半导体中杂质和缺陷能级

1、半导体中杂质和缺陷的能级由庞志勇在山东大学物理学院的这张幻灯片中参考了刘、等主编的教材半导体物理学编写。硅和锗晶体中的杂质能级为，取代杂质：杂质原子进入半导体后，取代晶格原子，位于晶格点，称为取代杂质间隙杂质；杂质原子进入半导体后，它们位于晶格原子之间的间隙，这被称为间隙杂质。半导体物理半导体物理半导体物理半导体物理间隙杂质原子一般都很小。当形成取代杂质时，要求取代杂质原子的尺寸接近取代晶格原子的尺寸，并且它们的价电子壳层结构彼此接近。每单位体积的杂质原子数称为杂质浓度，通常用来表示半导体晶体中的杂质含量。半导体物理学半导体物理学半导体物理学杂质电离：以硅中的磷掺杂为例，杂质磷原子取代硅原子后

2、，四个价电子与周围的四个硅原子形成共价键，剩下一个价电子。这个额外的价电子被束缚在磷原子周围。然而，这种结合效应比共价键弱得多，所以它可以用很少的能量摆脱这种结合，而成为一种在晶格中自由移动的导电电子。此时，磷原子变成没有价电子的磷离子(P)，它是一个固定的正中心。上述电子脱离杂质原子束缚而成为导电电子的过程称为杂质电离。使这种价电子脱离束缚并成为导电电子所需的能量称为杂质电离能。能给晶体提供电子并自身变成带正电离子的杂质称为施主杂质。施主能级：当一个电子束缚在施主中心时，它的能量明显低于导带底部的能量，相应的能级称为施主能级。杂质能级通常用能带图中的短水平线来表示，以说明它所代表的状态的局部

3、性质。施主从导带释放电子所需的最小能量称为施主电离能。主要依靠电子传导的半导体是n型半导体。半导体物理学，半导体物理学，半导体物理学，半导体物理学，半导体物理学，半导体物理学，受主杂质：以掺入硅中的硼为例，一个硼原子占据硅原子的位置，硼有三个价电子，当它与周围四个硅原子形成共价键时，它仍然缺少一个电子，所以需要从其他硅原子中取一个价电子，所以在硅中硼原子在接受一个电子后，变成带负电荷的硼离子(B-)，称为负中心。带负电的硼离子和带正电的空穴之间存在静电引力，因此这个空穴被硼离子束缚，并向硼离子附近移动。然而，硼离子与该空穴的结合非常弱，只需要少量的能量就能释放该空穴，并成为一个在晶体共价键中自

4、由移动的导电空穴。硼原子变成了多一个价电子的硼离子(B-)是一个固定的负中心。这种能接受电子并带负电荷的杂质称为受体杂质。受主杂质接受的电子能级明显高于价带的顶部。相应的能级称为受体能级。半导体物理半导体物理半导体物理半导体物理半导体物理半导体物理纯半导体掺杂有受主杂质，使受主杂质离子化，增加价带中的导电空穴，提高半导体的导电性。通常，主要依赖空穴传导的半导体被称为P型半导体。硅和锗中的三价和五价杂质的电离能很小，所以受主能级非常接近价带顶，而施主能级非常接近导带底，这通常称为浅能级。产生浅能级的杂质称为浅能级、半导体物理学、类氢模型-浅能级杂质电离能的简单计算、半导体物理学、上述杂质具有很低

5、的电离能，电子或空穴被正负中心弱束缚，因此杂质的电离能可以用类氢模型估算。氢原子中电子的能量n=1，2，3，是主要的量子数。当n=1时，得到基态能量，当n=，它是氢原子的电离态，E =0。因此，氢原子的基态电离能是：考虑到晶体中的杂质原子，正负电荷都在介电常数的介质中，并考虑到电子在晶格周期势场中的运动，经过这种修正，电子的惯性质量被有效质量取代，施主电离能可以表示为： 受体杂质的电离能计算如下：上述计算没有反映杂质原子的影响，由于正电子中心与电子的结合大大减弱，电子将有较大的轨道半径。 我们还可以计算氢原子等杂质的等效玻尔半径。氢原子的玻尔半径可以用半导体物理学来表示，同样考虑介电常数和质量

6、替代，我们可以得到杂质等效玻尔半径、杂质补偿和半导体物理学，如果半导体中同时存在施主杂质和受主杂质，施主杂质和受主杂质相互抵消，这通常称为杂质补偿。当施主杂质浓度大于受主杂质浓度时，施主杂质在补偿后保留，并且半导体是N型的，反之亦然。经过补偿后，半导体中的净杂质浓度称为有效杂质浓度。根据剩余的施主或受主是有效施主浓度还是有效受主浓度，半导体物理半导体物理可以根据制造各种器件的需要，通过扩散或离子注入来改变半导体中特定区域的导电类型。然而，如果控制不当，施主杂质浓度和受主杂质浓度将相等。虽然有许多杂质，但它们不能给导带和价带提供电子和空穴。这种现象被称为杂质的高补偿，这种材料很容易被误认为是高纯

