PN结不掺正六价元素(如硫、硒等)的核心原因在于:这类元素会破坏半导体晶格稳定性、引入深能级缺陷、且与硅/锗的价电子不匹配,导致载流子复合激增,彻底劣化PN结的单向导电性。
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晶格匹配原则
硅/锗半导体采用四价元素(磷、硼等)进行掺杂,因其原子半径与硅相近,能无缝替代晶格位置。正六价元素原子半径过大,强行掺杂会扭曲晶格,产生应力裂纹,直接降低材料机械强度与电学性能。 -
能带结构冲突
正六价元素外层多出2个电子,远超硅的4价需求。过剩电子会形成深能级陷阱(如硫在硅中引入Ec-0.18eV能级),非辐射复合中心数量暴增,少数载流子寿命骤降至纳秒级,PN结反向漏电流可升高3个数量级。 -
工艺兼容性缺陷
六价元素化学活性极高(如硒在高温下易与硅形成不稳定化合物),在退火/扩散工艺中难以控制浓度分布。对比之下,三/五价元素扩散系数稳定,可通过离子注入精准调控结深。
简言之,正六价元素是PN结的“性能毒药”,从原子结构到器件功能均存在根本性排斥。现代半导体工业严格限定掺杂剂为Ⅲ/Ⅴ族元素,本质是平衡电学特性与量产可行性的必然选择。