第二章 半导体中的杂质和缺陷根据杂质能级在禁带中的位置，将杂质分为,
浅能级杂质→能级接近导带底 Ec 或价带顶 Ev ；
深能级杂质→能级远离导带底 Ec 或价带顶 Ev 。
●
●
§ 2 - 1 半导体中的浅能级杂质和缺陷一、杂质存在的方式和缺陷类型
1,存在方式
( 1 ) 间隙式 →杂质位于组成半导体的元素或离子的格点之间的间隙位置。
2,缺陷的类型
(1) 空位和填隙
= S i = S i = S i =
‖ ︱ ‖
= Si － 〇 － S i =
‖ ︱ ‖
= S i = S i = S i =
‖ ‖ ‖
= S i = S i = S i =
‖ ‖ ‖
= S i = S i = S i =
‖ Si ‖ ‖
= S i = S i = S i =
‖ ‖ ‖
A B A B
B A A A
A B A B 化合物半导体,A,B 两种原子组成
(2) 替位原子
BA
二、元素半导体的杂质和缺陷
1,Ⅴ A 族的替位杂质
(1) 在硅 Si 中掺入 P
= Si = Si = Si =
‖ ‖ ‖
= Si = P
+
●
= Si =
‖ ‖ ‖
= Si = Si = Si =
‖ ‖ ‖
P原子中这个多余的电子的运动半径远远大于其余四个电子,所受到的束缚最小,极易摆脱束缚成为自由电子 。
P原子具有提供电子的能力,称其为施主杂质 。
对于 Ge 中的 P 原子，剩余电子的运动 半径,
Ar 85
(2) 施主电离能设施主杂质能级为 ED
施主杂质的电离能△ ED=弱束缚的电子摆脱束缚成为晶格中自由运动的电子（导带中的电子）
所需要的能量
=EC－ ED
EC
ED
△ ED
Ec
Ev
D C DE E E
施主能级靠近导带底部对于 Si,Ge掺 P
ED
在 Si 中，掺 P,△ E D =0.044ev
As,△ E D =0.049ev
Sb,△ E D =0.039ev
施主杂质的电离能小，在常温下基本上电离。
含有施主杂质的半导体，其导电的载流子主要是电子 — N 型半导体，
或电子型半导体。
（ 1）在 Si中掺入 B
B具有得到电子的性质，这类杂质称为受主杂质。
受主杂质向价带提供空穴。
2.元素半导体中 Ⅲ A族替位杂质的能级
B获得一个电子变成负离子，成为负电中心，周围产生带正电的空穴。
B－
＋
－
H
ro
P
A Em
m
E 2
* 1
evEevE GeASiA 01.0,04.0
VAA EEE
Ec
Ev
EA
受主能级靠近价带顶部
(2)受主电离能和受主能级以掺 B为例：
受主能级 EA
受主杂质的电离能小，在常温下基本上为价带激发的电子所占据（空穴由受主能级向价带激发）。
杂质向导带和价带提供电子和空穴的过程 （ 电子从施主能级向导带的跃迁或空穴从受主能级向价带的跃迁 ） 称为 杂质电离或杂质激发 。 所需要的能量称为杂质的电离能 。
电子从价带直接向导带激发，成为导带的自由电子，这种激发称为 本征激发,只有本征激发的半导体称为 本征半导体 。
掺受主的半导体的价带空穴数由受主决定,半导体导电的载流子主要是空穴
（ 空穴数 >>电子数 ）,对应的半导体称为 P型半导体 。 空穴为多子,电子为少子 。
掺施主的半导体的导带电子数主要由施主决定,半导体导电的载流子主要是电子
（ 电子数 >>空穴数 ）,对应的半导体称为
N型 半导体 。 称电子为多数载流子,简称多子,空穴为少数载流子,简称少子 。
N型和 P型半导体都称为极性半导体
Ec
ED
电离施主电离受主
Ev
3.杂质的补偿作用
(1)ND＞ NA
半导体中同时存在施主和受主杂质，施主和受主之间有互相抵消的作用此时半导体为 n型半导体n=ND-NA
Ec
ED
EA
Ev
电离施主电离受主
(2) ND<NA
此时半导体为 p型半导体p=NA- ND
(3) ND≈NA 杂质的高度补偿
4,元素半导体中的缺陷
(1) 空位
= Si = Si = Si =
‖ ︱ ‖
= Si － 〇 － Si =
‖ ︱ ‖
= Si = Si = Si =
‖ ‖ ‖
原子的空位起受主作用。
(2) 填隙
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
间隙原子缺陷起施主作用
(1) 杂质理想的 GaAs 晶格为
= Ga
-
= As
+
= Ga
-
=
‖ ‖ ‖
= As
+
= Ga
-
= As
+
=
‖ ‖ ‖
= Ga
-
= As
+
= Ga
-
=
‖ ‖ ‖
1.Ⅲ － Ⅴ 族化合物半导体中的杂质和缺陷三,化合物半导体中的杂质和缺陷
● 施主杂质周期表中的 Ⅵ 族元素 (Se,S,Te)在 GaAs
中通常都替代 Ⅴ 族元素 As原子的晶格位置,
由于 Ⅵ 族原子比 Ⅴ 族原子多一个价电子,
因此 Ⅵ 族杂质在 GaAs中一般起施主作用,
为浅施主杂质 。
● 受主杂质
Ⅱ 族元素 （ Zn,Be,Mg,Cd,Hg） 在
