穴(3)ND≈NA雜質的高度補償EcEDEAEv本征激發產生45雜質的補償作用當ND>>NA時n=ND-NA≈

ND，半導體是n型的當ND<<NA時p=NA-ND≈

NA，半導體是p型的當ND≈NA時補償半導體有效雜質濃度補償后半導體中的凈雜質濃度。雜質的補償作用當ND>>NA時466.深雜質能級根據雜質能級在禁帶中的位置，雜質分為：淺能級雜質→能級接近導帶底Ec或價帶頂Ev，電離能很小深能級雜質→能級遠離導帶底Ec或價帶頂Ev，電離能較大ECEDEVEAEgECEAEVEDEg6.深雜質能級根據雜質能級在禁帶中的位置，雜質分為：淺能級47半導體物理學_第二章_半導體中的雜質和缺陷課件48深能級雜質非III、V族元素（52頁圖2-8/9）特點多為替位式雜質硅、鍺的禁帶中產生的施主能級距離導帶底和價帶頂較遠，形成深能級，稱為深能級雜質。深能級雜質能夠產生多次電離，每次電離均對應一個能級。有的雜質既能引入施主能級，又能引入受主能級。深能級雜質非III、V族元素（52頁圖2-8/9）49例1：Au（Ⅰ族）在Ge中Au在Ge中共有五種可能的狀態：（1）Au+；

（2）Au0

；

（3）Au一

；

（4）Au二

；

（5）Au三。例1：Au（Ⅰ族）在Ge中Au在Ge中共有五種可能的狀態：50在Ge中摻Au可產生3個受主能級，1個施主能級AuGeGeGeGeAu+Au0Au-Au2-Au3-在Ge中摻Au可產生3個受主能級，1個施主能級AuGeGe511.Au失去一個電子—施主Au＋EcEvEDED=Ev+0.04eV1.Au失去一個電子—施主Au＋EcEvEDED=Ev+052EcEvEDEA1Au－2.Au獲得一個電子—受主EA1=Ev+0.15eVEcEvEDEA1Au－2.Au獲得一個電子—受主EA1=533.Au獲得第二個電子EcEvEDEA1Au2－EA2=Ec-0.2eVEA23.Au獲得第二個電子EcEvEDEA1Au2－EA2=E544.Au獲得第三個電子EcEvEDEA1EA3=Ec-0.04eVEA2EA3Au3－4.Au獲得第三個電子EcEvEDEA1EA3=Ec-55深能級雜質特點：不容易電離，對載流子濃度影響不大；一般會產生多重能級，甚至既產生施主能級也產生受主能級。能起到復合中心作用，使少數載流子壽命降低。EcEvEDEAAudopedSilicon0.35eV0.54eV1.12eV0.29eV深能級雜質特點：EcEvEDEAAudopedSilic560.350.3557§2-2

化合物半導體中的雜質能級Ⅲ－Ⅴ族化合物半導體中的雜質理想的GaAs晶格價鍵結構：含有離子鍵成分的共價鍵結構Ga-AsGaGaAsGaAs+GaAs§2-2化合物半導體中的雜質能級Ⅲ－Ⅴ族化合物半導58施主雜質替代Ⅴ族元素受主雜質替代III族元素兩性雜質III、Ⅴ族元素等電子雜質——同族原子取代施主雜質受主雜質兩性雜質等電子雜質——同族原子取代59●等電子雜質等電子雜質是與基質晶體原子具有同數量價電子的雜質原子．替代了同族原子后，基本仍是電中性的。但是由于共價半徑和電負性不同，它們能俘獲某種載流子而成為帶電中心。帶電中心稱為等電子陷阱。例如，N取代GaP中的P而成為負電中心電子陷阱空穴陷阱●等電子雜質等電子雜質是與基質晶體原子具有同數量價電子的雜60●束縛激子

