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1、第二章半导体中杂质和缺陷能级 杂质：半导体中存在的与本体元素不同的其它元素 缺陷: 晶格中的原子周期性排列被破坏 a. 点缺陷：空位、间隙原子 b. 线缺陷：位错 c. 面缺陷：层错 杂质和缺陷对半导体的物理性能和化学性能会产 生决定性的影响。 杂质和缺陷出现在半导体中时， 产生的附加势场使严格的周期 性势场遭到破坏。 杂质能级位于禁带之中 Ec Ev 杂质能级 n间隙式杂质：杂质原子 位于晶格原子的间隙位 置 间隙式杂质原子一般比 较小 n替位式杂质：杂质原子 取代晶格原子位于晶格 点处 替位式杂质 原子的大 小与被取代的晶格原子 的大小比较相近,价电 子壳层结构相近。 2.1 Si、Ge晶
2、体中的杂质能级 杂质浓度：单位体积中的 杂质原子数 施主杂质：能够施放电子而产生导电电子并形成 正电中心 施主杂质和施主能级： 受主杂质和受主能级：Si中掺硼B 受主杂质：能够接受电子而产生导电空穴并形成 负电中心 5、杂质的补偿作用 n杂质的补偿:既掺有施主又掺 有受主 补偿半导体 （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。 半导体是 n 型的 有效的施主浓度 ND*= ND - NA ED EA （B）NAND时 p型半导体 因 EA 在 ED 之下， ED上的束缚电
3、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。 半导体是 p 型的 有效的受主浓度 NA*= NA ND EA ED n（C） NAND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 n6、深能级杂质 （1）浅能级杂质 EDEg EAEg （2）深能级杂质 E DEg EAEg Ec Ec Ev Ev ED ED ED EA EA EA 深能级的特点： 施主能级离导带较远，受主能级离价带较远。 一种杂质可以引入若干能级，因为会产生多次电离 ，有的杂质既能引入施主能级，又能引入受主能级 。 杂质能级是与杂质原子的壳层
4、结构、杂质原子的大 小、杂质在晶格中的位置等等因素有关，目前没有 完善的理论加以说明。 n例1：Au（族）在Ge中 Au在Ge中共有五种可能的状态： （1）Au+； （2） Au0 ； （3） Au一 ； （4） Au二 ； （5） Au三。 n（1）Au+： Au0 e Au+ EC Eg ED EV E D (2) Au0 电中性态 n（3） Au一： Au0 + e Au一 EC EV EA EA1 n（4） Au二：Au一 + e Au二 EA2= EA1 EA2 EC EV EA2 n（5） Au三： Au二 + e Au三 EA3= EA3 EA2 EA1 EV EC 7、等电子陷
5、阱 （1）等电子杂质 特征：a、与本征元素同族但不同原子序数 b、以替位形式存在于晶体中，基本 上是电中性的。 条件：电负性、共价半径相差较大 同族元素原子序数越小，电负性越大，共价半 径越小。 等电子杂质电负性大于基质晶体原子的电负时， 取代后将成为负电中心；反之，将成为正电中心。 原子的电负性是描述化合物分子中组成原子吸引电 子倾向强弱的物理量，显然与原子的电离能、亲合 能及价态有关 n（2）等电子陷阱 等电子杂质（如N）占据本征原子位置 （如GaP中的P位置）后，即 N NP N 的共价半径为 0.07nm，电负性为3.0; P 的共价半径为 0.11nm，电负性为2.1 所以氮取代磷后
6、能俘获电子成为负电中心，它们可以 吸引一个导带电子而变成负离子，这就是电子陷阱， 相反如果成为正电中心即可吸引一个价带空穴而变成 正离子这就是空穴陷阱。 1、N在GaP中：NP 2、C在Si中：CSi 3、O在ZnTe中： n其存在形式可以是 （1）替位式 （2）复合体，如 Zn-O n8、束缚激子 即等电子陷阱俘获一种符号的载流子后，又因 带电中心的库仑作用又俘获另一种带电符号的载流 子，这就是束缚激子。 n9、两性杂质 举例：GaAs 中 掺 Si（族） Ga：族 As：族 Si Ga 受主 SiAs 施主 两性杂质 两性杂质：在化合物半导体中，某种杂质在 其中既可以作施主又可以作受 主，
7、这 种杂质称为两性杂质。 2.2 -族化合物中的杂质能级 铝、镓、铟和磷、砷、锑组成的九种化合物 化学计量比：1:1 晶体结构：闪锌矿结构 替位式杂质 间隙式杂质 (1)一族元素，引入受主能级 (2)二族元素，受主能级 (3)三、五族元素，一般是电中性杂质，另一种等电 子杂质效应 等电子杂质： 特征：a、与本征元素同族但不同原子序数 b、以替位形式存在于晶体中，基本 上是电中性的。 条件：电负性、共价半径相差较大 同族元素原子序数越小，电负性越大，共价半 径越小。 等电子杂质电负性大于基质晶体原子的电负时， 取代后将成为负电中心；反之，将成为正电中心。 等电子杂质（如N）占据本征原子位置 （如
8、GaP中的P位置）后，即 N NP N 的共价半径为 0.07nm，电负性为3.0; P 的共价半径为 0.11nm，电负性为2.1 所以氮取代磷后能俘获电子成为负电中心，它们可以 吸引一个导带电子而变成负离子，这就是电子陷阱， 相反如果成为正电中心即可吸引一个价带空穴而变成 正离子这就是空穴陷阱。 （4）四族元素，两性杂质 举例：GaAs 中 掺 Si（族） Ga：族 As：族 Si Ga 受主 SiAs 施主 两性杂质 两性杂质：在化合物半导体中，某种杂质在 其中既可以作施主又可以作受 主，这 种杂质称为两性杂质。 （5）六族元素，常取代五族元素，施主杂质 （6）过渡族元素除钒产生施主能级，其余均产生 受主能级 2.2 缺 陷 能 级 n1、 点 缺 陷： 空位 间隙原子 弗伦克尔缺陷和肖特基缺陷 （1）Si中的点缺陷： 空位受主作用 间隙原子 施主作用 （2）化合物 砷化镓中的砷空位和镓空位均表现出受主作用 二六族化合物，离子型较强，正离子空位是受 主，负离子空位是施主，正离子间隙原子为施 主，负离子间隙原子为受主。 反结构缺陷 2 线缺陷 位错存在不饱和键，可以俘获电子成为负电 中心，起受主作用，也可以失去不成价的电子， 成为正电中心，起施主作用。位错既可能成为施 主，也可成为受主。
