第1章半導(dǎo)體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)2011

1、2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平1第一章 半導(dǎo)體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu) 1.1 半導(dǎo)體的原子結(jié)合與晶體結(jié)構(gòu)1.2 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶1.3 半導(dǎo)體中載流子的有效質(zhì)量 1.4 半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級1.5 典型半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)1.6 半導(dǎo)體能帶工程概要2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平2第一章 半導(dǎo)體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu) 1.1 半導(dǎo)體的原子結(jié)合與晶體結(jié)構(gòu)1.2 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶1.3 半導(dǎo)體中載流子的有效質(zhì)量 1.4 半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級1.5 典型半導(dǎo)體的能

2、帶結(jié)構(gòu)1.6 半導(dǎo)體能帶工程概要2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平32022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平4原子以何種方式結(jié)合成固體，完全決定于其得到或失去原子以何種方式結(jié)合成固體，完全決定于其得到或失去電子的能力，即電負(fù)性（電子的能力，即電負(fù)性（electronegativity）。）。 2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平52 2、元素的電負(fù)性及其變化規(guī)律、元素的電負(fù)性及其變化規(guī)律 Li 1.0 Be 1.5 B 2.0 C

3、 2.5 N 3.0 O 3.5 F 4.0Ne 4.44 Na 0.9 Mg 1.2 Al 1.5 Si 1.8 P 2.1 S 2.5 Cl 3.0Ar 3.46 Cu 1.9 Zn 1.6 Ga 1.6 Ge 1.8 As 2.0 Se 2.4 Br 2.8Kr 3.24 Ag 1.9 Cd 1.7 In 1.7 Sn 1.8 Sb 1.9 Te 2.1 I 2.3Xe 3.02 Au 2.4 Hg 1.9 Tl 1.8 Pb 1.8 Bi 1.9 Rn 3.0He 3.58H 2.10 Na 0.72 Mg 0.95 Al 1.18 Si 1.41 P 1.64S 1.87Cl 2.1

4、 Cu 0.79 Zn 0.91 Ga 1.13 Ge 1.35 As 1.57Se 1.79Br 2.01 Ag 0.57 Cd 0.83 In 0.99 Sn 1.15 Sb 1.31Te 1.47 I 1.63 Au 0.64 Hg 0.79 Tl 0.94 Pb 1.09 Bi 1.24 2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平6就同種元素原子的結(jié)合而言，電負(fù)性小按金屬鍵結(jié)合，電負(fù)性就同種元素原子的結(jié)合而言，電負(fù)性小按金屬鍵結(jié)合，電負(fù)性大按分子鍵結(jié)合，電負(fù)性中按共價鍵結(jié)合（其中共價鍵數(shù)目較大按分子鍵結(jié)合，電負(fù)性中按共價鍵結(jié)合（其中共價

5、鍵數(shù)目較少者還須依靠范德瓦爾斯力實現(xiàn)三維的結(jié)合）。少者還須依靠范德瓦爾斯力實現(xiàn)三維的結(jié)合）。就化合物的結(jié)合而言，電負(fù)性差別較大的兩種元素傾向于離子就化合物的結(jié)合而言，電負(fù)性差別較大的兩種元素傾向于離子鍵結(jié)合；電負(fù)性差別不大的兩種元素傾向于共價鍵結(jié)合，但公鍵結(jié)合；電負(fù)性差別不大的兩種元素傾向于共價鍵結(jié)合，但公有電子向電負(fù)性較強的一邊傾斜，因而具有一定的離子性，形有電子向電負(fù)性較強的一邊傾斜，因而具有一定的離子性，形成混合鍵。構(gòu)成混合鍵的兩種元素的電負(fù)性差別越大，其離子成混合鍵。構(gòu)成混合鍵的兩種元素的電負(fù)性差別越大，其離子性越強。性越強。 2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系

