半导体中的杂质能级

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1、半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第1 1页页20201010年年1111月月1616日星期二日星期二 3、高阻的本征半导体材料和高阻的高度补偿的半导体材料的区别是什么？(2006) 1 深能级杂质和浅能级杂质概念（西交大） 1以硅为例，举例说明掺入浅能级和深能级杂质的目的和作用？（西电）半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第2 2页页20201010年年1111月月1616日星期二日星期二1）施主杂质）施主杂质施主掺杂又称施主掺杂又称为为N型掺杂型掺杂能够向晶体提供电子同时自身成为带正电的离子的杂质，能够向晶体提供电子同时自身成为带正电的离子的杂质，

2、 一般为五价的磷（一般为五价的磷（P）或砷（）或砷（As）原子）原子半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第3 3页页20201010年年1111月月1616日星期二日星期二2）施主能级）施主能级由于施主杂质的掺入而在半导体带隙中新引入的电子能级由于施主杂质的掺入而在半导体带隙中新引入的电子能级P原子周围多余的电子由于受正离子的吸引，能量较导带电原子周围多余的电子由于受正离子的吸引，能量较导带电子能量要低，同时，吸引作用比共价键结合要弱，因此能量子能量要低，同时，吸引作用比共价键结合要弱，因此能量较价带电子要高，因此，施主能级位于带隙中较价带电子要高，因此，施主能级位于带隙中

3、半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第4 4页页20201010年年1111月月1616日星期二日星期二3）施主的电离和电离能）施主的电离和电离能电离：施主向导带释放电子的过程。未电离前，施主能级电离：施主向导带释放电子的过程。未电离前，施主能级是被电子占据的是被电子占据的DCDEE电离所需要的最小能量称为电离能，电离所需要的最小能量称为电离能，通常为导带底与施主能级之差通常为导带底与施主能级之差半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第5 5页页20201010年年1111月月1616日星期二日星期二4）施主的特征）施主的特征施主未电离前，施主能级是被电子

4、占据并保持电中性，电施主未电离前，施主能级是被电子占据并保持电中性，电离后向导带释放电子并带正电离后向导带释放电子并带正电半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第6 6页页20201010年年1111月月1616日星期二日星期二1）受主杂质）受主杂质受主杂质掺杂又受主杂质掺杂又称为称为P型掺杂型掺杂能够为晶体提供电子空位（空穴），同时自身成为带负电的能够为晶体提供电子空位（空穴），同时自身成为带负电的离子的杂质，离子的杂质， 一般为三价的硼（一般为三价的硼（B）原子）原子半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第7 7页页20201010年年1111月月161

5、6日星期二日星期二2）受主能级）受主能级由于受主杂质掺入而在半导体带隙中新引入的电子能级，由于受主杂质掺入而在半导体带隙中新引入的电子能级，该能级未占据电子，是空的，容易从价带获得电子该能级未占据电子，是空的，容易从价带获得电子B原子多出的电子空位很容易接受价带电子，形成原子多出的电子空位很容易接受价带电子，形成较强的共价键，因此较导带更接近价带较强的共价键，因此较导带更接近价带半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第8 8页页20201010年年1111月月1616日星期二日星期二3）受主电离和电离能）受主电离和电离能受主能级从价带接受电子的过程称为受主的电离，未受主能级从

6、价带接受电子的过程称为受主的电离，未电离前，未被电子占据电离前，未被电子占据DCDEE电离所需要的最小能量即为受主电电离所需要的最小能量即为受主电离能，为价带顶与受主能级之差离能，为价带顶与受主能级之差半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第9 9页页20201010年年1111月月1616日星期二日星期二4）受主杂质的特点）受主杂质的特点受主未电离前，受主杂质保持电中性，受主能级未被受主未电离前，受主杂质保持电中性，受主能级未被电子占据；电离后，从价带接受电子，受主能级被电电子占据；电离后，从价带接受电子，受主能级被电子占据，受主杂质带负电。子占据，受主杂质带负电。半导体物

7、理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第1010页页20201010年年1111月月1616日星期二日星期二1）杂质的带电性）杂质的带电性未电离：均为电中性未电离：均为电中性电离后：施主失去电子带正电，受主得到电子带负电电离后：施主失去电子带正电，受主得到电子带负电2）杂质能级的电子占据）杂质能级的电子占据未电离：施主能级满，受主能级空未电离：施主能级满，受主能级空电离后：施主能级空，受主能级满电离后：施主能级空，受主能级满3）对载流子数的影响）对载流子数的影响掺入施主后：电子数大于空穴数掺入施主后：电子数大于空穴数掺入受主后：电子数小于空穴数掺入受主后：电子数小于空穴数半导体物理学

8、半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第1111页页20201010年年1111月月1616日星期二日星期二半导体中掺入杂质后会在禁带中引入新的能级，半导体中掺入杂质后会在禁带中引入新的能级，如果掺入的杂质的电离能很小，则称该杂质为浅能如果掺入的杂质的电离能很小，则称该杂质为浅能级杂质，杂质的电离能很大，则称为深能级杂质级杂质，杂质的电离能很大，则称为深能级杂质ED1ED2EA2EA1半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第1212页页20201010年年1111月月1616日星期二日星期二浅能级施主能级靠近导带，浅能级受主靠近价带；深浅能级施主能级靠近导带，浅能级受主

9、靠近价带；深能级施主能级则往往位于禁带下部分，深能级受主能级能级施主能级则往往位于禁带下部分，深能级受主能级位于禁带上半部分位于禁带上半部分多重能级特性：一些深能级杂质会产生多次电离，从多重能级特性：一些深能级杂质会产生多次电离，从而产生多重能级，但一次电离能总是小于二次电离能而产生多重能级，但一次电离能总是小于二次电离能半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第1313页页20201010年年1111月月1616日星期二日星期二半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第1414页页20201010年年1111月月1616日星期二日星期二1）施主浓度远远大于受主

10、浓度时，半导体呈）施主浓度远远大于受主浓度时，半导体呈N型型2）受主浓度远远大于施主浓度时，半导体呈）受主浓度远远大于施主浓度时，半导体呈P型型3）半导体中同时存在施主和受主杂质时，补偿作用）半导体中同时存在施主和受主杂质时，补偿作用首先起作用首先起作用4）利用半导体杂质的补偿作用，可以改变半导体的）利用半导体杂质的补偿作用，可以改变半导体的导电类型导电类型半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第1515页页20201010年年1111月月1616日星期二日星期二1）Au元素杂质在元素杂质在Si中既可起施主作用，又可起受主中既可起施主作用，又可起受主作用，称为两性杂质作用，称为两性杂质2）如果在）如果在Si中掺入中掺入Au的同时，掺入浅的受主杂质，的同时，掺入浅的受主杂质，则则Au呈施主作用，反之，若同时掺入施主杂质，则呈施主作用，反之，若同时掺入施主杂质，则Au呈受主作用呈受主作用3）Au在在Si中掺杂特性举例中掺杂特性举例