123半导体中的杂质和缺陷起什么样作用？半导体中的杂质和缺陷起什么样作用？为什么会起这样的作用？为什么会起这样的作用？4杂质和缺陷的存在，所产生的附加势场使严格杂质和缺陷的存在，所产生的附加势场使严格的的周期性势场周期性势场受到破坏，可能在禁带中引入允许受到破坏，可能在禁带中引入允许电子具有的能量状态电子具有的能量状态(即能级即能级)ECEV杂质能级杂质能级56SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiPSiSiSiSi间隙式：原子半径小替位式：占据正常的格点位置原子的大小与被取代的晶原子的大小与被取代的晶体原子大小比较相近体原子大小比较相近2.1.1 替位式杂质 间隙式杂质7ECEV杂质能级EgSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiPSiSiSiSi间隙式替位式89SiP+SiSiSiSiSiSiSi-硅中的施主杂质硅中的施主杂质每个磷原子给出一个电子，称为每个磷原子给出一个电子，称为施主原子施主原子磷为磷为施主杂质施主杂质(n型杂质型杂质)本征半导体掺入施主杂质后成为本征半导体掺入施主杂质后成为n型半导体型半导体10+4+4+5+4多余多余价电子价电子磷原子磷原子111213N 型半导体中型半导体中的载流子是什的载流子是什么？么？1 1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。
由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同2 2、本征半导体中成对产生的电子和空穴本征半导体中成对产生的电子和空穴掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度自由电子称为由电子浓度远大于空穴浓度自由电子称为多数载流多数载流子子（多子多子），空穴称为），空穴称为少数载流子少数载流子（少子少子）4+4+5+4多余多余价电子价电子磷原子磷原子14+4+4+5+4多余多余价电子价电子磷原子磷原子15+4+4+5+4多余多余价电子价电子磷原子磷原子16 族杂质元素在硅、锗中的电离能很小，族杂质元素在硅、锗中的电离能很小，在硅中约为在硅中约为0.04-0.05eV，在锗中约为，在锗中约为0.01eV,比硅、锗的禁带宽度比硅、锗的禁带宽度Eg小得多小得多Eg(Ge)=0.72eV17+4+4+5+4多余多余价电子价电子磷原子磷原子问题：该电子的能量？比成键电子自由得多 （EDEv）与导带电子也有差别（受到P+库伦吸引作用）ED=EC-E库伦 落在禁带中施主能级：施主能级：将被施主杂质束缚的电子的能量状态，ED18u T=0k，束缚态，束缚态uT0K，电子得到能量电子得到能量ED，从施主的束缚态跃，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时的能量比导带底EC低低ED。
离化态）离化态）l电离的原因：热激发、远红外光的照射电离的原因：热激发、远红外光的照射 EDEg，施主能级离施主能级离导带底很近导带底很近ECEVEDEgED19 施主杂质是比较少的，施主杂质是比较少的，杂质原子间的相互作用可以忽略杂质原子间的相互作用可以忽略，一种杂质的施主能级是具有一种杂质的施主能级是具有相同能量的孤立能级相同能量的孤立能级杂质原子用短线表示杂质原子用短线表示 ECEVEDEgED2021SiB-SiSiSiSiSiSiSi+硅中的受主杂质硅中的受主杂质硼原子接受电子，称为硼原子接受电子，称为受主原子受主原子B B为为受主杂质受主杂质(p p型杂质型杂质)本征半导体掺本征半导体掺B B后成为后成为p p型半导体（空穴半导体）型半导体（空穴半导体）22空穴空穴B-+4+4+3+423空穴空穴B-+4+4+3+424空穴空穴B-+4+4+3+4252627P 型半导体型半导体P 型半导体中空穴是多子，电子是少子型半导体中空穴是多子，电子是少子P型半导体中载流子型半导体中载流子是什么？是什么？由受主原子提供的空穴，浓度与受主原子浓度相同空穴空穴硼原子硼原子+4+4+3+42829空穴空穴硼原子硼原子+4+4+3+430族杂质元素在硅、锗晶体中的电离能很小。
