-1- 2010/6/10
信息学院电子系微电子专业必修课程
茅惠兵
信息科学技术学院
半导体物理
Semiconductor Physics
SHARED COMMITMENT,SHARED RESOURCES,ONE SOLUTION.
-2- 2010/6/10
信息学院电子系微电子专业必修课程
第二章 半导体中杂质和缺陷能级
?理想半导体：
1、原子严格地周期性排列，晶体具有完整的晶格
结构。
2、晶体中无杂质，无缺陷。
3、电子在周期场中作共有化运动，形成允带和禁带 —— 电
子能量只能处在允带中的能级上，禁带中无能级。由本
征激发提供载流子
?本征半导体 —— 晶体具有完整的（完美的）晶格结构，
无任何杂质和缺陷。
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-3- 2010/6/10
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第二章 半导体中杂质和缺陷能级
?实际材料中
1、总是有杂质、缺陷，使周期场破坏，在杂质或
缺陷周围引起局部性的量子态 —— 对应的能级常
常处在禁带中，对半导体的性质起着决定性的
影响。
2、杂质电离提供载流子。
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-4- 2010/6/10
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§ 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
?一个晶胞中包含有八个硅原子，若近似地把原子看成是
半径为 r的圆球，则可以计算出这八个原于占据晶胞空间
的百分数如下：
?说明，在金刚石型晶体中一个晶胞内的 8个原子只占有晶
胞体积的 34%，还有 66%是空隙
3
3
13
2 3 =
48
3
8
4 0,34
r a r a
r
a
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-5- 2010/6/10
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§ 2.1.1 替位式杂质 间隙式杂质
?金刚石型晶体结构中的两种空隙如图 2-1所示。这些空
隙通常称为间隙位臵
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-6- 2010/6/10
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§ 2.1.1 替位式杂质 间隙式杂质
杂质原子进入半导体硅后，
以两种方式存在
?一种方式是杂质原子位于
品格原子间的间隙位臵，
常称为 间隙式 杂质（ A）
?另一种方式是杂质原子取
代晶格原子而位于晶格点
处，常称为 替位式 杂质（ B）
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-7- 2010/6/10
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§ 2.1.1 替位式杂质 间隙式杂质
两种杂质特点：
?间隙式杂质原子一般比较小，如：锂离子,0.068nm
?替值式杂质时：
1）杂质原子的大小与被取代的晶格原子的大小比较相近
2）价电子壳层结构比较相近
如,ⅢⅤ 族元素
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-8- 2010/6/10
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§ 2.1.2 施主杂质 施主能级
?Ⅴ 族杂质在硅、锗中电离时，能够施放电子而产
生导电电子并形成正电中心，称它们为 施主杂质
或 n型杂质
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-9- 2010/6/10
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§ 2.1.2 施主杂质 施主能级
以硅中掺磷 P为例：
?磷原子占据硅原子的位臵。磷原子
有五个价电子。其中四个价电子与
周围的四个硅原于形成共价键，还
剩余一个价电子。
?这个多余的价电子就束缚在正电中
心 P＋ 的周围。价电子只要很少能
量就可挣脱束缚，成为 导电电子 在
晶格中自由运动
?这时磷原子就成为少了一个价电子
的磷离子 P＋,它是一个不能移动
的 正电中心 。
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-10- 2010/6/10
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§ 2.1.2 施主杂质 施主能级
?上述电子脱离杂质原子的束缚成为导电电子的过程称
为 杂质电离
?使个多余的价电子挣脱束缚成为导电电子所需要的能
量称为 杂质电离能
?施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子，
同时向导带提供电子，使半导体成为 电子 导电的 n型
半导体 。
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-11- 2010/6/10
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§ 2.1.2 施主杂质 施主能级
?施主杂质的电离过程，可以用能
带图表示
?如图 2-4所示,当电子得到能量后，
就从施主的束缚态跃迁到导带成
为导电电子，所以电子被施主杂
质束缚时的能量比导带底
低 。将被施主杂质束缚
的电子的能量状态称为 施主能
级,记为,所以施主能级位
于离导带底很近的禁带中
DE?
DE?