6、馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平72022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平83、正四面體結(jié)構(gòu)（、正四面體結(jié)構(gòu)（Tetrahedron） 原子的四配位密排方式；原子的四配位密排方式；4個鍵角相等，皆為個鍵角相等，皆為10928 。2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平9三、金剛石（三、金剛石（Diamond）結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu)金剛石金剛石2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平10晶格結(jié)構(gòu)金金剛剛石石結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)閃鋅礦閃鋅礦型型結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)NaClNaC

7、l型型結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)石墨石墨結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)纖鋅礦纖鋅礦型型結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)CsClCsCl型型結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平112022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平122022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平13閃鋅礦型晶體結(jié)構(gòu)和混合鍵材料材料: -族和-族二元化合物半導(dǎo)體 例: ZnS、ZnSe、GaAs、GaP化學(xué)鍵化學(xué)鍵: 共價鍵+離子鍵 (共價鍵占優(yōu)勢） 極性半導(dǎo)體極性半導(dǎo)體2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程

8、系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平142022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平152022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平162022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平172022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平182022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平19第一章 半導(dǎo)體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu) 1.1 半導(dǎo)體的原子結(jié)合與晶體結(jié)構(gòu)1.2 半

9、導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶1.3 半導(dǎo)體中載流子的有效質(zhì)量 1.4 半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級1.5 典型半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)1.6 半導(dǎo)體能帶工程概要2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平201.2 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶一 原子的能級和晶體的能帶二 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶三導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的能帶2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平21常用原子的電子結(jié)構(gòu)一 原子的能級和晶體的能帶2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平22原子外圍價電

10、子原子外圍價電子SiBPSiliconTetravalent (四價四價)BoronTrivalent (三價三價)“Acceptor”PhosphorusPentavalent (五價五價)“Donor”2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平232022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平241 原子的能級和晶體的能帶n = 3n = 2 原子能級原子能級 能帶能帶2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平25Solid of N atoms

11、Two atomsSix atomsElectrons must occupy different energies due to Pauli Exclusion principle.原子中電子能級的形成和晶體的能帶2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平26理論基礎(chǔ):2 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶-能帶論Schrodinger 方程周期性勢場近似-Bloch 波 電子在周期性勢場中運動,其波函數(shù)具有Bloch 波形式:(x)=uk(x+na)ei2kx xExxVdxxdm22222022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍

12、平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平27kp2k1khkp 2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平282022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平29K-P模型 E(k)-k關(guān)系2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平30三 導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的能帶2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平31導(dǎo)帶、價帶；空帶、滿帶導(dǎo)帶:具有空的能級,可以起導(dǎo)電作用的能帶.導(dǎo)帶上的本征激發(fā)電子很少，本征時可以認(rèn)為

13、是空帶。雜質(zhì)半導(dǎo)體導(dǎo)帶上的電子來源于施主雜質(zhì)的電離。價帶:已被價電子占滿的能帶稱為價帶。價帶上的本征激發(fā)空穴很少，本征時可以認(rèn)為是滿帶(電子填滿)。雜質(zhì)半導(dǎo)體價帶上的空穴來源于受主雜質(zhì)的電離。2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平32第一章 半導(dǎo)體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu) 1.1 半導(dǎo)體的原子結(jié)合與晶體結(jié)構(gòu)1.2 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶1.3 半導(dǎo)體中載流子的有效質(zhì)量 1.4 半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級1.5 典型半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)1.6 半導(dǎo)體能帶工程概要2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍

14、平331.3 半導(dǎo)體中載流子的有效質(zhì)量 一 半導(dǎo)體能帶極值附近的 E(k)函數(shù)與k的關(guān)系二 導(dǎo)電電子和空穴的有效質(zhì)量三 三維K空間的等能面四 回旋共振2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平34一、半導(dǎo)體中極值附近E(k)與k的關(guān)系一維一維E(k)函數(shù)極值附近的函數(shù)極值附近的Ek關(guān)系關(guān)系:在能帶(導(dǎo)帶)底部和(價帶) 頂部附近,將E(k)進行泰勒展開.設(shè)能帶底位于k=0,將E(k)在在 k=0附近進行泰勒展開: 2022021)0()(kdkEdkdkdEEkEkk對于給定的半導(dǎo)體,此為定值在在 K=0附近,此值為0022211kndkEdm

