什么是浅能级杂质？什么是深能级杂质？

什么是浅能级杂质？什么是深能级杂质？

为了控制半导体材料的电学性能，在高纯的本征半导体中加入不同类型和不同含量的杂质，形成N型和P型半导体材料。同时，在实际半导体材料的制备和加工过程中，会不可避免地引入少量不需要的杂质。这些杂质在禁带中间引入新的能级，如果杂质能级的位置靠近导带底或价带顶，在室温下电离，对半导体材料提供额外的载流子，就称为浅能级杂质。 

以N型半导体晶体硅为例，当晶体硅中掺入五价的磷原子后，磷原子的4个价电子和硅原子的价电子组成共价键，另外一个价电子被磷原子微弱地束缚在周围。在吸收一定的能量后，这个价电子会电离，脱离磷原子的束缚。由于这个电子是被微弱地束缚，所以电离过程所需的能量比较小，其电子从磷原子束缚中脱离的最小能量就是它的电离能。 

从能带的角度讲，这个多余的围绕磷原子运动的电子，具有一个相对应的局域化能级，此能级位于禁带中间，称为杂质能级。当接受能量时，这个价电子脱离束缚，成为自由电子。也就是说，这个价电子接受能量从杂质能级跃迁到导带。因为这个电子的电离能很小，也就是说，只要很小的能量，电子就会跃迁到导带，所以磷原子的这个价电子的能级在导带下的禁带之中，而且距离导带底很近。因此，对于晶体硅来说，磷原子属于浅能级杂质。 

像磷原子一样能够向晶体硅提供电子作为载流子的杂质，就称为施主杂质，其所引起的杂质能级称为施主能级，一般用Ed来表示。在半导体晶体硅中，Ⅴ族元素磷、砷、锑都能起到提供电子的作用，是施主杂质，也是浅能级杂质。 

同样地，对于P型半导体晶体硅，当晶体硅中掺入三价硼原子后，硼原子的3个价电子和硅原子的价电子组成共价键，而一个相邻硅原子多余一个价电子。在吸收能量后，这个价电子可以接受其他地方的电子，在形成共价键的同时，在其他地方产生一个空穴。硼原子接受一个电子所需的最小能量，就是它的电离能。 

另一方面，从能带的角度讲，硼原子接受的这个电子，具有一个相对应的局域化能级，这个能级也位于禁带中间，同样是杂质能级。当接受能量时，这个电子会与硅原子的悬挂键结合，在其他地方产生自由空穴，也就是说，接受能量后电子从价带跃迁到杂质能级，在价带中留下一个空穴。因为电子的电离能很小，所以这个杂质能级在禁带之中，而且距离价带顶很近。 

像硼原子一样能够向晶体硅提供空穴作为载流子的杂质，就称为受主杂质，其所引起的杂质能级称为受主能级，一般用Ea来表示。在半导体晶体硅中，Ⅲ族元素硼、铝、镓、铟都是起到提供空穴的作用，是受主杂质。由于它们的电离能很小，所以它们也是浅能级杂质。 

当杂质掺入半导体材料时，除了可以在禁带中引入浅能级杂质外，还能引入深能级杂质。 

如果杂质能级的位置位于禁带中心附近，电离能较大，在室温下，处于这些杂质能级上的杂质一般不电离，对半导体材料的载流子没有贡献，但是它们可以作为电子或空穴的复合中心，影响非平衡少数载流子的寿命，这类杂质称为深能级杂质。 

对于晶体硅而言，金属杂质，特别是过渡金属杂质，基本上都是属于深能级杂质，在硅晶体的禁带中引入深能级，直接影响硅晶体少数载流子的寿命。对硅太阳能光伏电池而言，这些深能级杂质是有害的，会直接影响太阳能光伏电池的光电转换效率。 

对于深能级杂质也要辩证地看，深能级杂质是有害的，但有时它也被人们利用来控制少数载流子的寿命，达到调控器件性能的目的，而变成有利的。如高速开关管及双级型数字逻辑集成电路就是利用掺入深能级杂质金属来控制少数载流子寿命的。