等電子陷阱俘獲一種符號的載流子后，又因帶電中心的庫侖作用又俘獲另一種帶電符號的載流子，形成束縛激子。●束縛激子等電子陷阱俘獲一種符號的載流子后，又因61●兩性雜質舉例：GaAs中摻Si（Ⅳ族）Ga：Ⅲ族As：Ⅴ族SiGa施主兩性雜質SiAs受主兩性雜質：在化合物半導體中，某種雜質在其中既可以作施主又可以作受主，這種雜質稱為兩性雜質?！駜尚噪s質舉例：GaAs中摻Si（Ⅳ族）兩性雜質：在化合物半62§2.3氮化鎵、氮化鋁、碳化硅中的雜質能級§2.3氮化鎵、氮化鋁、碳化硅中的雜質能級63點缺陷：空位、間隙原子線缺陷：位錯面缺陷：層錯、晶界SiSiSiSiSiSiSiSiSi1、缺陷的類型§2-4缺陷能級點缺陷：空位、間隙原子SiSiSiSiSiSiSiSiSi1642.元素半導體中的缺陷(1)空位SiSiSiSiSiSiSiSi原子的空位起受主作用。2.元素半導體中的缺陷(1)空位SiSiSiSiSiSiS65(2)填隙SiSiSiSiSiSiSiSiSiSi間隙原子缺陷起施主作用(2)填隙SiSiSiSiSiSiSiSiSiSi間隙原子66AsGaAsAsAsAsGaAsGaGaGaAsGaAsGaAs●反結構缺陷

