我们知道，理想的半导体单晶材料是高完整、高纯的。然而，在半导体晶体的生长过程中，杂质的存在往往是难以避免的。甚至，为了迎合某些特殊的应用需求还会有意地在半导体中掺入一些特定的杂质。根据杂质的来源和对半导体材料性能的影响，可将其分为掺杂杂质和非掺杂杂质两大类。

其中，掺杂杂质 (dopant)，又称为掺杂剂，一般是有意掺入的杂质，用以控制半导体材料的电学性能。根据杂质元素在与Si原子形成共价连接时是导致体系内电子的增加还是空穴的增加，可将掺杂杂质进一步细分为施主(donor，提供多余电子，又叫n型掺杂，如磷、砷、锑等)和受主(acceptor，提供多余空穴，又叫p型掺杂，如硼、铝、镓、铟等)。

非掺杂杂质 (impurity)则是非有意掺入的杂质，可能是原材料自身所含，也可能是在材料生长、加工过程中引入的，这些杂质主要包括氧、碳、以及金属杂质等。

为了更好地控制半导体的性能，我们一般希望能精准控制掺杂杂质的种类、浓度及分布，而尽可能地避免非掺杂杂质的存在，这些目的主要通过相应的掺杂技术和晶体生长技术来实现。

掺杂技术主要包括共熔法和投杂法等。其中共熔法主要是在直拉法制备硅单晶的装料工序中将高纯的固体掺杂剂与多晶硅原料同时放入石英坩埚中。掺杂浓度可通过改变固体掺杂剂所占比例来进行调整。在此过程中，需要让石英坩埚不断旋转以保证掺杂剂在硅熔体中均匀分布。投杂法则是将高纯固体掺杂剂在多晶硅原料熔化之后掺入硅熔体中，这种方法比较适用于一些蒸发系数较大的掺杂剂。

直拉法中硅单晶的生长属于正常凝固过程，其内杂质浓度计算公式为：

Cs=K·C0·((1-g)^(K-1))，C0为熔体中杂质浓度，K为分凝系数，g为凝固分数。

熔体中的杂质浓度C0：C0=1/ [eμρk((1-g)^(-1-k))]，其中，ρ为在晶体g处的电导率。

据此，我们可以计算理论掺杂量，即如果生长w克的直拉硅单晶，所需杂质量m为：

m=C0·w·A/d/N0，其中，A为杂质的摩尔质量，d为杂质密度，N0则为阿佛伽德罗常数。

不过，当掺杂量较小时，容易出现计算误差的情况。这一问题可以通过制备母合金的方式来解决。所谓母合金是指掺杂剂与Si（或其他半导体材料）构成的二元合金，如P-Si，B-Si等。需要注意的是，杂质在母合金及在熔体中的总数保持不变，即：(M合金/d合金)·Cm = (W+M合金)·C0/d，其中，Cm为杂质在母合金中的浓度，M合金为母合金的重量。

考虑到在直拉法制备硅单晶的过程中可能存在坩埚或原材料的污染进而影响掺杂量，可以进一步将M合金写为：

M合金 = (CL2±CL1)·W/Cm

其中：CL1为由于坩埚和原料产生的熔体杂质浓度，CL2为根据电阻率要求所需要的熔体杂质浓度；“+”表示坩埚和原料产生的杂质和掺杂剂不同型号，“-”表示坩埚与原料产生的杂质和掺杂剂同型号。

上述介绍的是掺杂杂质相关的情况，下面我们继续看非掺杂杂质的情况。

首先，是氧元素(oxygen)。这是硅单晶中最重要也是浓度较高的杂质，主要来自于石英坩埚。氧原子主要位于间隙位置，而间隙氧是不具备电学性能的。一般硅单晶中氧浓度大概是10^18 /cm3左右。间隙氧一般是过饱和的，而且在不同的温度范围内其表现出的特性并不相同。如在低温聚集(350℃~850℃)时，氧元素表现为施主杂质；而当在高温聚集下(700℃~1250℃)，其以氧沉淀的形式出现。杂质氧原子的存在可以增加半导体的机械强度、去除金属杂质。不过也有可能导致微缺陷的发生。

碳(carbon)：这是对半导体晶体性质最不利的杂质。其主要来自于石墨加热器。碳原子在半导体晶体中主要以替位(置换)原子的形式存在。替位碳没有电学性能，它们在半导体中的浓度一般为10^16 /cm3左右。在早期的直拉硅单晶中，碳一般是过饱和的，现在已可将其浓度控制在10^16 /cm3以下。此外，晶体内碳元素的存在会促进其内的氧施主或氧沉淀。碳元素杂质也可能导致半导体材料内出现微缺陷。

金属杂质：主要为过渡族金属，大部分金属杂质处于间隙状态，杂质浓度一般在10^10 ~10^15 /cm3范围内。这些金属杂质的扩散速度很快，会在半导体晶体内形成沉淀或复合体。多数都会引入深能级中心，是少数载流子的杀手。最好在生产半导体单晶体的过程中避免这类杂质的产生。

氧、碳、氢、氮等杂质也被称为轻元素杂质，其中，氧、碳元素杂质一般不愿被看到出现在硅单晶中，但是由于氢、氮等杂质在半导体晶体内会呈现出一些特殊作用，反而会被特意加入到半导体单晶内。

氢元素(hydrogen)：一般是人为故意加入的，会与半导体晶体形成复合体，没有电学性能，杂质浓度一般在10^14 /cm3左右。氢钝化是半导体材料中氢元素杂质的一个重要特性，即氢易和金属杂质以及缺陷作用，出现于金属原子、位错、晶界的悬挂键处。

氮(nitrogen)：也是人为故意加入的。加入后形成双原子氮结构，没有电学性能，杂质浓度一般在10^14 /cm3左右。氮会和氧反应形成氮氧复合体，但是由于氮的浓度较低，一般对半导体整体性能的影响不大。此外，氮原子的存在可以增加半导体晶体的机械强度，同时抑制微缺陷的产生。不过，氮元素的浓度控制相对较难。

总的来说，无论是掺杂杂质还是非掺杂杂质，都会对半导体晶体的性能产生一定的影响。因此，为了有效控制所制备的半导体晶体的各种特性，既需要深入了解不同杂质元素的具体作用效果，也需要掌握控制半导体晶体内不同杂质元素浓度的工艺方法。