第二章半導體中的雜質和缺陷§2.1雜質與雜質能級一.Ge,Si中雜質及雜質能級：

1.本征半導體：純凈、完整的半導體，即無雜質，少缺陷；本征（熱）激發(fā)：電子由價帶→導帶，躍遷Eg，

RT~300k：Si熱激發(fā)→本征載流子數(shù)目～，

2.替位式（置換）和間隙式雜質：濃度：單位體積中雜質原子數(shù)

1゜替位式雜質：雜質原子與晶格原子大小相近，雜質替換本征晶格格點上的原子如Ⅲ族原子：B、Al、Ga、In，Ⅴ族原子：P、As、Sb等

2゜間隙式雜質：雜質半徑較小，雜質位于本征晶格的空隙中，

∵金剛石結構致密度僅為～34％如輕金屬Li：0.068nm，及H，He3゜金剛石結構中四面體間隙：由四個晶胞內原子構成的四面體的中心

六角形間隙位置：由三個相鄰面心原子與三個與之相鄰的晶胞內原子所圍空間的中心3.雜質半導體：

1゜雜質能級:雜質→附加勢場→電子空穴束縛在周圍

→局域化電子態(tài)→禁帶中

2゜雜質半導體：摻雜→雜質能級→雜質吸收（躍遷<Eg）→載流子n↑

4.施主雜質、施主能級：

1゜施主雜質：Ⅴ族原子向晶體提供多余不配對電子（電子可動），并同時成為帶正電離子（不可動正電中心）的雜質

2゜施主能級：Si中摻P，P有5個電子，替代Si后成四個共價鍵，多出一個電子，即多余電子：

a.被P束縛→低能態(tài)（<Ec）→施主能級Ed

（<<

Eg）→束縛態(tài)（中性,局域態(tài)）

b.P釋放多余電子→施主電離→成為導電電子→高能態(tài)（>Ec）→離化態(tài)

c.施主電離能：（Si：0.04～0.05eV，Ge：0.01eV）3゜n型半導體：而室溫RT：kT～0.026eV→RT時許多施主電離→導帶電子n增多～例；Si中摻的P（占Si原子總數(shù)～的）載流子n由升為～

∴導體電子數(shù)

>>

價帶中的空穴，→主要電子導電導體→N型半導體。5.受主雜質、受主能級：Si中摻有Ⅲ族元素，B三個價電子

1゜受主雜質：能夠接受晶格原子中的電子，自身成為不能移動的負離子的雜質

2゜受主能級：如Si摻雜B，B－Si共價鍵少一個電子從別的Si原子奪取

一個電子成鍵，則

a.空穴受離子束縛→低能級（∵能帶圖上空穴能量是越往下越高）→受主能級<<

稱為束縛態(tài)

b.空穴→脫離，可自由移動→受主電離，實際過程是價帶中電子跳到受主能級，與束縛空穴同時形成一個可自由移動的導電空穴和一個不可移動受主離子。

c.受主電離能

3゜P型半導體：受主摻雜使>>二.類氫模型：

Ⅴ族代替Ⅳ族Si，并占據(jù)Si原子位置時，多余一個電子圍繞正電子中心運動

晶體勢場：正常晶格周期場＋V族原子實正電子中心產生的庫侖場可以證明只要晶體中摻雜原子數(shù)<<

晶體原子數(shù)，晶體中附加勢場變化緩慢，導帶中電子在該勢場中的運動即可用有效質量近似來描述2゜實際晶體中若計入電子自旋磁矩→與其他電子軌道磁矩的作用重空穴帶將發(fā)生分裂，解除簡并，→能帶圖如右圖導重空穴輕空穴自旋作用分裂價帶kGe能帶

且遵守類似自由電子的方程：電子波函數(shù)的包絡（2－3）*對Ⅲ族取代Si，上述關系也適用于空穴→（采用有效質量近似）

1゜不計晶格介電屏蔽作用：電子繞正電中心運動與氫原子相同（似）

2゜計入晶格介電屏蔽作用：因Si（Ge）介電常數(shù)～10，介質極化

→施主庫侖場被大大削弱，→僅為真空中的此時以代替，代替，可借用氫原子模型

→類氫模型氫原子基態(tài)電子電離能為（取無窮遠處能量為0）

雜質基態(tài)電離能為：

非基態(tài)為：

（2－4）式中的有效質量對Si，Ge

?。?/p>

由下表可見，Ge所得與試驗相近；Si差別較大；PAsSbMn(D)BAlGaInMn(A)Ge0.01200.01270.00960.00920.010.010.0110.0110.0089Si0.0440.0490.0390.0290.0450.0570.0650.160.034可見Ge，Si中施主、受主雜質電離能并不完全相同，Si與實驗差別明顯原因：雜質不同→1゜引入畸變程度不同；2゜雜質勢場不同，Si差別明顯；3゜未計入雜質的全部影響

H的等效波爾半徑：以，可得：

雜質等效波爾半徑：

（2－5）對→Si的較小，受正電中心影響大，雜質不同差異大，均有軌道半徑大→波矢限制區(qū)域小→局域態(tài)