GaAs受主AsGa施主3.GaAs晶體中的點缺陷●空位VGa、VAs

VGa受主VAs施主●間隙原子GaI、AsI

GaI施主AsI受主eAsGaAsAsAsAsGaAsGaGaGaAsGaAsGa674.Ⅱ－Ⅵ族化合物半導體的缺陷Ⅱ－Ⅵ族化合物半導體

離子鍵結構—負離子—正離子+-+-+-+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-4.Ⅱ－Ⅵ族化合物半導體的缺陷Ⅱ－Ⅵ族化合物半導體—負離子+68a.負離子空位產生正電中心，起施主作用+-+-+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-+-+-+-++-+-+-++-+-+-+-+-電負性小a.負離子空位產生正電中心，起施主作用+-+-+-+-+-+69b.正離子填隙產生正電中心，起施主作用+-+-+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-+-+-+-++-+-+-++-+-+-+-+--+b.正離子填隙產生正電中心，起施主作用+-+-+-+-+-+70產生負電中心，起受主作用c.正離子空位+-+-+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-+-+-+-++-+--++-+-+-+-+--電負性大產生負電中心，起受主作用c.正離子空位+-+-+-+-+-+71產生負電中心，起受主作用d.負離子填隙+-+-+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-+-+-+-++-+-+-++-+-+-+-+---產生負電中心，起受主作用d.負離子填隙+-+-+-+-+-+72負離子空位產生正電中心，起施主作用正離子填隙正離子空位負離子填隙產生負電中心，起受主作用負離子空位產生正電中心，起施主作用正離子填隙正離子空位負離子73第二章半導體中的雜質和缺陷能級1.什么叫淺能級雜質？它們電離后有何特點？2.什么叫施主？什么叫施主電離？施主電離前后有何特征？試舉例說明之，并用能帶圖表征出n型半導體。3.什么叫受主？什么叫受主電離？受主電離前后有何特征？試舉例說明之，并用能帶圖表征出p型半導體。4.摻雜半導體與本征半導體之間有何差異？試舉例說明摻雜對半導體的導電性能的影響。5.兩性雜質和其它雜質有何異同？6.深能級雜質和淺能級雜質對半導體有何影響？7.何謂雜質補償？雜質補償的意義何在？第二章半導體中的雜質和缺陷能級741、解：淺能級雜質是指其雜質電離能遠小于本征半導體的禁帶寬度的雜質。它們電離后將成為帶正電（電離施主）或帶負電（電離受主）的離子，并同時向導帶提供電子或向價帶提供空穴。2、解：半導體中摻入施主雜質后，施主電離后將成為帶正電離子，并同時向導帶提供電子，這種雜質就叫施主。施主電離成為帶正電離子（中心）的過程就叫施主電離。施主電離前不帶電，電離后帶正電。例如，在Si中摻P，P為Ⅴ族元素。本征半導體Si為Ⅳ族元素，P摻入Si中后，P的最外層電子有四個與Si的最外層四個電子配對成為共價電子，而P的第五個外層電子將受到熱激發掙脫原子實的束縛進入導帶成為自由電子。這個過程就是施主電離。1、解：淺能級雜質是指其雜質電離能遠小于本征半導體的禁帶寬度753、解：半導體中摻入受主雜質后，受主電離后將成為帶負電的離子，并同時向價帶提供空穴，這種雜質就叫受主。受主電離成為帶負電的離子（中心）的過程就叫受主電離。受主電離前帶不帶電，電離后帶負電。例如，在Si中摻B，B為Ⅲ族元素，而本征半導體Si為Ⅳ族元素，P摻入B中后，B的最外層三個電子與Si的最外層四個電子配對成為共價電子，而B傾向于接受一個由價帶熱激發的電子。這個過程就是受主電離。3、解：半導體中摻入受主雜質后，受主電離后將成為帶負電的離子764、解：在純凈的半導體中摻入雜質后，可以控制半導體的導電特性。摻雜半導體又分為n型半導體和p型半導體。例如，在常溫情況下，本征Si中的電子濃度和空穴濃度均為1.5x1010cm-3。當在Si中摻入1.0x1016cm-3的P后，半導體中的電子濃度將變為1.0x1016cm-3，而空穴濃度將近似為2.25x104cm-3。半導體中的多數載流子是電子，而少數載流子是空穴。5、解：兩性雜質是指在半導體中既可作施主又可作受主的雜質。如Ⅲ-Ⅴ族GaAs中摻Ⅳ族Si如果Si替位Ⅲ族As，則Si為施主；如果Si替位Ⅴ族Ga，則Si為受主。所摻入的雜質具體是起施主還是受主與工藝有關。6、解：深能級雜質在半導體中起復合中心或陷阱的作用。淺能級雜質在半導體中起施主或受主的作用。7、當半導體中既有施主又有受主時，施主和受主將先互相抵消，剩余的雜質最后電離，這就是雜質補償。利用雜質補償效應，可以根據需要改變半導體中某個區域的導電類型，制造各種器件。4、解：在純凈的半導體中摻入雜質后，可以控制半導體的導電特性77半導體物理學_第二章_半導體中的雜質和缺陷課件78半導體物理學_第二章_半導體中的雜質和缺陷課件79半導體物理學_第二章_半導體中的雜質和缺陷課件80第二章習題1.P64習題72.設計一個實驗：首先將一塊本征半導體變成N型半導體，然后再設法使它變成P型半導體。第二章習題1.P64習題781第二章半導體中的雜質和缺陷第二章半導體中的雜質和缺陷82理想半導體：1、原子嚴格周期性排列，具有完整的晶格結構。2、晶體中無雜質，無缺陷。3、電子在周期場中作共有化運動，形成允帶和禁帶——電子能量只能處在允帶中的能級上，禁帶中無能級。本征半導體——晶體具有完整的（完美的）晶格結構，無任何雜質和缺陷。由本征激發提供載流子。理想半導體：83實際半導體實際半導體中原子并不是靜止在具有嚴格周期性的晶格位置上，而是在其平衡位置附近振動；實際半導體并不是純凈的，而是含有雜質的；實際的半導體晶格結構并不是完整無缺的，而是存在著各種形式的缺陷，點缺陷，線缺陷，面缺陷；雜質和缺陷可在禁帶中引入能級，從而對半導體的性質產生了決定性的作用實際半導體實際半導體中原子并不是靜止在具有嚴格周期性的84主要內容

1.淺能級雜質能級和雜質電離；2.淺能級雜質電離能的計算；3.雜質補償作用4.深能級雜質的特點和作用1、等電子雜質；2、Ⅳ族元素起兩性雜質作用§2-1元素半導體中的雜質能級§2-3缺陷能級§2-2化合物半導體中的雜質能級點缺陷對半導體性能的影響

主要內容1.淺能級雜質能級和雜質電離；1、等電85§2.1Si、Ge晶體中的雜質能級

1、雜質與雜質能級

雜質：半導體中存在的與本體元素不同的其它元素。雜質的來源：｛有意摻入無意摻入根據雜質在能級中的位置不同：｛替位式是雜質間隙式雜質§2.1Si、Ge晶體中的雜質能級

