半导体物理复习总结（二）——半导体中的杂质和缺陷能级

半导体物理第二章

理想的半导体是具有严格周期性，原子无热振动，固定在格点上，纯净且不含杂质的。但是实际半导体的原子，在其平衡位置附近振动，而且半导体材料含有杂质，晶体结构也存在各种缺陷。实践表明极微量的杂质和缺陷，能够对半导体材料的物理和化学性质产生决定性的影响。理论分析认为，杂质和缺陷的存在会使周期性势场受到破坏，在禁带中引入能级。

第1部分 硅锗晶体中的杂质能级

杂质进入半导体以后的分布位置，有替位式和间隙式两种。间隙式杂质的原子一般比较小，杂质原子位于晶格原子间的间隙。如锂离子。替位式杂质的原子大小与被取代的晶格原子大小相近，价电子层结构也比较相近，杂质原子取代晶格原子位于晶格格点处。

三，五族元素，在硅锗晶体中都是替位式杂质。五族元素其4个价电子与周围的4个硅原子形成共价键，形成一个正电中心和一个多余的价电子，这个多余的价电子束缚在正电中心周围。这种束缚作用比共价键的束缚作用弱得多，当接受到很少的能量时就成为导电电子，在晶格中自由运动，剩下一个不能移动的正电中心。这个过程称为施主杂质电离，所需要的能量称为杂质电离能。五族元素杂质在硅锗中电离时能产生自由电子并形成正电中心，称为施主杂质或者n型杂质。施主杂质能级距离导带底近。

施主杂质束缚态时的能量比导带底低。在纯净半导体中掺入施主杂质，杂质电离后导带中的导电电子增多，这种主要依靠导带中电子导电的半导体称为电子型或n型半导体。

当在硅锗晶体中掺入三族元素杂质时，三个价电子与周围的4个硅原子形成共价键，缺少的一个电子从别处的硅原子中夺取一个价电子，于是在硅晶体的共价键中产生的一个空穴。三族原子成为负电中心。空穴受到硼离子的束缚，在接受到很少的能量时，就能形成一个可以在晶体共价键中自由运动的导电空穴。剩下不能移动的负电中心。这个过程称为受主杂质电离。这种电离时能接受电子并形成负电中心的杂质称为受主杂质或p型杂质。受主杂质能级距离价带顶近。

施主或受主杂质未电离是电中性，称为中性态或束缚态，电离后成为正电中心或负电中心，称为离化态。

空穴在能带图上的能量是越向下越高。受主能级在价带顶上。受主杂质电离使价带中的导电空穴增多，通常把主要依靠空穴导电的半导体称为空穴型或p型半导体。

杂质电离能指使施主杂质多余的价电子脱离束缚成为自由电子，或是受主杂质的空穴脱离束缚，成为导电空穴所需要的能量。

杂质的补偿作用体现为，半导体中既有施主杂质，又有受主杂质。半导体中杂质的有效浓度为施主杂质与受主杂质的浓度差。半导体类型与浓度高的种类相同。

类氢模型计算浅能级杂质电离能。

非三族和五族元素杂质在硅锗中产生的能级，是深能级杂质。深能级杂质的施主能级离导带底远，受主能级价带顶也较远。深能级杂质能够产生多次电离，每一次电离都能在禁带中产生相应的能级。深能级杂质对半导体中的载流子浓度和导电类型影响不大，但对载流子的复合作用更强，故称为复合中心。金是一种典型的复合中心，在制造高速开关器件时，掺入金以提高器件的速度。

第2部分 三五族化合物中的杂质能级

一二族元素掺入时，起受主作用。三五族元素参入化合物中时，因为杂质原子与基质晶体原子具有相同数量价电子称为等电子杂质。同族元素相替代，又因为掺入的等电子杂质原子在电负性和共价半径方面与原本的原子有较大差别，会产生等电子杂质效应，在禁代中产生能级，这个能级称为等电子陷阱。四族元素掺入时，如果替代三族元素表现为施主杂质，取代五族元素表现为受主杂质，这种性质称为杂质的双性行为。六族元素参入时取代五族原子，表现为施主杂质。

第3部分缺陷和为位错

点缺陷：一部分原子获得足够的能量，克服周围原子对他的束缚挤入晶格原子间的间隙，形成间隙原子，原来的位置成为空位。其中因受温度影响也称热缺陷的有两类。如果间隙原子和空位成对出现，称为弗伦克尔缺陷。如果只有空穴，而无间隙原子称为肖特基缺陷。由于成分偏离正常化学比也会造成点缺陷。可以通过控制化学比，来产生与空位类型相同的半导体材料。还有一种点缺陷，称为替位原子也称反结构缺陷。

位错即线缺陷相当于在半导体中形成了一串受主或施主。