GaAs中通常都取代 Ⅲ 族元素 Ga原子的晶格位置,由于 Ⅱ 族原子比 Ⅲ 族原子少一个价电子,因此 Ⅱ 族元素杂质在 GaAs中通常起受主作用,均为浅受主 。
● 两性杂质
Ⅳ 族元素杂质 （ Si,Ge,Sn,Pb） 在 GaAs
中的作用比较复杂,可以取代 Ⅲ 族的 Ga,也可以取代 Ⅴ 族的 As,甚至可以同时取代两者,
因此 Ⅳ 族杂质不仅可以起施主作用和受主作用,
还可以起中性杂质作用 。 例如,在掺 Si浓度小于 1× 1018cm-3时,Si全部取代 Ga位而起施主作用,这时掺 Si浓度和电子浓度一致；而在掺
Si浓度大于 1018cm-3时,部分 Si原子开始取代
As 位,出现补偿作用,使电子浓度逐渐偏低 。
● 中性杂质
Ⅲ 族元素 （ B,Al,In） 和 Ⅴ 族元素 （ P、
Sb） 在 GaAs中通常分别替代 Ga和 As，
由于杂质在晶格位置上并不改变原有的价电子数,因此既不给出电子也不俘获电子而呈电中性,对 GaAs的电学性质没有明显影响 。
（ 2） GaAs晶体中的点缺陷当 T＞ 0K时：
● 空位 VGa,VAs
● 间隙原子 GaI,AsI
● 反结构缺陷 — Ga原子占据 As空位，或 As原子占据 Ga空位，记为
GaAs和 AsGa。
2,Ⅱ－Ⅵ族化合物半导体的杂质和缺陷
Ⅱ－Ⅵ族化合物半导体是典型的离子键化合物。
Ⅱ -Ⅵ 族化合物半导体中的缺陷由于 Ⅱ -Ⅵ 族化合物半导体是负电性差别较大的元素结合成的晶体,主要是离子键起作用,正负离子相间排列组成了非常稳定的结构,所以外界杂质对它们性能的影响不显著,
半导体的导电类型更主要的是由它们自身结构的缺陷 （ 间隙离子或空格点 ） 所决定,这类缺陷在半导体中常起施主或受主作用 。
○
-
●
+
○
-
●
+
○
-
●
+
○
-
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+
○
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+
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+
● 原子失去电子后
○
-
●
+
○
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○
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○
-
●
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●
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○
-
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○
-
●
+
○
-
●
+
a.负离子空位 产生正电中心，
起施主作用
● +
电负性小
●
○
-
●
+
○
-
●
+
○
-
●
●
+
○
-
●
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○
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●
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○
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+
● 原子失去电子后,
○
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○
-
●
+
○
-
●
+
○
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○
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●
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○
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●
+
b.正离子填隙 产生正电中心，
起施主作用
○
-
●
+
○
-
●
+
○
-
●
+
○
-
●
+
○
-
●
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○ ○
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○
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●
+
○ 原子得到电子后,
○
-
●
+
○