雜質的來源：｛有意86在金剛石型晶體中，晶胞中原子的體積百分數為34%，說明還有66%是空隙。Si中的雜質有兩種存在方式，a：間隙式雜質特點：雜質原子一般較小，鋰元素b：替位式雜質特點：雜質原子的大小與被替代的晶格原子大小可以相比，價電子殼層結構比較相近，Ⅲ和Ⅴ族元素在Si，Ge中都是替位式以硅為例說明單位體積中的雜質原子數稱為雜質濃度在金剛石型晶體中，晶胞中原子的體積百分數為34%，說明還有687B:替位式→雜質占據格點位置。大小接近、電子殼層結構相近Si：r=0.117nmB：r=0.089nmP：r=0.11nmLi：0.068nmA:間隙式→雜質位于間隙位置。SiSiSiSiSiSiSiPSiLiB:替位式→雜質占據格點位置。大小接近、電子殼層結構相近Si88N型半導體P型半導體復合中心陷阱雜質分類淺能級雜質深能級雜質N型半導體P型半導體復合中心陷阱雜質分類淺能級雜質深能級雜質89雜質能級位于禁帶中Eg淺能級雜質能級位于禁帶中Eg淺能級90施主雜質施主能級Ei受主雜質受主能級EcEv淺能級施主雜質施主能級Ei受主雜質受主能級EcEv淺能級91(1)VA族的替位雜質——施主雜質在硅Si中摻入PSiSiSiSiSiSiSiP+Si磷原子替代硅原子后，形成一個正電中心P＋和一個多余的價電子束縛態—未電離離化態—電離后2、元素半導體的雜質(1)VA族的替位雜質——施主雜質在硅Si中摻入PSiSiS92

（a）電離態

（b）中性施主態

（a）電離態（b）93過程：1.形成共價鍵后存在正電中心P+；2.多余的一個電子掙脫束縛，在晶格中自由動；雜質電離3.P+成為不能移動的正電中心；雜質電離，雜質電離能，施主雜質（n型雜質），施主能級過程：雜質電離，雜質電離能，施主雜質（n型雜質），施主能級94電離的結果：導帶中的電子數增加了，這即是摻施主的意義所在。1.施主處于束縛態，2.施主電離3施主電離后處于離化態能帶圖中施主雜質電離的過程電離的結果：導帶中的電子數增加了，這即是摻施主的意義所在。195電離時，P原子能夠提供導電電子并形成正電中心，——施主雜質。施主雜質施主能級被施主雜質束縛的電子的能量比導帶底Ec低，稱為施主能級，ED。施主雜質少，原子間相互作用可以忽略，施主能級是具有相同能量的孤立能級．ED施主濃度：ND電離時，P原子能夠提供導電電子并形成正電中心，——施主雜質。96施主電離能△ED=弱束縛的電子擺脫雜質原子 束縛成為晶格中自由運動的電子（導帶中的電子）所需 要的能量ECED△ED=EC－ED施主電離能EV-束縛態離化態+施主電離能△ED=弱束縛的電子擺脫雜質原子ECED△ED97施主雜質的電離能小，在常溫下基本上電離。含有施主雜質的半導體，其導電的載流子主要是電子——N型半導體，或電子型半導體晶體雜質PAsSbSi0.0440.0490.039Ge0.01260.01270.0096施主雜質的電離能小，在常溫下基本上電離。含有施主雜質的半導體98定義：施主雜質V族元素在硅、鍺中電離時能夠釋放電子而產生導電電子并形成正電中心，稱此類雜質為施主雜質或n型雜質。施主電離施主雜質釋放電子的過程。施主能級被施主雜質束縛的電子的能量狀態，記為ED，施主電離能量為ΔED。n型半導體依靠導帶電子導電的半導體。定義：施主雜質993、受主能級：舉例：Si中摻硼B3、受主能級：舉例：Si中摻硼B100