15、nkkmkkdkEdkdkEdEkE22121)0()(222202222022稱稱mn*為周期勢場中電子處于為周期勢場中電子處于E(k)極值附近極值附近時的有效質(zhì)量時的有效質(zhì)量,對極小值，二階導(dǎo)數(shù)對極小值，二階導(dǎo)數(shù)0，所以導(dǎo)帶底附近電子所以導(dǎo)帶底附近電子 mn*為正為正2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平35二、導(dǎo)電電子和空穴的有效質(zhì)量 nkkmkkdkEdkdkEdEkE22121)0()(2222022220220110222kndkEdm同樣,若能帶頂位于k=0,將E(k)E(k)在在 k=0附近進行泰勒展開:能帶頂電子有效質(zhì)量m

16、n*對于能帶（價帶）頂，二階導(dǎo)數(shù)對于能帶（價帶）頂，二階導(dǎo)數(shù)0，所以，所以價帶頂價帶頂附近電子附近電子 mn*為負(fù)為負(fù)2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平36空穴的有效質(zhì)量空穴的有效質(zhì)量nnmEqmfdtkdva)(*pnmEqmEqa在外力在外力 f 的作用下，的作用下，價帶頂價帶頂附近電子的加速度可記為附近電子的加速度可記為 于是該式改寫為于是該式改寫為 式中式中稱為稱為的有效質(zhì)量。的有效質(zhì)量。對極大值，對極大值，(d2E/dk2)0，所以價帶頂附近電子，所以價帶頂附近電子 mn*為負(fù)；為負(fù)； 022211kVpdkkEdm式中式中2

17、022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平37有效質(zhì)量的意義分別代表導(dǎo)帶底和價帶頂?shù)那?，反映能量大小對分別代表導(dǎo)帶底和價帶頂?shù)那剩从衬芰看笮恿孔兓拿舾谐潭葎恿孔兓拿舾谐潭入娮拥募铀俣仁前雽?dǎo)體內(nèi)部勢場和外電場作用的綜合效果。因此,有效質(zhì)量概括了半導(dǎo)體內(nèi)部勢場的作用,直接把外力F和電子的加速度聯(lián)系起來,使得在解決半導(dǎo)體中電子在外力作用下的運動規(guī)律時可以不涉及半導(dǎo)體內(nèi)部勢場的具體形式。有效質(zhì)量可以由實驗測定,方便的解決了電子運動的規(guī)律。2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平38三、三維

18、K空間的等能面K空間與布里淵區(qū)的概念2222zyxkkkk：布里淵區(qū)中心； L：布里淵區(qū)邊界與（111）軸的交點； X：布里淵區(qū)邊界與（100）軸的交點；：布里淵區(qū)邊界與（110）軸的交點。2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平39zzzyyyxxxmkkmkkmkkkEkE202020202)()(022211kxxkEm1)(2)(2)(2220220220czzzcyyycxxxEEmkkEEmkkEEmkk022211kyykEm022211kzzkEm仍將仍將E(k)函數(shù)在函數(shù)在k0附近泰勒展開，直接用附近泰勒展開，直接用mx*，