族杂质元素在硅、锗晶体中的电离能很小硅中约为硅中约为0.045-0.065eV铟(In)在硅中的电离能为在硅中的电离能为0.16eV，是一例外，在锗中约为，是一例外，在锗中约为0.01eV比硅、锗晶体比硅、锗晶体的的Eg小得多31EgEAEAECEV空穴得到能量空穴得到能量EA后，从受主的束缚态跃迁后，从受主的束缚态跃迁到价带成为导电空穴，在能带图上表示到价带成为导电空穴，在能带图上表示空穴空穴的能量是越向下越高的能量是越向下越高，空穴被受主杂质束缚，空穴被受主杂质束缚时的能量比价带顶时的能量比价带顶EV低低EAEAEg，受主能级离受主能级离价带顶很近价带顶很近32EgEAEAECEV受主能级和受主电离 EAEg，受主能级位于离价带顶很近的禁带中受主能级位于离价带顶很近的禁带中一般受主能级也是孤立能级一般受主能级也是孤立能级33 纯净半导体中掺入受主杂质后，受主杂质电离，纯净半导体中掺入受主杂质后，受主杂质电离，使价带中的导电空穴增多，增强了半导体的导电能力，使价带中的导电空穴增多，增强了半导体的导电能力，把主要依靠空穴导电的半导体称为把主要依靠空穴导电的半导体称为空穴型或空穴型或p型半导体。
型半导体EgEAEAECEV34 、族杂质在硅、锗晶体中分别是受主和施主族杂质在硅、锗晶体中分别是受主和施主杂质，起作用是由于禁带中引入能级杂质，起作用是由于禁带中引入能级;受主能级比价带顶受主能级比价带顶高高EA，施主能级则比导带底低，施主能级则比导带底低ED.35五、杂质半导体的示意表示法五、杂质半导体的示意表示法P 型半导体型半导体+N 型半导体型半导体杂质杂质半导体多子和少子的移动都能形成电流但半导体多子和少子的移动都能形成电流但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子由于数量的关系，起导电作用的主要是多子近似认为多子与杂质浓度相等似认为多子与杂质浓度相等36 杂质可以处于两种状态，即杂质可以处于两种状态，即未电离未电离的的中性态中性态或束缚态或束缚态以及以及电离后的离化态电离后的离化态!处于离化态时，受主杂质向处于离化态时，受主杂质向价带提供空穴价带提供空穴而成为而成为负电中心负电中心，施主杂质向，施主杂质向导带提供电子导带提供电子而成为而成为正电中心正电中心.六 小结37 硅、锗中的硅、锗中的、V族杂质的电离能都很小，所以受族杂质的电离能都很小，所以受主能级很接近于价带顶，施主能级很接近于导带底。
这主能级很接近于价带顶，施主能级很接近于导带底这些杂质能级称为些杂质能级称为浅能级浅能级，产生浅能级的杂质称为，产生浅能级的杂质称为浅能级浅能级杂质室温下，晶格原子热振动的能量会传递给电子，室温下，晶格原子热振动的能量会传递给电子，可使硅、锗中的可使硅、锗中的、族杂质几乎全部离化，称为族杂质几乎全部离化，称为全全电离电离七 浅能级杂质384022208nm qEh n 4n22220m qmE=8 hoDrorEmSiP+SiSiSiSiSiSiSi-39锗、硅的相对介电常数锗、硅的相对介电常数r r 分别为分别为16，12锗锗D=0.05=0.05m mn n*/m m0 0 硅硅ED=0.1=0.1m mn n*/m m0 0而而m mn n*/m m0 0 ,m mn n*/m m0 0 小于小于1.1.硅锗中杂质电离能硅锗中杂质电离能肯定小于肯定小于0.1eV0.1eV和和0.05eV.0.05eV.受主杂质讨论相同受主杂质讨论相同.显而易见是显而易见是浅能级杂质浅能级杂质.404142 N ND D表施主杂质浓度，表施主杂质浓度，N NA A表受主杂质浓度，表受主杂质浓度，n表示导表示导带中电子浓度带中电子浓度,p表示价带中空穴浓度。
