1、第二章半導體中雜質和缺陷能級第二章半導體中雜質和缺陷能級雜質：半導體中存在的與本體元素不同的其它元素雜質：半導體中存在的與本體元素不同的其它元素 缺陷缺陷: 晶格中的原子周期性排列被破壞晶格中的原子周期性排列被破壞 a. 點缺陷：空位、間隙原子點缺陷：空位、間隙原子 b. 線缺陷：位錯線缺陷：位錯 c. 面缺陷：層錯面缺陷：層錯 雜質和缺陷對半導體的物理性能和化學性能會雜質和缺陷對半導體的物理性能和化學性能會產生決定性的影響。產生決定性的影響。雜質和缺陷出現在半導體中時，雜質和缺陷出現在半導體中時，產生的附加勢場使嚴格的周期產生的附加勢場使嚴格的周期性勢場遭到破壞。性勢場遭到破壞。雜質能級位于

2、禁帶之中雜質能級位于禁帶之中 Ec Ev雜質能級雜質能級n間隙式雜質：雜質原子間隙式雜質：雜質原子位于晶格原子的間隙位位于晶格原子的間隙位置置 間隙式雜質原子一般比間隙式雜質原子一般比較小較小n替位式雜質：雜質原子替位式雜質：雜質原子取代晶格原子位于晶格取代晶格原子位于晶格點處點處 替位式雜質替位式雜質 原子的大原子的大小與被取代的晶格原子小與被取代的晶格原子的大小比較相近的大小比較相近, ,價電價電子殼層結構相近。子殼層結構相近。2.1 Si、Ge晶體中的雜質能級晶體中的雜質能級雜質濃度：單位體積中的雜質濃度：單位體積中的雜質原子數雜質原子數施主雜質：能夠施放電子而產生導電電子并形成施主雜質

3、：能夠施放電子而產生導電電子并形成 正電中心正電中心施主雜質和施主能級：施主雜質和施主能級：受主雜質和受主能級：受主雜質和受主能級：Si中摻硼中摻硼B 受主雜質：能夠接受電子而產生導電空穴并形成受主雜質：能夠接受電子而產生導電空穴并形成 負電中心負電中心5、雜質的補償作用、雜質的補償作用n雜質的補償雜質的補償:既摻有施主又摻既摻有施主又摻有受主有受主 補償半導體補償半導體（A） ND NA 時時 n型半導體型半導體因因 EA 在在 ED 之下，之下， ED上的束縛上的束縛電子首先填充電子首先填充EA上的空位，即上的空位，即施主與受主先相互施主與受主先相互“抵消抵消”，剩余的束縛電子再電離到導帶

4、剩余的束縛電子再電離到導帶上。上。 半導體是半導體是 n 型的型的有效的施主濃度有效的施主濃度 ND*= ND - NAED EADADnNNN（B）NAND時時 p型半導體型半導體 因因 EA 在在 ED 之下，之下， ED上的束縛電子首上的束縛電子首先填充先填充EA上的空位，上的空位，即施主與受主先相互即施主與受主先相互“抵消抵消”，剩余的束縛，剩余的束縛空穴再電離到價帶上。空穴再電離到價帶上。 半導體是半導體是 p 型的型的有效的受主濃度有效的受主濃度 NA*= NA ND EAEDADApNNNn（C） NA ND時時 雜質的高度補償雜質的高度補償本征激發的導帶電子本征激發的導帶電子E

5、cEDEAEv本征激發的價帶空穴本征激發的價帶空穴n6、深能級雜質、深能級雜質（1）淺能級雜質）淺能級雜質EDEgEAEg（2）深能級雜質）深能級雜質E D EgEA EgEcEcEvEvEDEDEDEAEAEA深能級的特點：深能級的特點：施主能級離導帶較遠，受主能級離價帶較遠。施主能級離導帶較遠，受主能級離價帶較遠。一種雜質可以引入若干能級，因為會產生多次電離，一種雜質可以引入若干能級，因為會產生多次電離，有的雜質既能引入施主能級，又能引入受主能級。有的雜質既能引入施主能級，又能引入受主能級。雜質能級是與雜質原子的殼層結構、雜質原子的大雜質能級是與雜質原子的殼層結構、雜質原子的大小、雜質在晶

6、格中的位置等等因素有關，目前沒有小、雜質在晶格中的位置等等因素有關，目前沒有完善的理論加以說明。完善的理論加以說明。n例例1：Au（族）在族）在Ge中中Au在在Ge中共有五種可能的狀態：中共有五種可能的狀態：（1）Au+； （2） Au0 ； （3） Au一一 ； （4） Au二二 ； （5） Au三。三。n（1）Au+： Au0 e Au+ECEgEDEVE D(2) Au0電中性態電中性態n（3） Au一一： Au0 + e Au一一ECEVEAEA1n（4） Au二二：Au一 + e Au二EA2=EA1EA2ECEVEA2n（5） Au三三： Au二 + e Au三EA3=EA3EA2

7、EA1EVEC7、等電子陷阱、等電子陷阱（1）等電子雜質）等電子雜質特征：特征：a、與本征元素同族但不同原子序數、與本征元素同族但不同原子序數 b、以替位形式存在于晶體中，基本、以替位形式存在于晶體中，基本 上是電中性的。上是電中性的。條件：電負性、共價半徑相差較大條件：電負性、共價半徑相差較大 同族元素原子序數越小，電負性越大，共價半同族元素原子序數越小，電負性越大，共價半徑越小。徑越小。 等電子雜質電負性大于基質晶體原子的電負時，等電子雜質電負性大于基質晶體原子的電負時，取代后將成為負電中心；反之，將成為正電中心。取代后將成為負電中心；反之，將成為正電中心。原子的電負性是描述化合物分子中組

