半导体物理课件2.2

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1、2.2Ⅲ-Ⅴ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Ⅲ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Ⅲ族原子或V族原子的周围间隙，如C。Ⅲ族原子（V族原子）V族原子（Ⅲ族原子）T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锂铜银金铍镁锌镉铬碳硅锗锡铅锰铁钴镍钒碲硒硫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、

2、（EV+0.44）eV；替位式铜原子对Cu-Cu，受主能级（EV+0.24）eV；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、Ⅱ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

3、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

4、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。GaPGaGaGaN取代Ｐ,捕获电子成负电中心N外围电子构型2s2２p3,共价半径0.07nm,电负性3.0P外围电子构型3s23p3,共价半径0.110nm,电负性2.1ECEV0.008eV负电中心PGaGaGaGaBi取代Ｐ,捕获空穴成正电中心ECEV0.038eVBi外围电子构型6s26p3,共价半径0.146nm,电负性1.9P外围电子构型3s

5、23p3,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）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PGaGaGaG

6、aO替代ＰZn替代GaO电负性=3.5Zn电负性=Ga电负性=1.6P电负性=2.1Zn:二价元素O:六价元素D、IV族元素碳、硅、锗、锡、铅PGaGaGaGaIV族元素替代ＰIV族元素替代GaIV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-0.002eV浅施主能级，硅替代镓产生①双性杂质能级(SiGa–SiAs)或(SiGa-VGa)络合物产生（EV+0.10）eVEV+0.03eV浅受主能级，硅替代砷产生ECEV（EV+0.22）eV，砷-空位络合物产生GaAsGaGaGaSi替代GaSiGaSi替代AsSiAsSiGa–SiAs络合物SiGa-

7、VGa络合物GaAsGaGaSi替代GaSiGaVGa导带电子浓度101810191020硅原子浓度(cm-3)101710181019②自补偿效应VI族元素常常替代Ⅲ-Ⅴ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107Ωcm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、（