19、my*， mz*分分別表示電子沿別表示電子沿kx，ky，kz方向的有效質(zhì)量，其值滿足方向的有效質(zhì)量，其值滿足令令E(k0)=EC，表示導(dǎo)帶底的能量，上式可改寫成表示導(dǎo)帶底的能量，上式可改寫成2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平40設(shè)極值位于設(shè)極值位于100方向某點方向某點(k0 x, 0, 0)，則等能面方程變?yōu)?，則等能面方程變?yōu)樘厥鈽O值點附近的旋轉(zhuǎn)橢球面特殊極值點附近的旋轉(zhuǎn)橢球面 ml 和和mt 分別是導(dǎo)帶底電子的有效質(zhì)量分別是導(dǎo)帶底電子的有效質(zhì)量沿沿100方向的分量（縱有效質(zhì)量）和垂方向的分量（縱有效質(zhì)量）和垂直于直于100方向的分量

20、（橫有效質(zhì)量）方向的分量（橫有效質(zhì)量） 22220( )2yzxxCltkkkkE kEmm由于晶體的對稱性，k0 在k 空間可能有若干個對稱的等價點 2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平41設(shè)導(dǎo)帶底位于布里淵區(qū)中心設(shè)導(dǎo)帶底位于布里淵區(qū)中心, 即即k0, 其能量其能量E(0)EC, 且且mx*my*mz*mn*，即有效質(zhì)量各向同性，則導(dǎo)帶底，即有效質(zhì)量各向同性，則導(dǎo)帶底附近的等能面方程變?yōu)楦浇牡饶苊娣匠套優(yōu)?222*( )2CxyznE kEkkkm222*12 ( )xyknCkkkm E kE 這是一個球面方程，其半徑這是一個球面方

21、程，其半徑即在這種特殊情況下，波數(shù)相等的狀態(tài)能量相等。即在這種特殊情況下，波數(shù)相等的狀態(tài)能量相等。 2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平42四、回旋共振實驗 將一快半導(dǎo)體樣品置于均勻恒定的磁場中，再以高頻電磁波通過樣品，改變交變電磁場的頻率，測出共振吸收峰。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)磁場強度相對于晶軸有不 同的取向時，可以得到為數(shù)不等的共振吸收峰個數(shù)?；匦舱駥嶒炇状螠y定了載流子的有效質(zhì)量2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平43電子運動方程在磁場強度B作用下，以速度V運動的載流子受到的洛倫茲力

22、為：運動軌跡為一螺旋線，圓周運動的回轉(zhuǎn)頻率c為：考慮到各向異性，設(shè) B 沿波矢 kx、ky、kz軸的方向余弦分別為、，則電子運動的方程分別為：BvqfncmqByxzzxzyyzyxxvvqBdtdvmvvqBdtdvmvvqBdtdvmtiwzztiwyytiwxxcccevvevvevv2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平44共振吸收頻率000zcyzxzzyycxyzxyxxcviwvmqBvmqBvmqBviwvmqBvmqBvmqBviw0czzycyxxciwmqBmqBmqBiwmqBmqBmqBiwncmqBzyxzyxn

23、mmmmmmm2221利用共振吸收的方法測出回旋頻率利用共振吸收的方法測出回旋頻率C，對已知磁感應(yīng)強度，對已知磁感應(yīng)強度B,即可由此式算出有效質(zhì)量即可由此式算出有效質(zhì)量mn*。2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平45kxky(100)(001)(010)kz(111)B若B沿(111)方向， 有一個共振吸收峰若B沿(110)方向， 有二個共振吸收峰若B沿(100)方向， 有二個共振吸收峰若B沿任意方向， 有三個共振吸收峰ncmqBzyxzyxnmmmmmmm22212022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大

24、學(xué)電子工程系馬劍平46(001)方向的旋轉(zhuǎn)橢球等能面llttzyxzyxnmmmmmmmmmmm22222cossin11ltmkmkkhkEkE232221202)()(由于對稱性，kx、ky方向有效質(zhì)量相同，記為mt，kz方向有效質(zhì)量記為ml，分別稱為橫向和縱向有效質(zhì)量。則等能面方程為：001BK0Kx100Ky010kz以(001)方向的旋轉(zhuǎn)橢球等能面為例。選取kz軸沿(001)方向，磁場B與kz組成一個平面，在此平面內(nèi)選取kx垂直于kz 軸，該面的法向作為ky。B與kz的夾角為2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平47硅導(dǎo)帶極值在(