DE
CE
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-12- 2010/6/10
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§ 2.1.3 受主杂质 受主能级
?Ⅲ 族杂质在硅、锗中能够接受电子而产生导电空
穴，并形成负电中心，所以称它们为 受主杂质 或
p型杂质 。
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-13- 2010/6/10
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§ 2.1.3 受主杂质 受主能级
以硅中掺磷 B为例：
? B原子占据硅原子的位臵。磷原子有
三个价电子。与周围的四个硅原于形
成共价键时还缺一个电子，就从别处
夺取价电子，这就在 Si形成了一个空
穴。
? 这时 B原子就成为多了一个价电子的
磷离子 B－,它是一个不能移动的负 电
中心 。
? 空穴束缚在正电中心 B－ 的周围。空穴
只要很少能量就可挣脱束缚，成为 导
电空穴 在晶格中自由运动
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-14- 2010/6/10
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§ 2.1.3 受主杂质 受主能级
?使空穴挣脱束缚成为导电空穴所需要的能量称为 受主杂
质电离能
?受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子，同
时向价带提供空穴，使半导体成为 空穴 导电的 p型半导
体 。
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-15- 2010/6/10
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§ 2.1.3 受主杂质 受主能级
?受主杂质的电离过程，可以用能
带图表示
?如图 2-6所示,当空穴得到能量后，
就从受主的束缚态跃迁到价带成
为导电空穴，所以电子被受主杂
质束缚时的能量比价带顶
高 。将被受主杂质束缚的
空穴的能量状态称为 受主能级,
记为,所以受主能级位于离
价带顶很近的禁带中
AE?
AE?
AE
VE
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-16- 2010/6/10
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§ 2.1.4 浅能级杂质电离能的简单计算
?浅能级杂质,电离能小的杂质称为浅能级杂质。
?所谓 浅能级,是指施主能级靠近导带底，受主能级
靠近价带顶。
?室温下，掺杂浓度不很高底情况下，浅能级杂质几
乎可以可以全部电离。五价元素磷（ P）、锑（ Sb）
在硅、锗中是浅受主杂质，三价元素硼（ B）、铝
（ Al）、镓（ Ga）、铟（ In）在硅、锗中为浅受主
杂质。
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-17- 2010/6/10
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§ 2.1.4 浅能级杂质电离能的简单计算
?类氢模型
4
0
222
08
n
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01 1 3, 6E E E V?? ? ?
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电 导 有 效 质 量
＝
0,0 2 5 ( )DE e V S i? ? ?可 得 同 一 个 数 量 级
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-18- 2010/6/10
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§ 2.1.5 杂质的补偿作用
?杂质补偿, 半导体中存在施主杂质和受主杂质时，它们
底共同作用会使载流子减少，这种作用称为杂质补偿。
在制造半导体器件底过程中，通过采用杂质补偿底方法
来改变半导体某个区域底导电类型或电阻率。
?高度补偿, 若施主杂质浓度与受主杂质浓度相差不大或
二者相等，则不能提供电子或空穴，这种情况称为杂质
的高等补偿。这种材料容易被误认为高纯度半导体，实
际上含杂质很多，性能很差，一般不能用来制造半导体
器件。
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-19- 2010/6/10
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§ 2.1.4 杂质的补偿作用
?1）, 受主能级低于施主能级，剩余杂质
?2）,施主能级低于受主能级，剩余杂质
?3） 高度补偿：有效施主浓度
有效受主浓度
DANN?? DANN?
DANN??
DANN DANN?
ADNN?
ADNN?
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-20- 2010/6/10
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§ 2.1.6 深能级杂质
?深能级杂质,非 ⅢⅤ 族杂质在 Si,Ge的禁带中产生的
施主能级远离导带底，受主能级远离价带顶。杂质电
离能大，能够产生多次电离
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-21- 2010/6/10
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§ 2.1.6 深能级杂质
?三个基本特点：
一、是不容易电离，对载流子浓度影响不大；
二、是一般会产生多重能级，甚至既产生施主能级也产
生受主能级。
三、是能起到复合中心作用，使少数载流子寿命降低
（在第五章详细讨论）。
四、是深能级杂质电离后以为带电中心，对载流子起散
射作用，使载流子迁移率减少，导电性能下降。
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-22- 2010/6/10
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§ 2.2 化合物半导体中的杂质能级
§ 2.2.1杂质在砷化镓中的
存在形式
?四种情况：
1）取代砷
2）取代镓
3）填隙
4）反位
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-23- 2010/6/10
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§ 2.2.1 杂质在砷化镓中的存在形式
