半导体 物理
SEMICONDUCTOR PHYSICSS
编写,刘诺
独立制作,刘 诺
电子科技大学
微电子与固体电子学院
微电子科学与工程系
1、杂质与杂质能级
杂质,半导体中存在的与本体元素不同的其它元素。
§ 2.1 Si,Ge晶体中的杂质能级杂质出现在半导体中时，产生的附加势场使严格的周期性势场遭到破坏。
第二篇 半导体中的杂质和缺陷能级杂质能级位于禁带之中
Ec
杂质能级
Ev
2、施主能级,举例,Si中掺磷 P（ Si,P）
导带电子 电离施主 P+
EDED
电离的结果,导带中的电子数增加了，这即是 掺施主的意义 所在。
施 主 电 离 能：△ ED=EC-ED
△ ED=EC-ED
Eg
EC
ED
EV
施主杂质,束缚在杂质能级上的电子被激发到导带 Ec成为导带电子，该杂质电离后成为 正电中心 （正离子）。这种杂质称为 施主杂质 。
Si,Ge中 Ⅴ 族杂质的电离能△ ED（ eV）
晶体 杂 质
P As Sb
Si 0.044 0.049 0.039
Ge 0.0126 0.0127 0.0096
3、受主能级,举例,Si中掺硼 B（ Si,B）
价带空穴 电离受主 B-
受主能级 EA
电离的结果,价带中的空穴数增加了，这即是 掺受主的意义 所在。
受主 电 离 能,△ EA=EA-EV
Eg
EA
△ EA
EV
EC
受主杂质,束缚在杂质能级上的空穴被激发到价带 Ev成为价带空穴，该杂质电离后成为 负电中心 （负离子）。这种杂质称为 受主杂质 。
Si,Ge中 Ⅲ 族杂质的电离能△ EA（ eV）
晶体 杂 质
B Al Ga In
Si 0.045 0.057 0.065 0.16
Ge 0.01 0.01 0.011 0.011
上述杂质的特点：
施主电离能△ ED,Eg
受主电离能 △ EA,Eg
浅能级杂质
4、浅能级杂质电离能的简单计算
（ 1） 氢原子基态电子的电离能
)2(
h8
qmEEE
22
0
4
0
10
)1()r(E)r(r4 qm4 h n
0
2
2
0
2
2
氢原子电子满足：
故基态电子的电离能：
（ 2）用类氢原子模型估算浅能级杂质的电离能浅能级杂质 = 杂质离子 + 束缚电子（空穴）
正、负电荷所处介质,r0
r4
q)r(U
r0
2
电势能估算结果与实际测量值有相同数量级
Ge,△ ED ～ 0.0064 eV
Si,△ ED ～ 0.025 eV
)3(
E
m
m
h8
qm
E 2
r
0
0
*
n
22
r
2
0
4*
n
D施主电离能
)4(
E
m
m
h8
qm
E 2
r
0
0
*
p
22
r
2
0
4*
p
A
受主电离能杂质的补偿,既掺有施主又掺有受主补偿半导体
（ A） ND>NA时 n型半导体所以：有效的施主浓度 ND*=ND-NA>ni
ED
EA
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。
5,杂 质 的 补 偿 作 用
（ B） NA>ND时 p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”,剩余的束缚空穴再电离到价带上。
ED
EA
所以,有效的受主浓度 NA*=NA-ND>ni
（ C） NA≌ ND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
6、深能级杂质
（ 1）浅能级杂质
（ 2）深能级杂质
△ E D≮ Eg
△ EA≮ Eg
△ E D
△ EA
EA
E D
E D
EA
Ec
Ec
Ev
Ev
△ ED,Eg
△ EA,Eg
例 1,Au（ Ⅰ 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 。
例 2,Au（ Ⅰ 族）在 Si中
EC
EA
ED
EV
7、等电子陷阱
（ 1）等电子杂质特征,a、与本征元素同族但不同原子序数例,GaP中掺入 Ⅴ 族的 N或 Bi
b、以替位形式存在于晶体中，基本上是电中性的。
（ 2）等电子陷阱等电子杂质（如 N）占据本征原子位置
（如 GaAsP中的 P位置）后，即存在着由核心力引起的短程作用力，它们可以吸引一个导带电子（空穴）而变成负
