半导体物理课件2.2.ppt

1、2.2 -族化合物中的杂质能级,杂质原子空间分布位置,替位式：杂质原子可能替代族原子或V族原子，如A、B。,1、替位式杂质,2、间隙式杂质,间隙式：杂质原子存在于族原子或V族原子的周围间隙，如C。,替位式杂质,间隙式杂质,杂质原子在砷化镓中的能级及分析,下面将按元素周期表中各族元素的分类，讨论砷化镓中的杂质能级。下图为各元素的能级图：,A、I族元素 银：替位式，受主能级（EV+0.11）eV、（EV+0.238）eV； 金：替位式，受主能级（EV+0.09）eV； 铜：替位式，受主能级（EV+0.14）eV、（EV+0.44）eV； 替位式铜原子对Cu-Cu，受主能级（EV+0.24）eV；

2、间隙式，施主能级（EC-0.07）eV； 锂：间隙式，受主能级（EV+0.023）eV； 钠：施主杂质，但在电场作用下迁移率高、不稳定，一般不作为掺杂剂；,B、族元素,铍(Be)、镁(Mg)、锌(Zn)、镉(Cd)比镓原子少一个价电子，倾向替位取代镓原子，获得一个电子形成饱和共价键，产生浅受主能级。 受主能级分别为：（EV+0.030）eV、（EV+0.030）eV、（EV+0.024）eV、（EV+0.021）eV。,III族、V族元素掺入砷化镓，III族原子取代镓，V族原子取代砷，杂质为电中性态，不在禁带中产生杂质能级。 即一般而言，III族、V族元素掺入不是由其本身形成的III-V族化合

3、物半导体时，III族原子替代III族格点原子，V族原子替代V族格点原子，一般情况下，杂质保持电中性态，杂质没有影响。,C、III族元素和V族元素,磷化镓掺入V族元素氮(N)或铋(Bi)，氮或铋取代磷，并在禁带中产生能级，该能级对导带电子(或价带空穴）有捕获作用，形成等电子杂质效应，该能级称为等电子陷阱。,特例：磷化镓GaP,(1)等电子杂质效应 杂质原子替代格点同族原子（价电子数相同）后，由于原子序数不同，杂质原子的共价半径、电负性与被替位格点原子存在差别，能俘获电子或空穴成为带电中心，这种效应称为等电子效应，杂质称为等电子杂质，形成的带电中心称为等电子陷阱。 研究表明，若等电子杂质电负性大于

4、替代的格点原子电负性，替位后，可俘获导带电子成为负电中心。若等电子杂质电负性小于替代的格点原子电负性，能俘获空穴成为正电中心。,N外围电子构型2s2p3,共价半径0.07nm,电负性3.0 P外围电子构型3s23p3,共价半径0.110nm,电负性2.1,负电中心,Bi外围电子构型6s26p3,共价半径0.146nm,电负性1.9 P外围电子构型3s23p3,共价半径0.110nm,电负性2.1,正电中心,电负性=0.18(电离能+亲和能） 电离能=原子失去一个电子变成正离子所需要从外界得到的能量 亲和能=原子在基态时获得一个电子成为负离子时所释放的能量,等电子陷阱俘获一种载流子（电子或空穴）

5、后成为带电（正电或负电）中心，由于库仑作用，又俘获另一种电荷符号相反的载流子，形成束缚激子。,(2)束缚激子,如在磷化镓中，以锌原子(Zn)替代镓原子(Ga)、氧原子(O)替代磷原子(P)，当这两个杂质原子处于相邻格点时，形成电中性Zn-O络合物，Zn-O络合物能俘获电子带负电，Zn-O络合物称为等电子络合物。,(3)等电子络合物,O电负性=3.5,Zn电负性=Ga电负性=1.6,P电负性=2.1,Zn:二价元素,O:六价元素,D、IV族元素碳、硅、锗、锡、铅,IV族元素是III-V化合物的双性杂质,举例：硅在砷化镓中的掺杂特性,EC-0.002 eV浅施主能级， 硅替代镓产生, 双性杂质能级

6、,EV+0.03 eV浅受主能级， 硅替代砷产生,EC,EV,（EV+0.22）eV， 砷-空位络合物产生,SiGa SiAs络合物,SiGa- VGa络合物, 自补偿效应,VI族元素常常替代-族半导体中V族格点原子。 VI族元素比V族元素多一个价电子而且容易失去，产生施主能级。 工艺上，采用掺碲或硒获得N型砷化镓材料。 在P型砷化镓中掺氧，可获得室温下电阻率高于107cm的半绝缘砷化镓。,E、VI族元素（氧、硫、硒、碲）,在砷化镓中，除钒产生深施主能级（EC -0.22）eV外，铬、锰、铁、钴、镍均产生受主能级，分别为（EV+0.79）eV、（EV +0.095）eV、（EV +0.52）e