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○
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○
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○
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○
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○
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c.正离子空位 产生负电中心，
起受主作用电负性大
○
-
●
+
○
-
●
+
○
-
○
●
+
○
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○ 原子得到电子后,
○
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○
-
●
+
d.负离子填隙产生负电中心，
起受主作用
Au的电子组态是,5s25p65d106s1
1.Au失去一个电子 — 施主
Au＋
Ec
Ev
ED
ED=Ev+0.04 eV
§ 2.2半导体中的深能级杂质在 Ge中掺 Au:
Ec
EvED
EA1
Au－
2,Au获得一个电子 — 受主
EA1= Ev + 0.15eV
3.Au获得第二个电子
Ec
EvED
EA1
Au2－
EA2= Ec - 0.2eV
EA2
3.Au获得第三个电子
Ec
EvED
EA1
Au3－
EA3= Ec - 0.04eV
EA2
EA3
浅能级杂质→能级接近导带底 Ec 或价带顶 Ev ；
深能级杂质→能级远离导带底 Ec 或价带顶 Ev 。
●
●
§ 2 - 1 半导体中的浅能级杂质和缺陷一、杂质存在的方式和缺陷类型
1,存在方式
( 1 ) 间隙式 →杂质位于组成半导体的元素或离子的格点之间的间隙位置。
2,缺陷的类型
(1) 空位和填隙
= S i = S i = S i =
‖ ︱ ‖
= Si － 〇 － S i =
‖ ︱ ‖
= S i = S i = S i =
‖ ‖ ‖
= S i = S i = S i =
‖ ‖ ‖
= S i = S i = S i =
‖ Si ‖ ‖
= S i = S i = S i =
‖ ‖ ‖
A B A B
B A A A
A B A B 化合物半导体,A,B 两种原子组成
(2) 替位原子
BA
二、元素半导体的杂质和缺陷
1,Ⅴ A 族的替位杂质
(1) 在硅 Si 中掺入 P
= Si = Si = Si =
‖ ‖ ‖
= Si = P
+
●
= Si =
‖ ‖ ‖
= Si = Si = Si =
‖ ‖ ‖
P原子中这个多余的电子的运动半径远远大于其余四个电子,所受到的束缚最小,极易摆脱束缚成为自由电子 。
P原子具有提供电子的能力,称其为施主杂质 。
对于 Ge 中的 P 原子，剩余电子的运动 半径,
Ar 85
(2) 施主电离能设施主杂质能级为 ED
施主杂质的电离能△ ED=弱束缚的电子摆脱束缚成为晶格中自由运动的电子（导带中的电子）
所需要的能量
=EC－ ED
EC
ED
△ ED
Ec
Ev
D C DE E E
施主能级靠近导带底部对于 Si,Ge掺 P
ED
在 Si 中，掺 P,△ E D =0.044ev
As,△ E D =0.049ev
Sb,△ E D =0.039ev
施主杂质的电离能小，在常温下基本上电离。
含有施主杂质的半导体，其导电的载流子主要是电子 — N 型半导体，
或电子型半导体。
（ 1）在 Si中掺入 B
B具有得到电子的性质，这类杂质称为受主杂质。
受主杂质向价带提供空穴。
2.元素半导体中 Ⅲ A族替位杂质的能级
B获得一个电子变成负离子，成为负电中心，周围产生带正电的空穴。
B－
＋
－
H
ro
P
A Em
m
E 2
* 1
evEevE GeASiA 01.0,04.0
VAA EEE
Ec
Ev
EA
受主能级靠近价带顶部
(2)受主电离能和受主能级以掺 B为例：
受主能级 EA
受主杂质的电离能小，在常温下基本上为价带激发的电子所占据（空穴由受主能级向价带激发）。
杂质向导带和价带提供电子和空穴的过程 （ 电子从施主能级向导带的跃迁或空穴从受主能级向价带的跃迁 ） 称为 杂质电离或杂质激发 。 所需要的能量称为杂质的电离能 。
电子从价带直接向导带激发，成为导带的自由电子，这种激发称为 本征激发,只有本征激发的半导体称为 本征半导体 。
掺受主的半导体的价带空穴数由受主决定,半导体导电的载流子主要是空穴
（ 空穴数 >>电子数 ）,对应的半导体称为 P型半导体 。 空穴为多子,电子为少子 。
掺施主的半导体的导带电子数主要由施主决定,半导体导电的载流子主要是电子