表示价带中空穴浓度假设施主和受主杂质全部电离时，杂质是如何补假设施主和受主杂质全部电离时，杂质是如何补偿的431.当当N ND D N NA A时时 受主能级低于施主能级，所以施主杂质的电子首先跃受主能级低于施主能级，所以施主杂质的电子首先跃迁到迁到N NA A受主能级后，施主能级上还有受主能级后，施主能级上还有N ND D-N NA A个电子，在个电子，在杂质全部电离的条件下，它们跃迁到导带中成为导电电杂质全部电离的条件下，它们跃迁到导带中成为导电电子，这时，子，这时，n=N ND D-N NA A N ND D ,半导体是半导体是n型的型的.ECEVEDEA44ECEVEDEA45 经过补偿之后，半导体中的净杂质浓度经过补偿之后，半导体中的净杂质浓度称为称为有效杂质浓度有效杂质浓度当N ND D N NA A时，则时，则 N ND D N NA A为有效施主浓度；当为有效施主浓度；当N NA A N ND D时，则时，则N NA A N ND D为有为有效受主浓度效受主浓度46 杂质补偿作用是制造各种半导体器件的基础杂质补偿作用是制造各种半导体器件的基础如能根据需要用如能根据需要用扩散扩散或或离子注人离子注人方法来改变半导方法来改变半导体中体中某一区域的导电类型，以制成各种器件某一区域的导电类型，以制成各种器件.N晶体管制造过程中的杂质补偿晶体管制造过程中的杂质补偿n型型Si外延层外延层PN硼N磷47 问题问题-控制不当控制不当,会出现会出现N ND D N NA A的现象。
这时，施主的现象这时，施主电子刚好够填充受主能级，虽然杂质很多，但不能向导电子刚好够填充受主能级，虽然杂质很多，但不能向导带和价带提供电子和空穴带和价带提供电子和空穴,这种现象称为这种现象称为杂质的高度补偿杂质的高度补偿.这种材料容易被误认高纯半导体，这种材料容易被误认高纯半导体，实际上含杂质很实际上含杂质很多，性能很差，多，性能很差，不能用采制造半导体器件不能用采制造半导体器件.484950 讨论：讨论：杂质在硅、锗中的主要存在方式是替代式分杂质在硅、锗中的主要存在方式是替代式分析它们的能级情况，可以从四面体共价键的结构出析它们的能级情况，可以从四面体共价键的结构出发以金在锗中产生的能级为例来说明金在锗中以金在锗中产生的能级为例来说明金在锗中产生四个能级，如图：产生四个能级，如图：金在锗中的能级金在锗中的能级ECEVEDEA1EIEA2EA30.200.150.040.0451 ED是施主能级，是施主能级，EA1 EA2 EA3是三个受主能是三个受主能级，它们都是深能级图中级，它们都是深能级图中Ei是禁带中线位置，是禁带中线位置，禁带中线以上的能级，注明离导带底的距离，禁带中线以上的能级，注明离导带底的距离，禁带中线以下的能级，注意离价带顶的距离。
禁带中线以下的能级，注意离价带顶的距离ECEVEDEA1EIEA2EA30.200.150.040.0452 金是金是I族元素，中性金原子族元素，中性金原子(Au0)只有一个价电子只有一个价电子，它，它取代锗晶格中的一个锗原子而位于晶格点上，取代锗晶格中的一个锗原子而位于晶格点上，金比锗少金比锗少三个价电子，中性金原子的这一个价电子，可以电离而三个价电子，中性金原子的这一个价电子，可以电离而跃迁到导带，这一施主能级为跃迁到导带，这一施主能级为ED因此，电离能为因此，电离能为(ECED)ECEVEDEA1EIEA2EA30.200.150.040.0453 因为金的这个价电子被共价键所束缚，因为金的这个价电子被共价键所束缚，电离能很电离能很大，略小于锗的禁带宽度大，略小于锗的禁带宽度，所以，这个施主能级靠近，所以，这个施主能级靠近价带顶电离以后，中性金原子电离以后，中性金原子Au0就成为带一个电子电就成为带一个电子电荷的正电中心荷的正电中心Au+ECEVEDEA1EIEA2EA30.200.150.040.0454 但另一方面，中性金原子还可以和周围的四个但另一方面，中性金原子还可以和周围的四个锗原子形成共价键。