8、成原子吸引電原子的電負性是描述化合物分子中組成原子吸引電子傾向強弱的物理量，顯然與原子的電離能、親合子傾向強弱的物理量，顯然與原子的電離能、親合能及價態有關能及價態有關n（2）等電子陷阱）等電子陷阱等電子雜質（如等電子雜質（如N）占據本征原子位置）占據本征原子位置（如（如GaP中的中的P位置）后，即位置）后，即 N NPN 的共價半徑為的共價半徑為 0.07nm，電負性為，電負性為3.0;P 的共價半徑為的共價半徑為 0.11nm，電負性為，電負性為2.1所以氮取代磷后能俘獲電子成為負電中心，它們可以所以氮取代磷后能俘獲電子成為負電中心，它們可以吸引一個導帶電子而變成負離子，這就是電子陷阱，吸

9、引一個導帶電子而變成負離子，這就是電子陷阱，相反如果成為正電中心即可吸引一個價帶空穴而變成相反如果成為正電中心即可吸引一個價帶空穴而變成正離子這就是空穴陷阱。正離子這就是空穴陷阱。1、N在在GaP中：中：NP 2、C在在Si中：中：CSi 3、O在在ZnTe中：中：n其存在形式可以是其存在形式可以是 （1）替位式）替位式 （2）復合體，如）復合體，如 Zn-On8、束縛激子、束縛激子 即等電子陷阱俘獲一種符號的載流子后，又即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因帶電中心的庫侖作用又俘獲另一種帶電符號的載流子，這就是流子，這就是束縛激子束縛激子。n9、

10、兩性雜質、兩性雜質舉例：舉例：GaAs 中中 摻摻 Si（族）族）Ga：族族 As：族族Si Ga受主受主SiAs施主施主兩性雜質兩性雜質：在化合物半導體中，某種雜質在兩性雜質：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其中既可以作施主又可以作受 主，這主，這 種雜質稱為種雜質稱為兩性雜質兩性雜質。2.2 -族化合物中的雜質能級族化合物中的雜質能級鋁、鎵、銦和磷、砷、銻組成的九種化合物鋁、鎵、銦和磷、砷、銻組成的九種化合物化學計量比：化學計量比：1:1晶體結構：閃鋅礦結構晶體結構：閃鋅礦結構替位式雜質替位式雜質間隙式雜質間隙式雜質 一族元素，引入受主能級一族元素，引入受主能級 二

11、族元素，受主能級二族元素，受主能級 三、五族元素，一般是電中性雜質，另一種等電子三、五族元素，一般是電中性雜質，另一種等電子雜質效應雜質效應等電子雜質：等電子雜質：特征：特征：a、與本征元素同族但不同原子序數、與本征元素同族但不同原子序數 b、以替位形式存在于晶體中，基本、以替位形式存在于晶體中，基本 上是電中性的。上是電中性的。條件：電負性、共價半徑相差較大條件：電負性、共價半徑相差較大 同族元素原子序數越小，電負性越大，共價半同族元素原子序數越小，電負性越大，共價半徑越小。徑越小。 等電子雜質電負性大于基質晶體原子的電負時，等電子雜質電負性大于基質晶體原子的電負時，取代后將成為負電中心；反

12、之，將成為正電中心。取代后將成為負電中心；反之，將成為正電中心。等電子雜質（如等電子雜質（如N）占據本征原子位置）占據本征原子位置（如（如GaP中的中的P位置）后，即位置）后，即 N NPN 的共價半徑為的共價半徑為 0.07nm，電負性為，電負性為3.0;P 的共價半徑為的共價半徑為 0.11nm，電負性為，電負性為2.1所以氮取代磷后能俘獲電子成為負電中心，它們可以所以氮取代磷后能俘獲電子成為負電中心，它們可以吸引一個導帶電子而變成負離子，這就是電子陷阱，吸引一個導帶電子而變成負離子，這就是電子陷阱，相反如果成為正電中心即可吸引一個價帶空穴而變成相反如果成為正電中心即可吸引一個價帶空穴而變

13、成正離子這就是空穴陷阱。正離子這就是空穴陷阱。（4）四族元素，兩性雜質）四族元素，兩性雜質舉例：舉例：GaAs 中中 摻摻 Si（族）族）Ga：族族 As：族族Si Ga受主受主SiAs施主施主兩性雜質兩性雜質：在化合物半導體中，某種雜質在兩性雜質：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其中既可以作施主又可以作受 主，這主，這 種雜質稱為種雜質稱為兩性雜質兩性雜質。（5）六族元素，常取代五族元素，施主雜質）六族元素，常取代五族元素，施主雜質（6）過渡族元素除釩產生施主能級，其余均產生）過渡族元素除釩產生施主能級，其余均產生受主能級受主能級2.2 缺 陷 能 級n1、 點點 缺缺 陷陷：空位空位 間隙原子間隙原子弗倫克爾缺陷和肖特基缺陷弗倫克爾缺陷和肖特基缺陷（1）Si中的點缺陷：中的點缺陷：空位空位受主作用受主作用間隙原子間隙原子 施主作用施主作用（2）化合物）化合物砷化鎵中的砷空位和鎵空位均表現出受主作用砷化鎵中的砷空位和鎵空位均表現出受主作用二六族化合物，離子型較強，正離子空位是受二六族化合物，離子型較強，正離子空位是受主，負離子空位是施主