在Si單晶中，Ⅲ族受主替位雜質兩種電荷狀態的價鍵（a）電離態

（b）中性受主態

在Si單晶中，Ⅲ族受主替位雜質兩種電荷狀態的價鍵（a101價帶空穴

電離受主B-2、受主能級：舉例：Si中摻硼B過程：1.形成共價鍵時，從Si原子中奪取一個電子，Si的共價鍵中產生一個空穴；2.當空穴掙脫硼離子的束縛，形成固定不動的負電中心B-受主電離，受主電離能，受主雜質（p型雜質），受主能級價帶空穴電離受主B-2、受主能級：舉例：102電離的結果：價帶中的空穴數增加了，這即是摻受主的意義所在1.受主處于束縛態，2，受主電離3，受主電離后處于離化態能帶圖中受主雜質電離的過程電離的結果：價帶中的空穴數增加了，這即是摻受主的意義所在1.103在Si中摻入BB具有得到電子的性質，這類雜質稱為受主雜質。受主雜質向價帶提供空穴。B獲得一個電子變成負離子，成為負電中心，周圍產生帶正電的空穴。B－＋B－EA受主濃度：NA在Si中摻入BB具有得到電子的性質，這類雜質稱為受主雜質。B104EcEvEA受主電離能和受主能級受主電離能△EA=空穴擺脫受主雜質束縛成為導電空穴所需要的能量-束縛態離化態+EcEvEA受主電離能和受主能級受主電離能△EA=空穴擺脫受105受主雜質的電離能小，在常溫下基本上為價帶電離的電子所占據——空穴由受主能級向價帶激發。含有受主雜質的半導體，其導電的載流子主要是空穴——P型半導體，或空穴型半導體。晶體雜質BAlGaSi0.0450.0570.065Ge0.010.010.011受主雜質的電離能小，在常溫下基本上為價帶電離的電子所占據——106定義：受主雜質III族元素在硅、鍺中電離時能夠接受電子而產生導電空穴并形成負電中心，稱此類雜質為受主雜質或p型雜質。受主電離受主雜質釋放空穴的過程。受主能級被受主雜質束縛的空穴的能量狀態，記為EA。受主電離能量為ΔEAp型半導體依靠價帶空穴導電的半導體。定義：受主雜質107施主和受主濃度：ND、NA施主：Donor，摻入半導體的雜質原子向半導體中提供導電的電子，并成為帶正電的離子。如Si中摻的P和As受主：Acceptor，摻入半導體的雜質原子向半導體提供導電的空穴，并成為帶負電的離子。如Si中摻的B小結！施主和受主濃度：ND、NA施主：Donor，摻入半導體的雜質108等電子雜質等電子雜質109N型半導體特征：a施主雜質電離，導帶中出現施主提供的導電電子b電子濃度n〉空穴濃度pP型半導體特征：a受主雜質電離，價帶中出現受主提供的導電空穴b空穴濃度p〉電子濃度nECEDEVEA----++++----++++EgN型和P型半導體都稱為極性半導體N型半導體a施主雜質電離，導帶中出現施主提供的導電電子b110P型半導體價帶空穴數由受主決定，半導體導電的載流子主要是空穴?？昭槎嘧?，電子為少子。N型半導體導帶電子數由施主決定，半導體導電的載流子主要是電子。電子為多子，空穴為少子。多子——多數載流子少子——少數載流子P型半導體價帶空穴數由受主決定，半導體導電的載流子主要是空穴111雜質向導帶和價帶提供電子和空穴的過程（電子從施主能級向導帶的躍遷或空穴從受主能級向價帶的躍遷）稱為雜質電離或雜質激發。具有雜質激發的半導體稱為雜質半導體

雜質激發3.雜質半導體電子從價帶直接向導帶激發，成為導帶的自由電子，這種激發稱為本征激發。只有本征激發的半導體稱為本征半導體。本征激發N型和P型半導體都是雜質半導體