（ 电子数 >>空穴数 ）,对应的半导体称为
N型 半导体 。 称电子为多数载流子,简称多子,空穴为少数载流子,简称少子 。
N型和 P型半导体都称为极性半导体
Ec
ED
电离施主电离受主
Ev
3.杂质的补偿作用
(1)ND＞ NA
半导体中同时存在施主和受主杂质，施主和受主之间有互相抵消的作用此时半导体为 n型半导体n=ND-NA
Ec
ED
EA
Ev
电离施主电离受主
(2) ND<NA
此时半导体为 p型半导体p=NA- ND
(3) ND≈NA 杂质的高度补偿
4,元素半导体中的缺陷
(1) 空位
= Si = Si = Si =
‖ ︱ ‖
= Si － 〇 － Si =
‖ ︱ ‖
= Si = Si = Si =
‖ ‖ ‖
原子的空位起受主作用。
(2) 填隙
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
间隙原子缺陷起施主作用
(1) 杂质理想的 GaAs 晶格为
= Ga
-
= As
+
= Ga
-
=
‖ ‖ ‖
= As
+
= Ga
-
= As
+
=
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= Ga
-
= As
+
= Ga
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‖ ‖ ‖
1.Ⅲ － Ⅴ 族化合物半导体中的杂质和缺陷三,化合物半导体中的杂质和缺陷
● 施主杂质周期表中的 Ⅵ 族元素 (Se,S,Te)在 GaAs
中通常都替代 Ⅴ 族元素 As原子的晶格位置,
由于 Ⅵ 族原子比 Ⅴ 族原子多一个价电子,
因此 Ⅵ 族杂质在 GaAs中一般起施主作用,
为浅施主杂质 。
● 受主杂质
Ⅱ 族元素 （ Zn,Be,Mg,Cd,Hg） 在
GaAs中通常都取代 Ⅲ 族元素 Ga原子的晶格位置,由于 Ⅱ 族原子比 Ⅲ 族原子少一个价电子,因此 Ⅱ 族元素杂质在 GaAs中通常起受主作用,均为浅受主 。
● 两性杂质
Ⅳ 族元素杂质 （ Si,Ge,Sn,Pb） 在 GaAs
中的作用比较复杂,可以取代 Ⅲ 族的 Ga,也可以取代 Ⅴ 族的 As,甚至可以同时取代两者,
因此 Ⅳ 族杂质不仅可以起施主作用和受主作用,
还可以起中性杂质作用 。 例如,在掺 Si浓度小于 1× 1018cm-3时,Si全部取代 Ga位而起施主作用,这时掺 Si浓度和电子浓度一致；而在掺
Si浓度大于 1018cm-3时,部分 Si原子开始取代
As 位,出现补偿作用,使电子浓度逐渐偏低 。
● 中性杂质
Ⅲ 族元素 （ B,Al,In） 和 Ⅴ 族元素 （ P、
Sb） 在 GaAs中通常分别替代 Ga和 As，
由于杂质在晶格位置上并不改变原有的价电子数,因此既不给出电子也不俘获电子而呈电中性,对 GaAs的电学性质没有明显影响 。
（ 2） GaAs晶体中的点缺陷当 T＞ 0K时：
● 空位 VGa,VAs
● 间隙原子 GaI,AsI
● 反结构缺陷 — Ga原子占据 As空位，或 As原子占据 Ga空位，记为
GaAs和 AsGa。
2,Ⅱ－Ⅵ族化合物半导体的杂质和缺陷
Ⅱ－Ⅵ族化合物半导体是典型的离子键化合物。
Ⅱ -Ⅵ 族化合物半导体中的缺陷由于 Ⅱ -Ⅵ 族化合物半导体是负电性差别较大的元素结合成的晶体,主要是离子键起作用,正负离子相间排列组成了非常稳定的结构,所以外界杂质对它们性能的影响不显著,
半导体的导电类型更主要的是由它们自身结构的缺陷 （ 间隙离子或空格点 ） 所决定,这类缺陷在半导体中常起施主或受主作用 。
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●
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起施主作用
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起施主作用
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起受主作用电负性大
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d.负离子填隙产生负电中心，
起受主作用
Au的电子组态是,5s25p65d106s1
1.Au失去一个电子 — 施主
Au＋
Ec
Ev
ED
ED=Ev+0.04 eV
§ 2.2半导体中的深能级杂质在 Ge中掺 Au:
Ec
EvED
EA1
Au－
2,Au获得一个电子 — 受主
EA1= Ev + 0.15eV
3.Au获得第二个电子
Ec
EvED
EA1
Au2－
EA2= Ec - 0.2eV
EA2
3.Au获得第三个电子
Ec
EvED
EA1
Au3－
EA3= Ec - 0.04eV
EA2
EA3