?四族元素硅在砷化镓中会产生双
性行为，即硅的浓度较低时主要
起施主杂质作用，当硅的浓度较
高时，一部分硅原子将起到受主
杂质作用。
?这种双性行为可作如下解释：
因为在硅杂质浓度较高时，硅原
子不仅取代镓原子起着受主杂质
的作用，而且硅也取代了一部分
V族砷原子而起着受主杂质的作
用，因而对于取代 Ⅲ 族原子镓的
硅施主杂质起到补偿作用，从而
降低了有效施主杂质的浓度，电
子浓度趋于饱和。
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-24- 2010/6/10
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§ 2.3 半导体中的缺陷能级
(defect levels)
§ 2.3.1点缺陷（热缺陷） point
defects/thermaldefects
?点缺陷的种类：
弗仑克耳缺陷,原子空位和间隙原子同时存在
肖特基缺陷,晶体中只有晶格原子空位
间隙原子缺陷,只有间隙原子而无原子空位
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-25- 2010/6/10
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§ 2.3.1点缺陷
? 点缺陷（热缺陷）特点,
① 热缺陷的数目随温度升高而增加
② 热缺陷中以肖特基缺陷为主（即原子空位为主）。原因：
三种点缺陷中形成肖特基缺陷需要的能量最小。（可
参阅刘文明, 半导体物理学, p70～ p73，或叶良修
,半导体物理学, p24和 p94）
③ 淬火后可以“冻结”高温下形成的缺陷。
④ 退火后可以消除大部分缺陷。半导体器件生产工艺中，
经高温加工（如扩散）后的晶片一般都需要进行退火
处理。离子注入形成的缺陷也用退火来消除。
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-26- 2010/6/10
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§ 2.3.1点缺陷
? 点缺陷对半导体性质的影响：
1）缺陷处晶格畸变，周期性势场被破坏，致使在禁带中产
生能级。
2）热缺陷能级大多为深能级，在半导体中起复合中心作用，
使非平衡载流子浓度和寿命降低。
3）空位缺陷有利于杂质扩散
4）对载流子有散射作用，使载流子迁移率和寿命降低。
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-27- 2010/6/10
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§ 2.3.1点缺陷
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-28- 2010/6/10
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§ 2.3.1点缺陷
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-29- 2010/6/10
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§ 2.3.2 位错
?位错形成原因：晶格畸变
?位错种类：刃位错（横位错）和螺位错
?导带底价带顶改变分别位：
?禁带宽度变化位：
0
0
0
0
0
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-30- 2010/6/10
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§ 2.3.2 位错
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-31- 2010/6/10
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§ 2.3.2 位错
? 棱位错对半导体性能的影响：
1）位错线上的悬挂键可以接受电子变为负电中心，表现为
受主；悬挂键上的一个电子也可以被释放出来而变为
正电中心，此时表现为施主，即不饱和的悬挂键具有
双性行为，可以起受主作用，也可以起施主作用。
2）位错线处晶格变形，导致能带变形
3）位错线影响杂质分布均匀性
4）位错线若接受电子变成负电中心，对载流子有散射作用。
5）影响少子寿命，原因：一是能带变形，禁带宽度减小，
有利于非平衡载流子复合；二是在禁带中产生深能级，
促进载流子复合。
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-32- 2010/6/10
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§ 2.3.3 偏离化学比缺陷
? 偏离化学比缺陷：离子晶体或化合物半导体，
由于组成晶体的元素偏离正常化学比而形成的
缺陷。
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半导体物理
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第二章 半导体中杂质和缺陷能级
?理想半导体：
1、原子严格地周期性排列，晶体具有完整的晶格
结构。
2、晶体中无杂质，无缺陷。
3、电子在周期场中作共有化运动，形成允带和禁带 —— 电
子能量只能处在允带中的能级上，禁带中无能级。由本
征激发提供载流子
?本征半导体 —— 晶体具有完整的（完美的）晶格结构，
无任何杂质和缺陷。
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-3- 2010/6/10
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第二章 半导体中杂质和缺陷能级
?实际材料中
1、总是有杂质、缺陷，使周期场破坏，在杂质或
缺陷周围引起局部性的量子态 —— 对应的能级常
常处在禁带中，对半导体的性质起着决定性的
影响。
2、杂质电离提供载流子。
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§ 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
?一个晶胞中包含有八个硅原子，若近似地把原子看成是
半径为 r的圆球，则可以计算出这八个原于占据晶胞空间
的百分数如下：
?说明，在金刚石型晶体中一个晶胞内的 8个原子只占有晶
胞体积的 34%，还有 66%是空隙
3
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13
2 3 =
48
3
8
4 0,34
r a r a
r
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??