雜質向導帶和價帶提供電子和空穴的過程（電子從施主能級向導帶的112施主向導帶提供的載流子=1016～1017/cm3》本征載流子濃度雜質半導體中雜質載流子濃度遠高于本征載流子濃度Si的原子濃度為1022～1023/cm3摻入P的濃度/Si原子的濃度=10-6例如：Si在室溫下，本征載流子濃度為1010/cm3，施主向導帶提供的載流子雜質半導體中雜質載流子濃度遠高于本征載113上述雜質的特點：施主雜質：受主雜質：淺能級雜質雜質的雙重作用：改變半導體的導電性決定半導體的導電類型雜質能級在禁帶中的位置上述雜質的特點：施主雜質：受主雜質：淺能級雜質雜質的雙重作用1144.淺能級雜質電離能的簡單計算+-施主-+受主淺能級雜質=雜質離子+束縛電子（空穴）類氫模型4.淺能級雜質電離能的簡單計算+-施主-+受主淺能級雜質=115玻爾原子電子的運動軌道半徑為：n=1為基態電子的運動軌跡玻爾能級：玻爾原子模型玻爾原子電子的運動軌道半徑為：n=1為基態電子的運動軌跡玻爾116類氫模型氫原子中電子能量n=1,2,3……，為主量子數，當n=1和無窮時類氫模型117氫原子基態電子的電離能考慮到正、負電荷處于介電常數ε=ε0εr的介質中，且處于晶格形成的周期性勢場中運動，所以電子的慣性質量要用有效質量代替氫原子基態電子的電離能118類氫模型：計算束縛電子或空穴運動軌道半徑及電離能運動軌道半徑：電離能：類氫模型：計算束縛電子或空穴運動軌道半徑及電離能運動軌道半徑119施主雜質電離能受主雜質電離能施主雜質電離能120對于Si中的P原子，剩余電子的運動半徑約為24.4?：Si:a=5.4?剩余電子本質上是在晶體中運動SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiPSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi：r=1.17?對于Si中的P原子，剩余電子的運動半徑約為24.4?：Si121施主能級靠近導帶底部對于Si、Ge摻PEcEvED估算結果與實測值有相同的數量級施主能級靠近導帶底部對于Si、Ge摻PEcEvED估算結果與122對于Si、Ge摻BEcEvEA對于Si、Ge摻BEcEvEA123EcED電離施主電離受主Ev5.雜質的補償作用(1)ND＞NA半導體中同時存在施主和受主雜質，施主和受主之間有互相抵消的作用此時半導體為n型半導體有效施主濃度n=ND-NAEAEcED電離施主電離受主Ev5.雜質的補償作用(1)ND124EcEDEAEv電離施主電離受主(2)ND<NA此時半導體為p型半導體有效受主濃度p=NA-NDEcEDEAEv電離施主電離受主(2)ND<NA此時半導體125(3)ND≈NA雜質的高度補償EcEDEAEv本征激發產生的導帶電子本征激發產生的價帶空穴(3)ND≈NA雜質的高度補償EcEDEAEv本征激發產生126雜質的補償作用當ND>>NA時n=ND-NA≈

ND，半導體是n型的當ND<<NA時p=NA-ND≈

NA，半導體是p型的當ND≈NA時補償半導體有效雜質濃度補償后半導體中的凈雜質濃度。雜質的補償作用當ND>>NA時1276.深雜質能級根據雜質能級在禁帶中的位置，雜質分為：淺能級雜質→能級接近導帶底Ec或價帶頂Ev，電離能很小深能級雜質→能級遠離導帶底Ec或價帶頂Ev，電離能較大ECEDEVEAEgECEAEVEDEg6.深雜質能級根據雜質能級在禁帶中的位置，雜質分為：淺能級128半導體物理學_第二章_半導體中的雜質和缺陷課件129深能級雜質非III、V族元素（52頁圖2-8/9）特點多為替位式雜質硅、鍺的禁帶中產生的施主能級距離導帶底和價帶頂較遠，形成深能級，稱為深能級雜質。深能級雜質能夠產生多次電離，每次電離均對應一個能級。有的雜質既能引入施主能級，又能引入受主能級。深能級雜質非III、V族元素（52頁圖2-8/9）130例1：Au（Ⅰ族）在Ge中Au在Ge中共有五種可能的狀態：（1）Au+；