對GaAs：～*結論：軌道半徑大的雜質激發(fā)態(tài)，用類氫模型更合適→此類雜質稱為

類氫雜質

→雜質能級離Ec

或Ev

很近→淺能級雜質三.其他雜質、深能級雜質

1.定義：除Ⅲ、Ⅴ族元素，其它雜質在Si，Ge

中產生的施主和受主級，分別遠離導帶底和價帶頂，位于禁帶中央?yún)^(qū)域→

稱為深能級雜質

特點：1゜多數(shù)起復合中心作用

2゜多重能級～價電子數(shù)，→多次電離

3゜某些雜質既可為施主，也可為受主，→兩性雜質

4゜波爾半徑小～原子間距

5゜靠近導帶底的可為受主（不一定是施主），靠近價帶頂?shù)目蔀槭┲鳎ú灰欢ㄊ鞘┲鳎┠芗?/p>

*2.起復合中心作用的原因深能級雜質一般價電子數(shù)明顯不同于晶格原子，→局域電荷不平衡程度↑

→晶格畸變也↑→電子波函數(shù)局域化↑實空間中對電子的束縛能力↑；而波矢非局域化↑→易于滿足復合躍遷時的動量守恒要求

*對間接帶隙半導體，復合壽命由深能級復合中心的無輻射躍遷決定對于深能級雜質，由于電子－晶格作用很強

∴通過復合中心的復合在輻射躍遷時，往往在發(fā)射譜中產生聲子帶四.化合物中的雜質能級：

1.Ⅲ－Ⅴ族GaAs，InSb

中的雜質：

1゜Ⅰ族：GaAs中受主：Ag：（Ev＋0.11）eV，（Ev＋0.238）eVAu：（Ev＋0.09）eV2゜Ⅱ族：與Ga

負電性接近→傾向占Ga

的位置→受主

3゜Ⅳ族：占Ga

位為施主，占As位為受主

Si占Ga

位→施主→多為單一能級

4゜Ⅵ族：負電性與Ⅴ族相近，→傾向占As位施主，→常為多重施主能級

特點：對直接帶隙半導體GaAs、InSb：

1゜電子的Mn很小，→施主電離能常很小

2゜空穴的Mn較大～0.50Mo→受主對空穴束縛大，不同雜質電離能差別大

3゜負電性↑→施主電離能↑，而受主電離能則↓∵負電性↑→易束縛電子，提供空穴，∴施主電離能↑，而受主電離能卻↓

對間接帶隙GaP：Mn較大，較小→施主電離能差別顯著；如下所示：

施主OSSeTeSiSnED(eV)0.8960.1040.1030.0900.0820.065受主BeMgZnCdCSiGeEA(eV)0.0500.0540.0640.0970.0480.2030.3002.等電子陷阱（雜質）：雜質價電子數(shù)＝晶格原子價電子數(shù)

等電子雜質：負電性、共價半徑與晶格原子不同→捕獲電子、空穴→等電子陷阱

1゜例：摻N，N、P均為V族→長程庫侖勢沒有變化

N總電子數(shù)<P的總電子數(shù)N有獲取電子的傾向；N代P

后，實質電子不足→N原子中心在短程內有一強的電子作用勢→形成電子束縛態(tài)→波函數(shù)集中在等電子雜質附近

2゜又如GaP：N雜質能級在Ec

下約10mv，不是施主，但能接受一個電子，起受主作用而GaP中的Bi：→等電子的空穴陷阱

3゜等電子陷阱作用范圍

<<∴在遠小于波爾半徑，約為原子尺寸處，等電子勢場有一極小值，如右圖

4゜飽和性：等電子陷阱俘獲一個電子，由于庫侖斥力，不能再俘獲第二個電子5゜作用：與庫侖力產生的施主電子波爾半徑可達15~90?不同，等電子陷阱俘獲電子的波函數(shù)局域在2~4?

左右，因此由可知其波矢將擴展至整個布區(qū)間接帶隙也可有顯著的帶間光學躍遷幾率

GaP

中的N在綠色和紅色發(fā)光二極管(LED)中起重要作用!!§2.2,缺陷與缺陷能級

晶體缺陷：晶體中周期排列被破壞的區(qū)域；形式包括，點、線、面缺陷1，點缺陷：

1゜空位：晶格中格點缺失原子處，稱為空位

2゜間隙原子：晶格格點間嵌入的原子，稱為間隙原子

3゜廣義點缺陷：包括置換式雜質和間隙式雜質

4゜點缺陷的形成：原子熱振動→

能量漲落→

少數(shù)原子具有高能量→

脫離格點形成缺陷

5゜點缺陷的平衡濃度No：對任意T→有No

→對應系統(tǒng)的最低能量!!!

6゜缺陷能級

a.正離子空位→等效帶負電→接受空穴形成受主

b.負離子空位→等效帶正電→接受電子形成施主

c.間隙正離子→失去電子→施主

d.間隙負離子→得到電子→受主對GaAs：As空位(受主)，價帶頂0.12eV；Ga空位(受主)，0.18eV，0.01eV7゜化合物半導體的點缺陷：ABA原子空位：；B原子空位：間隙A原子：；間隙B原子：

B取代A位：；A取代B位：所需能量高，幾率小2.線缺陷——位錯

1゜刃位錯：有多余半原子面形成懸掛鍵

2゜螺位錯：繞位錯線晶面成螺卷面

晶體的螺位錯

*對刃位錯：（Ⅲ族元素構成α

位錯，Ⅴ族構成β

位錯