锗原子形成共价键在形成共价键时，它可以从价带在形成共价键时，它可以从价带接受三个电子接受三个电子形成形成EA1 EA2 EA3三个受主能级三个受主能级金原子Au0接受第一个接受第一个电子后变为电子后变为Au-，相应的受主能级为，相应的受主能级为EA1，其电离能为，其电离能为(EA1EV)ECEVEDEA1EIEA2EA30.200.150.040.0455 接受第二个电子后，接受第二个电子后，Au变为变为Au=，相应的受主能，相应的受主能级为级为EA2，其电离能为，其电离能为(EA2EV)接受第三个电子后，接受第三个电子后，Au-变为变为Au，相应的受主能级为，相应的受主能级为EA3，其电离能为，其电离能为(EA3 Ev)上述的Au-，Au=，Au分别表分别表Au0 成为成为带一个、两个、三个电子电荷的负电中心带一个、两个、三个电子电荷的负电中心ECEVEDEA1EIEA2EA30.200.150.040.0456 电子间的库仑排斥作用电子间的库仑排斥作用:使金从价带接受第二个电子所需要的电离能比接使金从价带接受第二个电子所需要的电离能比接受第一个电子时的大受第一个电子时的大;接受第三个电子时的电离能比接受第二个电子时接受第三个电子时的电离能比接受第二个电子时的大。
的大57 EA3 EA2EA1EA1离价带顶相对近一离价带顶相对近一些，但是比些，但是比III族杂质引入的浅能级还是深得多，族杂质引入的浅能级还是深得多，EA2更深，更深，EA3就几乎靠近导带底了于是金在就几乎靠近导带底了于是金在锗中一共有锗中一共有Au+Au0 Au-，Au=，Au五种荷电五种荷电状态，相应地存在着状态，相应地存在着ED EA1 EA2 EA3 四个孤立四个孤立能级，它们都是深能级能级，它们都是深能级ECEVEDEA1EIEA2EA30.200.150.040.0458 深能级杂质，一般情况下含量极少深能级杂质，一般情况下含量极少能级较深，它们对半导体中的能级较深，它们对半导体中的导电电子浓度、导导电电子浓度、导电空穴浓度电空穴浓度(统称为载流子浓度统称为载流子浓度)和导电类型和导电类型的影响没的影响没有浅能级杂质显著，但对于载流子的有浅能级杂质显著，但对于载流子的复合作用复合作用比浅能比浅能级杂质强，这些杂质也称为级杂质强，这些杂质也称为复合中心复合中心金是一种很典型的金是一种很典型的复合中心复合中心，在制造高速开关器件，在制造高速开关器件时，常有意地渗入金以提高器件的速度。
时，常有意地渗入金以提高器件的速度如：如：快恢复二极管快恢复二极管5960GaAsGaAsGaAsGaAsGaAsGaBGaAsGaAsGaAsAAsGaAsGaAsGaAsGaAsGaAsC616263空位空位 V VC C V VSiSi间隙原子间隙原子 C Ci i SiSii i反结构缺陷反结构缺陷 C CSiSi各种复合体各种复合体 V VC CC CSi Si VC-VSi 如如SiC晶体中：晶体中：出现在化合物半导体化合物半导体中6465弗仑克耳缺陷弗仑克耳缺陷-晶体内间隙原子和空位是成对晶体内间隙原子和空位是成对出现出现肖特基缺陷肖特基缺陷-晶体内形成空位而无间隙原子晶体内形成空位而无间隙原子间隙原子缺陷间隙原子缺陷：只有间隙原子而无原子空位：只有间隙原子而无原子空位间隙原子和空位间隙原子和空位-既既产生又不断复合产生又不断复合达到达到平衡平衡浓度值浓度值分类：66671502002503003504000.00.10.20.30.40.50.60.7X1 X4321H2XH1 DLTS signal(pF)Temperature(K)1:0.5MeV 8V2:0.3MeV 8V3:0.3MeV 16V缺陷的产生需要一定的能量缺陷的产生需要一定的能量68可以通过退火消除缺陷，但是也可能产生二次缺陷可以通过退火消除缺陷，但是也可能产生二次缺陷6970位错产生的一排多余原子是不饱和键，有一个不成对的电子若失去电子 施主 俘获电子 受主b刃位错滑移矢量 位错线7172737475。