（2）Au0

；

（3）Au一

；

（4）Au二

；

（5）Au三。例1：Au（Ⅰ族）在Ge中Au在Ge中共有五種可能的狀態：131在Ge中摻Au可產生3個受主能級，1個施主能級AuGeGeGeGeAu+Au0Au-Au2-Au3-在Ge中摻Au可產生3個受主能級，1個施主能級AuGeGe1321.Au失去一個電子—施主Au＋EcEvEDED=Ev+0.04eV1.Au失去一個電子—施主Au＋EcEvEDED=Ev+0133EcEvEDEA1Au－2.Au獲得一個電子—受主EA1=Ev+0.15eVEcEvEDEA1Au－2.Au獲得一個電子—受主EA1=1343.Au獲得第二個電子EcEvEDEA1Au2－EA2=Ec-0.2eVEA23.Au獲得第二個電子EcEvEDEA1Au2－EA2=E1354.Au獲得第三個電子EcEvEDEA1EA3=Ec-0.04eVEA2EA3Au3－4.Au獲得第三個電子EcEvEDEA1EA3=Ec-136深能級雜質特點：不容易電離，對載流子濃度影響不大；一般會產生多重能級，甚至既產生施主能級也產生受主能級。能起到復合中心作用，使少數載流子壽命降低。EcEvEDEAAudopedSilicon0.35eV0.54eV1.12eV0.29eV深能級雜質特點：EcEvEDEAAudopedSilic1370.350.35138§2-2

化合物半導體中的雜質能級Ⅲ－Ⅴ族化合物半導體中的雜質理想的GaAs晶格價鍵結構：含有離子鍵成分的共價鍵結構Ga-AsGaGaAsGaAs+GaAs§2-2化合物半導體中的雜質能級Ⅲ－Ⅴ族化合物半導139施主雜質替代Ⅴ族元素受主雜質替代III族元素兩性雜質III、Ⅴ族元素等電子雜質——同族原子取代施主雜質受主雜質兩性雜質等電子雜質——同族原子取代140●等電子雜質等電子雜質是與基質晶體原子具有同數量價電子的雜質原子．替代了同族原子后，基本仍是電中性的。但是由于共價半徑和電負性不同，它們能俘獲某種載流子而成為帶電中心。帶電中心稱為等電子陷阱。例如，N取代GaP中的P而成為負電中心電子陷阱空穴陷阱●等電子雜質等電子雜質是與基質晶體原子具有同數量價電子的雜141●束縛激子

等電子陷阱俘獲一種符號的載流子后，又因帶電中心的庫侖作用又俘獲另一種帶電符號的載流子，形成束縛激子?！袷`激子等電子陷阱俘獲一種符號的載流子后，又因142●兩性雜質舉例：GaAs中摻Si（Ⅳ族）Ga：Ⅲ族As：Ⅴ族SiGa施主兩性雜質SiAs受主兩性雜質：在化合物半導體中，某種雜質在其中既可以作施主又可以作受主，這種雜質稱為兩性雜質?！駜尚噪s質舉例：GaAs中摻Si（Ⅳ族）兩性雜質：在化合物半143§2.3氮化鎵、氮化鋁、碳化硅中的雜質能級§2.3氮化鎵、氮化鋁、碳化硅中的雜質能級144點缺陷：空位、間隙原子線缺陷：位錯面缺陷：層錯、晶界SiSiSiSiSiSiSiSiSi1、缺陷的類型§2-4缺陷能級點缺陷：空位、間隙原子SiSiSiSiSiSiSiSiSi11452.元素半導體中的缺陷(1)空位SiSiSiSiSiSiSiSi原子的空位起受主作用。2.元素半導體中的缺陷(1)空位SiSiSiSiSiSiS146(2)填隙SiSiSiSiSiSiSiSiSiSi間隙原子缺陷起施主作用(2)填隙SiSiSiSiSiSiSiSiSiSi間隙原子147AsGaAsAsAsAsGaAsGaGaGaAsGaAsGaAs●反結構缺陷

GaAs受主AsGa施主3.GaAs晶體中的點缺陷●空位VGa、VAs

VGa受主VAs施主●間隙原子GaI、AsI

GaI施主AsI受主eAsGaAsAsAsAsGaAsGaGaGaAsGaAsGa1484.Ⅱ－Ⅵ族化合物半導體的缺陷Ⅱ－Ⅵ族化合物半導體

離子鍵結構—負離子—正離子+-+-+-+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-4.Ⅱ－Ⅵ族化合物半導體的缺陷Ⅱ－Ⅵ族化合物半導體—負離子+149a.負離子空位產生正電中心，起施主作用+-+-+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-+-+-+-+