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半导体开放世界

掺杂

Doping也称 dopant、施主受主

把特定杂质置入半导体并使其电活化，以可控改变费米能级、平衡载流子浓度和空间电荷。

基础主路径「从硅到芯片」第 3 站出处 4 本教材
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速览

约 1 分钟

有意引入施主或受主杂质，把本征半导体变成 n 型或 p 型，从而可控地改变多数载流子类型与浓度。

系统理解

约 2 分钟

施主杂质在导带附近提供电子，受主在价带附近接受电子（等效提供空穴）。当掺杂浓度远高于本征浓度时，费米能级相对能带移动，电导率主要由掺杂决定。器件中的阱、源漏、沟道与埋层，本质上都是空间上图案化的掺杂分布；现代工艺主要用离子注入实现精确剂量与深度控制，再用退火激活。

从材料进入器件的关键转折点。

关键参数

关键参数
参数单位含义
剂量cm⁻²单位面积注入的杂质原子数
结深nm–µm杂质分布的特征深度

常见误区

  • 掺杂越多性能一定越好
  • 忽略激活率与损伤修复

工程深入

12 条结论

掺杂如何改变材料

机制

浅施主和浅受主改变多数载流子

在硅中，常见浅施主电离后向导带提供电子并留下固定正离子，浅受主接受价带电子后产生空穴并留下固定负离子，从而形成 n 型或 p 型导电。12

成立条件 以硅中的常见浅能级替位杂质为例；杂质角色取决于宿主材料和占据晶格位置，不能只按元素族机械判断

载流子浓度 影响：电离杂质通过电中性条件改变平衡电子与空穴浓度。
定义

掺杂的目标是改变电子统计而非简单混入元素

电活性掺杂通过在禁带附近引入可占据的杂质相关能级，改变费米能级和热平衡自由载流子浓度；材料仍保持半导体能带体系，而不是变成普通金属混合物。13

成立条件 杂质需进入合适晶格位置并被电激活；高浓度下杂质能级展宽和能带修正可能使孤立杂质模型失效

机制

浅能级使室温电离成为可能

浅施主能级靠近导带、浅受主能级靠近价带，因此所需电离能远小于禁带宽度；常温热激发可产生大量导带电子或价带空穴。12

成立条件 浅杂质、相应温度范围；深能级更常表现为陷阱或复合中心，不能直接套用浅杂质近似

杂质电离与电中性

边界

掺杂浓度不总等于自由载流子浓度

只有在杂质近似完全电离、补偿可忽略且满足相应统计近似时，主要自由载流子浓度才可近似等于净掺杂浓度。12

成立条件 低温可能出现杂质冻结；施主与受主共存会发生补偿；重掺杂时可能进入简并统计并伴随迁移率下降

公式

掺杂半导体必须满足总电荷守恒

任一点的自由电子、空穴、离化施主和离化受主共同满足电中性；固定离子不能从方程中省略。13

p + Nᴅ⁺ = n + Nᴀ⁻

Nᴅ⁺
离化施主浓度，单位 cm⁻³
Nᴀ⁻
离化受主浓度，单位 cm⁻³

成立条件 宏观准中性体区；耗尽层等空间电荷区需要改用泊松方程描述局部净电荷

补偿、冻结与简并

机制

施主与受主共存时发生补偿

同一材料中施主和受主会先在电荷平衡上相互补偿，完全电离近似下多数载流子量级由二者之差而非二者之一决定。13

n≈Nᴅ−Nᴀ（n型）；p≈Nᴀ−Nᴅ（p型）

n, p
电子、空穴浓度，单位 cm⁻³
Nᴅ, Nᴀ
已电离施主、受主浓度，单位 cm⁻³

成立条件 浅杂质且近似完全电离；空间非均匀时应使用局部净掺杂分布

边界

温度划分冻结、杂质主导和本征三个区间

低温下杂质未充分电离而冻结；中间温区多数载流子由净掺杂主导；高温下带间热激发迅速增加并最终压过掺杂贡献。13

成立条件 转变温度随材料带隙、杂质电离能和浓度变化；三个区间不是固定温度表

边界

重掺杂会同时改变统计与输运

当费米能级接近或进入能带时，玻尔兹曼近似失效；杂质波函数重叠、带隙收窄和离化杂质散射还会使浓度与迁移率不再按稀掺杂模型变化。3

成立条件 简并阈值依材料、温度和有效状态密度而异；精确计算需费米积分及经验或量子修正

迁移率 影响：重掺杂增加可用载流子，也增强杂质散射并降低迁移率。

工艺实现与空间分布

机制

掺入、激活和最终剖面是三个不同问题

工艺剂量只说明引入多少杂质；退火后占据电活性位置的比例决定激活，扩散、偏析和损伤修复共同决定最终空间浓度剖面。13

成立条件 工艺方法可以是离子注入、热扩散或外延原位掺杂；化学浓度、电活性浓度与自由载流子浓度应分别测量和建模

离子注入 用于：离子注入控制剂量与初始深度，退火完成激活并重塑剖面。
关联

掺杂梯度会建立内建电场和结

当净掺杂随位置变化或由p型跨到n型时，载流子重新分布并留下固定空间电荷，最终由扩散趋势与内建电场共同建立平衡。14

成立条件 热平衡时总电流为零，不代表漂移和扩散各自为零；突变结只是实际连续剖面的理想化

PN结 后续：空间变化的p、n型掺杂建立PN结与耗尽层。

性能权衡与模型边界

关联

掺杂同时调节电阻、耗尽宽度和击穿

提高净掺杂通常增加多数载流子并缩小耗尽宽度，但也会降低迁移率、增强高场和隧穿概率，因此导通电阻、结电容、漏电与击穿之间存在系统权衡。13

成立条件 趋势需结合结几何、材料和掺杂剖面；不能由单一浓度指标判断器件优劣

边界

施主与受主身份依赖宿主和晶格位置

“价电子多一个就是施主、少一个就是受主”只适合作为特定替位浅杂质的入门图像；同一元素在不同宿主、晶格位置或缺陷复合体中可能呈现不同甚至多个电荷态。12

成立条件 判断应依据缺陷形成能和电荷转变能级；网站示例默认以硅常见浅杂质为主

出处

4 本教材 · 13 处引用
  1. 1
  2. 2

    半导体物理学（第8版）

    刘恩科、朱秉升、罗晋生

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  3. 3
  4. 4

    The Physics of Semiconductors

    Marius Grundmann

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