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§ 2.1.1 替位式杂质 间隙式杂质
?金刚石型晶体结构中的两种空隙如图 2-1所示。这些空
隙通常称为间隙位臵
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§ 2.1.1 替位式杂质 间隙式杂质
杂质原子进入半导体硅后，
以两种方式存在
?一种方式是杂质原子位于
品格原子间的间隙位臵，
常称为 间隙式 杂质（ A）
?另一种方式是杂质原子取
代晶格原子而位于晶格点
处，常称为 替位式 杂质（ B）
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§ 2.1.1 替位式杂质 间隙式杂质
两种杂质特点：
?间隙式杂质原子一般比较小，如：锂离子,0.068nm
?替值式杂质时：
1）杂质原子的大小与被取代的晶格原子的大小比较相近
2）价电子壳层结构比较相近
如,ⅢⅤ 族元素
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-8- 2010/6/10
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§ 2.1.2 施主杂质 施主能级
?Ⅴ 族杂质在硅、锗中电离时，能够施放电子而产
生导电电子并形成正电中心，称它们为 施主杂质
或 n型杂质
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§ 2.1.2 施主杂质 施主能级
以硅中掺磷 P为例：
?磷原子占据硅原子的位臵。磷原子
有五个价电子。其中四个价电子与
周围的四个硅原于形成共价键，还
剩余一个价电子。
?这个多余的价电子就束缚在正电中
心 P＋ 的周围。价电子只要很少能
量就可挣脱束缚，成为 导电电子 在
晶格中自由运动
?这时磷原子就成为少了一个价电子
的磷离子 P＋,它是一个不能移动
的 正电中心 。
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-10- 2010/6/10
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§ 2.1.2 施主杂质 施主能级
?上述电子脱离杂质原子的束缚成为导电电子的过程称
为 杂质电离
?使个多余的价电子挣脱束缚成为导电电子所需要的能
量称为 杂质电离能
?施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子，
同时向导带提供电子，使半导体成为 电子 导电的 n型
半导体 。
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§ 2.1.2 施主杂质 施主能级
?施主杂质的电离过程，可以用能
带图表示
?如图 2-4所示,当电子得到能量后，
就从施主的束缚态跃迁到导带成
为导电电子，所以电子被施主杂
质束缚时的能量比导带底
低 。将被施主杂质束缚
的电子的能量状态称为 施主能
级,记为,所以施主能级位
于离导带底很近的禁带中
DE?
DE?
DE
CE
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§ 2.1.3 受主杂质 受主能级
?Ⅲ 族杂质在硅、锗中能够接受电子而产生导电空
穴，并形成负电中心，所以称它们为 受主杂质 或
p型杂质 。
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-13- 2010/6/10
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§ 2.1.3 受主杂质 受主能级
以硅中掺磷 B为例：
? B原子占据硅原子的位臵。磷原子有
三个价电子。与周围的四个硅原于形
成共价键时还缺一个电子，就从别处
夺取价电子，这就在 Si形成了一个空
穴。
? 这时 B原子就成为多了一个价电子的
磷离子 B－,它是一个不能移动的负 电
中心 。
? 空穴束缚在正电中心 B－ 的周围。空穴
只要很少能量就可挣脱束缚，成为 导
电空穴 在晶格中自由运动
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-14- 2010/6/10
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§ 2.1.3 受主杂质 受主能级
?使空穴挣脱束缚成为导电空穴所需要的能量称为 受主杂
质电离能
?受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子，同
时向价带提供空穴，使半导体成为 空穴 导电的 p型半导
体 。
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§ 2.1.3 受主杂质 受主能级
?受主杂质的电离过程，可以用能
带图表示
?如图 2-6所示,当空穴得到能量后，
就从受主的束缚态跃迁到价带成
为导电空穴，所以电子被受主杂
质束缚时的能量比价带顶
高 。将被受主杂质束缚的
空穴的能量状态称为 受主能级,
记为,所以受主能级位于离
价带顶很近的禁带中
AE?
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§ 2.1.4 浅能级杂质电离能的简单计算
?浅能级杂质,电离能小的杂质称为浅能级杂质。
?所谓 浅能级,是指施主能级靠近导带底，受主能级
靠近价带顶。
?室温下，掺杂浓度不很高底情况下，浅能级杂质几
乎可以可以全部电离。五价元素磷（ P）、锑（ Sb）
在硅、锗中是浅受主杂质，三价元素硼（ B）、铝
（ Al）、镓（ Ga）、铟（ In）在硅、锗中为浅受主
杂质。
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§ 2.1.4 浅能级杂质电离能的简单计算
?类氢模型
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01 1 3, 6E E E V?? ? ?