（正）离子，前者就是 电子陷阱,后者就是空穴陷阱 。
N NP
等 电 子 陷 阱 举 例
1,N在 GaAsP中,NP
2,C在 Si中,CSi
3,O在 ZnTe中：
其存在形式可以是
（ 1）替位式
（ 2）复合体，如 Zn-O
8、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 。
9、两性杂质举例,GaAs中掺 Si（ Ⅳ 族）
Ga,Ⅲ 族 As,Ⅴ 族
Si Ga 受主
SiAs 施主两性杂质,在化合物半导体中，某种杂在其中既可以作施主又可以作受，这种杂质称为 两性杂质 。
两性杂质
1,点 缺 陷：
空位
自间隙原子
反结构缺陷
各种复合体
位 错
§ 2.2 缺 陷 能 级
（ 1） Si中的点缺陷：
以空位、间隙和复合体为主
A、空位
V0+e V-（受主）
V0-e V+ （施主）
ED1〈 ED2
Ec
EA
ED1
ED2
EV
B,间隙例 1,Si,B空位
Ec
ED
EA
Ev
例 2、复合体
“V”,空位。
[O-V]复合体：
EA=EC-0.17eV
[As-V]复合体：
EA=EC-0.4eV
[P-V]复合体：
EA=EC-0.47eV
（ 2） GaAs中的点缺陷
点 缺 陷分类：
1、空位,VAs,VGa。
2,间隙,I As,IGa。
3,反结构缺陷,BA,AB。
A,空 位
EC
EA1（ VGa ） =EV+0.01eV
EA2（ VAs ） =EV+0.18eV
EV
B、反结构缺陷,AB 或 BA
特征,出现在化合物半导体中
例,GaAs中的反结构缺陷
GaAs：受主
AsGa：施主
2、位错能级（主要指线缺陷）
例,Si中的 60O位错
编写,刘诺
独立制作,刘 诺
电子科技大学
微电子与固体电子学院
微电子科学与工程系半导体 物理
SEMICONDUCTOR PHYSICS
SEMICONDUCTOR PHYSICSS
编写,刘诺
独立制作,刘 诺
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微电子与固体电子学院
微电子科学与工程系
1、杂质与杂质能级
杂质,半导体中存在的与本体元素不同的其它元素。
§ 2.1 Si,Ge晶体中的杂质能级杂质出现在半导体中时，产生的附加势场使严格的周期性势场遭到破坏。
第二篇 半导体中的杂质和缺陷能级杂质能级位于禁带之中
Ec
杂质能级
Ev
2、施主能级,举例,Si中掺磷 P（ Si,P）
导带电子 电离施主 P+
EDED
电离的结果,导带中的电子数增加了，这即是 掺施主的意义 所在。
施 主 电 离 能：△ ED=EC-ED
△ ED=EC-ED
Eg
EC
ED
EV
施主杂质,束缚在杂质能级上的电子被激发到导带 Ec成为导带电子，该杂质电离后成为 正电中心 （正离子）。这种杂质称为 施主杂质 。
Si,Ge中 Ⅴ 族杂质的电离能△ ED（ eV）
晶体 杂 质
P As Sb
Si 0.044 0.049 0.039
Ge 0.0126 0.0127 0.0096
3、受主能级,举例,Si中掺硼 B（ Si,B）
价带空穴 电离受主 B-
受主能级 EA
电离的结果,价带中的空穴数增加了，这即是 掺受主的意义 所在。
受主 电 离 能,△ EA=EA-EV
Eg
EA
△ EA
EV
EC
受主杂质,束缚在杂质能级上的空穴被激发到价带 Ev成为价带空穴，该杂质电离后成为 负电中心 （负离子）。这种杂质称为 受主杂质 。
Si,Ge中 Ⅲ 族杂质的电离能△ EA（ eV）
晶体 杂 质
B Al Ga In
Si 0.045 0.057 0.065 0.16
Ge 0.01 0.01 0.011 0.011
上述杂质的特点：
施主电离能△ ED,Eg
受主电离能 △ EA,Eg
浅能级杂质
4、浅能级杂质电离能的简单计算
（ 1） 氢原子基态电子的电离能
)2(
h8
qmEEE
22
0
4
0
10
)1()r(E)r(r4 qm4 h n
0
2
2
0
2
2
氢原子电子满足：
故基态电子的电离能：
（ 2）用类氢原子模型估算浅能级杂质的电离能浅能级杂质 = 杂质离子 + 束缚电子（空穴）