7、度半导体。半导体物理学，半导体物理学，半导体物理学，半导体物理学，半导体物理学，除了第三和第五组之外的杂质在硅和锗中产生施主和受主能级，它们通常分别远离导带和价带边缘，这被称为深能级杂质。这些深能级杂质中的大多数可以产生多重电离，并且每个电离都具有相应的能级，这通常在硅和锗中产生多重能级。一些杂质会引入供体和受体水平。半导体物理学、半导体物理学、半导体物理学、半导体物理学、半导体物理学、半导体物理学、半导体物理学、半导体物理学、半导体物理学、半导体物理学、半导体物理学、半导体物理学、半导体物理学、半导体物理学、半导体物理学、半导体物理学。粗略的定性解释：金在锗中产生四个能级和三个受体能级，它们

8、都是深能级。金只有一个价电子。当它取代锗晶格中的原子后，(1)价电子可以电离并跃迁到导带。这个施主能级是ED，因为这个价电子的电离能很大，而锗的禁带宽度相对较小，所以这个施主能级更接近价带的顶部。电离后，金原子变成带正电荷的金中心。(2)中性金原子也可以与周围的四个锗原子形成共价键。当形成共价键时，它可以接受来自价带的三个电子，并形成三个受体能级EA1、EA2和EA3。根据能量，这三个能级中的每一个都比另一个更深，并且通过EA3几乎接近导带的底部。半导体物理，半导体物理，深能级杂质，通常含量和深能级很少，对载流子浓度和导电类型的影响较小，但对载流子的复合效应比浅能级的强半导体物理学，半导体物理

9、学，半导体物理学，三价钒化合物中的杂质能级与硅和锗的相似。当杂质进入iii-v化合物时，它们或者是晶格原子之间间隙中的间隙杂质，或者是取代杂质，而不是晶格原子，但是它们更复杂。由于-族化合物中杂质和缺陷的复杂性以及单晶制备技术的难度，人们对-族化合物中杂质的了解不如硅和锗那么清楚。半导体物理学，半导体物理学，半导体物理学，半导体物理学，半导体物理学，半导体物理学，第一组元素通常将受体能级引入砷化镓。作为受体的第二族元素铍、镁、锌、镉和汞比第三族元素少一个价电子，并有获得一个电子以完成共价键的趋势。它们通常取代第三族原子，位于晶格点上，显示出受体杂质。引入浅受体能级。当第三族杂质(如硼、铝等。)

10、和第五族杂质(如磷、锑等。)被掺杂，这些杂质的影响在实验中无法检测出来。它们不是施主杂质和受主杂质，而是变成电中性杂质，并且在禁带中没有引入能级。然而，当掺杂原子的电负性和共价半径与主晶体原子的电负性和共价半径非常不同时，例如，砷化镓掺杂有诸如氮或铋的V族元素，其可以捕获某些载流子并成为带电中心，并在禁带中产生能级。这个能级被称为等电子陷阱。这种效应被称为等电子杂质。如果第四族元素碳、硅、锗、锡和铅取代第三族原子，则它们充当施主杂质，如果它们取代第五族原子，则充当受主杂质。第四族元素也可以随机分布在第三族原子和第五族原子的晶格点上。此时，杂质的总效应是施主或受主，这与掺杂浓度和掺杂期间的外部条

11、件有关。第六族元素如氧、硫、硒和碲与第五族元素具有相似的性质，并经常取代第五族原子。因为它们比第五族元素多一个价电子，而且容易丢失，所以它们看起来像施主杂质。过渡族元素除明矾外，在产生一个深施主能级，而受主能级是由罗、锰、铁、钴和镍产生的。-族化合物中浅能级杂质的电离能也可以用类氢模型估算。半导体物理学，半导体物理学，缺陷，位错能级，半导体物理学，热缺陷：有两种热缺陷，一种是弗伦奇耳缺陷，因为晶格原子获得能量脱离周围原子的束缚而进入晶格原子间隙，原来的位置变成空位，而空位原子和空位成对出现；另一种是肖特基缺陷，它只在晶体中形成空位，没有间隙原子。空位是常见的点缺陷。空位附近有四个原子，每个原子

12、都有一个不成对的电子，它变成了一个不饱和共价键。这些键倾向于接受电子，因此空位显示出受体作用。除了由热振动形成的空位和间隙原子之外，还会形成点缺陷，因为成分偏离了正常的化学比例。半导体物理学、半导体物理学、硫化物、硒化物、碲化物和氧化物等化合物半导体具有强离子键，是离子晶体。符号M代表具有低电负性的原子，而X代表具有高电负性的原子。通常，正离子空位VM是受体，负离子空位VX是供体。当m是填隙原子时，它是供体，当X是填隙原子时，它是受体。当成分偏离正常的化学比例时，就会出现点缺陷。当M太高时，将出现负离子空位VX，而当X太高时，将出现正离子空位VM。在化合物半导体中，也存在概率相对较小的情况，即，A取