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电 导 有 效 质 量
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§ 2.1.5 杂质的补偿作用
?杂质补偿, 半导体中存在施主杂质和受主杂质时，它们
底共同作用会使载流子减少，这种作用称为杂质补偿。
在制造半导体器件底过程中，通过采用杂质补偿底方法
来改变半导体某个区域底导电类型或电阻率。
?高度补偿, 若施主杂质浓度与受主杂质浓度相差不大或
二者相等，则不能提供电子或空穴，这种情况称为杂质
的高等补偿。这种材料容易被误认为高纯度半导体，实
际上含杂质很多，性能很差，一般不能用来制造半导体
器件。
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§ 2.1.4 杂质的补偿作用
?1）, 受主能级低于施主能级，剩余杂质
?2）,施主能级低于受主能级，剩余杂质
?3） 高度补偿：有效施主浓度
有效受主浓度
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§ 2.1.6 深能级杂质
?深能级杂质,非 ⅢⅤ 族杂质在 Si,Ge的禁带中产生的
施主能级远离导带底，受主能级远离价带顶。杂质电
离能大，能够产生多次电离
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§ 2.1.6 深能级杂质
?三个基本特点：
一、是不容易电离，对载流子浓度影响不大；
二、是一般会产生多重能级，甚至既产生施主能级也产
生受主能级。
三、是能起到复合中心作用，使少数载流子寿命降低
（在第五章详细讨论）。
四、是深能级杂质电离后以为带电中心，对载流子起散
射作用，使载流子迁移率减少，导电性能下降。
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§ 2.2 化合物半导体中的杂质能级
§ 2.2.1杂质在砷化镓中的
存在形式
?四种情况：
1）取代砷
2）取代镓
3）填隙
4）反位
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§ 2.2.1 杂质在砷化镓中的存在形式
?四族元素硅在砷化镓中会产生双
性行为，即硅的浓度较低时主要
起施主杂质作用，当硅的浓度较
高时，一部分硅原子将起到受主
杂质作用。
?这种双性行为可作如下解释：
因为在硅杂质浓度较高时，硅原
子不仅取代镓原子起着受主杂质
的作用，而且硅也取代了一部分
V族砷原子而起着受主杂质的作
用，因而对于取代 Ⅲ 族原子镓的
硅施主杂质起到补偿作用，从而
降低了有效施主杂质的浓度，电
子浓度趋于饱和。
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§ 2.3 半导体中的缺陷能级
(defect levels)
§ 2.3.1点缺陷（热缺陷） point
defects/thermaldefects
?点缺陷的种类：
弗仑克耳缺陷,原子空位和间隙原子同时存在
肖特基缺陷,晶体中只有晶格原子空位
间隙原子缺陷,只有间隙原子而无原子空位
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§ 2.3.1点缺陷
? 点缺陷（热缺陷）特点,
① 热缺陷的数目随温度升高而增加
② 热缺陷中以肖特基缺陷为主（即原子空位为主）。原因：
三种点缺陷中形成肖特基缺陷需要的能量最小。（可
参阅刘文明, 半导体物理学, p70～ p73，或叶良修
,半导体物理学, p24和 p94）
③ 淬火后可以“冻结”高温下形成的缺陷。
④ 退火后可以消除大部分缺陷。半导体器件生产工艺中，
经高温加工（如扩散）后的晶片一般都需要进行退火
处理。离子注入形成的缺陷也用退火来消除。
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§ 2.3.1点缺陷
? 点缺陷对半导体性质的影响：
1）缺陷处晶格畸变，周期性势场被破坏，致使在禁带中产
生能级。
2）热缺陷能级大多为深能级，在半导体中起复合中心作用，
使非平衡载流子浓度和寿命降低。
3）空位缺陷有利于杂质扩散
4）对载流子有散射作用，使载流子迁移率和寿命降低。
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§ 2.3.1点缺陷
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§ 2.3.1点缺陷
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§ 2.3.2 位错
?位错形成原因：晶格畸变
?位错种类：刃位错（横位错）和螺位错
?导带底价带顶改变分别位：
?禁带宽度变化位：
0
0
0
0
0
()
C C C C
v v v v
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V
E E E
V
V
E E E
V
V
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§ 2.3.2 位错
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§ 2.3.2 位错
? 棱位错对半导体性能的影响：
1）位错线上的悬挂键可以接受电子变为负电中心，表现为
受主；悬挂键上的一个电子也可以被释放出来而变为
正电中心，此时表现为施主，即不饱和的悬挂键具有
双性行为，可以起受主作用，也可以起施主作用。
2）位错线处晶格变形，导致能带变形
3）位错线影响杂质分布均匀性
4）位错线若接受电子变成负电中心，对载流子有散射作用。
5）影响少子寿命，原因：一是能带变形，禁带宽度减小，
有利于非平衡载流子复合；二是在禁带中产生深能级，
促进载流子复合。
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§ 2.3.3 偏离化学比缺陷
? 偏离化学比缺陷：离子晶体或化合物半导体，
由于组成晶体的元素偏离正常化学比而形成的
缺陷。