正、负电荷所处介质,r0
r4
q)r(U
r0
2
电势能估算结果与实际测量值有相同数量级
Ge,△ ED ～ 0.0064 eV
Si,△ ED ～ 0.025 eV
)3(
E
m
m
h8
qm
E 2
r
0
0
*
n
22
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2
0
4*
n
D施主电离能
)4(
E
m
m
h8
qm
E 2
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0
*
p
22
r
2
0
4*
p
A
受主电离能杂质的补偿,既掺有施主又掺有受主补偿半导体
（ A） ND>NA时 n型半导体所以：有效的施主浓度 ND*=ND-NA>ni
ED
EA
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。
5,杂 质 的 补 偿 作 用
（ B） NA>ND时 p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”,剩余的束缚空穴再电离到价带上。
ED
EA
所以,有效的受主浓度 NA*=NA-ND>ni
（ C） NA≌ ND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
6、深能级杂质
（ 1）浅能级杂质
（ 2）深能级杂质
△ E D≮ Eg
△ EA≮ Eg
△ E D
△ EA
EA
E D
E D
EA
Ec
Ec
Ev
Ev
△ ED,Eg
△ EA,Eg
例 1,Au（ Ⅰ 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 。
例 2,Au（ Ⅰ 族）在 Si中
EC
EA
ED
EV
7、等电子陷阱
（ 1）等电子杂质特征,a、与本征元素同族但不同原子序数例,GaP中掺入 Ⅴ 族的 N或 Bi
b、以替位形式存在于晶体中，基本上是电中性的。
（ 2）等电子陷阱等电子杂质（如 N）占据本征原子位置
（如 GaAsP中的 P位置）后，即存在着由核心力引起的短程作用力，它们可以吸引一个导带电子（空穴）而变成负
（正）离子，前者就是 电子陷阱,后者就是空穴陷阱 。
N NP
等 电 子 陷 阱 举 例
1,N在 GaAsP中,NP
2,C在 Si中,CSi
3,O在 ZnTe中：
其存在形式可以是
（ 1）替位式
（ 2）复合体，如 Zn-O
8、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 。
9、两性杂质举例,GaAs中掺 Si（ Ⅳ 族）
Ga,Ⅲ 族 As,Ⅴ 族
Si Ga 受主
SiAs 施主两性杂质,在化合物半导体中，某种杂在其中既可以作施主又可以作受，这种杂质称为 两性杂质 。
两性杂质
1,点 缺 陷：
空位
自间隙原子
反结构缺陷
各种复合体
位 错
§ 2.2 缺 陷 能 级
（ 1） Si中的点缺陷：
以空位、间隙和复合体为主
A、空位
V0+e V-（受主）
V0-e V+ （施主）
ED1〈 ED2
Ec
EA
ED1
ED2
EV
B,间隙例 1,Si,B空位
Ec
ED
EA
Ev
例 2、复合体
“V”,空位。
[O-V]复合体：
EA=EC-0.17eV
[As-V]复合体：
EA=EC-0.4eV
[P-V]复合体：
EA=EC-0.47eV
（ 2） GaAs中的点缺陷
点 缺 陷分类：
1、空位,VAs,VGa。
2,间隙,I As,IGa。
3,反结构缺陷,BA,AB。
A,空 位
EC
EA1（ VGa ） =EV+0.01eV
EA2（ VAs ） =EV+0.18eV
EV
B、反结构缺陷,AB 或 BA
特征,出现在化合物半导体中
例,GaAs中的反结构缺陷
GaAs：受主
AsGa：施主
2、位错能级（主要指线缺陷）
例,Si中的 60O位错
编写,刘诺
独立制作,刘 诺
电子科技大学
微电子与固体电子学院
微电子科学与工程系半导体 物理
SEMICONDUCTOR PHYSICS
