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第二章 半导体中的杂质和缺陷 理想半导体： 1、原子严格周期性排列，具有完整的晶格 结构。 2、晶体中无杂质，无缺陷。 3、电子在周期场中作共有化运动，形成允带和禁带——电子能量只能处在允带中的能级上，禁带中无能级。 ?本征半导体——晶体具有完整的（完美的）晶格结构，无任何杂质和缺陷。由本征激发提供载流子。 实际半导体： 1、总是有杂质、缺陷，使周期场破坏，在杂质或缺陷周围引起局部性的量子态——对应的能级常常处在禁带中，对半导体的性质起着决定性的影响。 2、杂质电离提供载流子。 主要内容 §2-1 元素半导体中的杂质能级 §2-2 化合物半导体中的杂质能级 §2-3缺陷、位错能级 §2-1 元素半导体中的杂质能级 一、杂质存在的方式 1、杂质存在方式 (2) 替位式→杂质占据格点的位置。大小接近、电子壳层结构相近 深能级杂质的特点 A杂质能级深 B. 主要以替位式存在. C. 杂质在禁带中引入多个能级。 D.有的属于两性杂质。如替代同一原子，则 施主总在受主下方。 E.深能级杂质的行为与杂质的电子层结构、 原子大小、杂质在晶格中的位置等有关。 等电子杂质特点： A.与基质原子同族，原子序数、电负性不同 如： GaP和GaAsP中的N，Bi B. 替代格点上的同族原子后，基本呈中性的杂质。 C. 能俘获某种载流子而成为带电中心，带电中心又能俘获另一种载流子而成为束缚激子。 D. 等电子络合物也能形成等电子陷阱。 GaAs中常用掺杂剂 p型杂质：镁，锌，镉 n型杂质：锗、锡（代替Ga）， 碲，硒（代替As） 第二章 内容提要 （1）在纯净的半导体中掺入一定的杂质，可以显著地控制半导体的导电性质。根据杂质的分布位置可以分为施主杂质和受主杂质。 （2）施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子，同时向导带提供电子，使半导体成为电子导电的n型半导体。受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子， 同时，向价带提供空穴，使半导体成为空穴导电的p型半导体。 （3）杂质元素掺入半导体后，由于在晶格势场中引入微扰，使能带极值附近出现分立的能级—杂质能级。 Ⅴ族元素在靠近导带底附近Ec的禁带中进入施主能级ED，Ⅲ族元素在靠近价带顶Ev的禁带中引入受主能级EA。 （4）施主杂质和受主杂质之间有相互抵消作用，通常称为“杂质补偿”。 “杂质补偿”是制造各种半导体器件的基础。 （5）非Ⅲ 、Ⅴ族元素在半导体中也可能产生深能级或者多能级。 （6）深能级和晶体缺陷形成的能级一般作为复合中心。 （7） Ⅲ -Ⅴ族化合物半导体中掺入一定量的与宿主原子等价的杂质原子，取代晶格点上的原子，这类杂质称为等电子杂质。由于这种杂质原子与宿主原子电负性上的差别，能够束缚某种载流子称为带电中心—等电子陷阱。 第二章 习题 例：在Ge中掺Au 可产生3个受主能级，1个施主能级 Au的电子组态是：5s25p65d106s1 Au+ Au0 Au- Au2- Au3- 多次电离，每一次电离相应地有一个能级既能引入施主能级．又能引入受主能级 Au Ge Ge Ge Ge 1. Au失去一个电子—施主 Ec Ev ED ED=Ev+0.04 eV Au＋ Ec Ev ED EA1 2. Au获得一个电子—受主 EA1= Ev + 0.15eV Au－ 3.Au获得第二个电子 Ec Ev ED EA1 EA2= Ec - 0.2eV EA2 Au2－ 3.Au获得第三个电子 Ec Ev ED EA1 EA3= Ec - 0.04eV EA2 EA3 Au3－ §2-2 Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体中的杂质能级 理想的GaAs晶格为 价键结构： 含有离子键成分的共价键结构 Ga- As Ga Ga As Ga As+ Ga As Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体中的杂质 施主杂质 替代Ⅴ族元素 受主杂质 替代III族元素 两性杂质 III、Ⅴ族元素 等电子杂质——同族原子取代 （1）施主杂质 Ⅵ族元素: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。 （2）受主杂质 I、II族元素（Ag、Au，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I、Ⅱ族原子比Ⅲ族原子少一或二个价电子，因此I、Ⅱ族元素杂质在GaAs中通常起受主作用，均为浅受主。 （3） 两性杂质 Ⅳ族元素杂质可以取代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族杂质可以同时起施主作用和受主作用，称为两性杂质。 例: 在掺Si浓度小于1×1018cm-3时，Si全部取代Ga位而起