25、100)軸及相應(yīng)的對稱方向上B方向kz方向100010001001cos2110000sin2001111110cos2001/21/200sin2111/21/211111cos21/31/31/31/31/31/3sin22/32/32/32/32/32/3llttnmmmmm22cossin選取(100)軸及相應(yīng)的對稱方向(共6個)依次作為kz方向，磁場B與各個kz組成平面。001010100kz2個2個1個1000010102022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平48硅導(dǎo)帶極值在(110)軸及相應(yīng)的對稱方向上B方向kz方向100-10

26、000100-10100-10001cos2010sin2101010cos2101sin2010111cos21/210sin21/201選取選取(110)軸及相應(yīng)的對稱方向依次作為kz方向，磁場B與各個kz組成平面。kx在磁場B與kz組成的平面內(nèi)且垂直于kz 軸,ky垂直于該平面.B與kz之間的夾角為110kz0011000102022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平49鍺導(dǎo)帶極值在(111)軸及相應(yīng)的對稱方向上B方向kz111-1-1-11-11-11-111-1-1-11111cos2100sin2011110cos22/31/32/

27、3sin21/32/31/3100cos21/31/31/3sin22/32/32/3kz001111100010依次選取(111)軸及相應(yīng)的對稱方向作為kz方向，磁場B與各個kz組成平面。2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平50Ge、Si 和GaAs中載流子的有效質(zhì)量2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平51第一章 半導(dǎo)體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu) 1.1 半導(dǎo)體的原子結(jié)合與晶體結(jié)構(gòu)1.2 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶1.3 半導(dǎo)體中載流子的有效質(zhì)量 1.4 半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級1.5 典

28、型半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)1.6 半導(dǎo)體能帶工程概要2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平521.4 半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級一、半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷的施、受主作用一、半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷的施、受主作用二、典型半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級二、典型半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平53一、半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷的施、受主作用一、半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷的施、受主作用1、真實晶體及其禁帶中的允許能級、真實晶體及其禁帶中的允許能級 1）、雜質(zhì)存在的可能性 2）、雜質(zhì)類型 3）、雜質(zhì)能級2、多

29、重電離雜質(zhì)的作用及其能級、多重電離雜質(zhì)的作用及其能級 3、兩性雜質(zhì)及其能級、兩性雜質(zhì)及其能級2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平54實際應(yīng)用中，半導(dǎo)體內(nèi)載流子實際應(yīng)用中，半導(dǎo)體內(nèi)載流子(carriers, 電子和空穴電子和空穴)的的數(shù)量數(shù)量(密度密度 density)、活動力、活動力(遷移率遷移率 mobility)以及在以及在非熱平衡條件下產(chǎn)生的額外載流子非熱平衡條件下產(chǎn)生的額外載流子(excess carriers)壽壽命命 (lifetime) 主要受雜質(zhì)或缺陷的控制。主要受雜質(zhì)或缺陷的控制。一、一、 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷的施、受主作

30、用半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷的施、受主作用決定熱平衡狀態(tài)下的載流子密度決定熱平衡狀態(tài)下的載流子密度 施、受主作用；施、受主作用；決定遷移率的高低決定遷移率的高低散射作用；散射作用；決定額外載流子的壽命決定額外載流子的壽命 復(fù)合作用。復(fù)合作用。2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平552、真實晶體及其禁帶中的允許能級、真實晶體及其禁帶中的允許能級1）、雜質(zhì)存在的可能性（1）晶格的原子占空比）晶格的原子占空比 34. 0163338348333rr（金剛石結(jié)構(gòu)和閃鋅礦結(jié)構(gòu)）（金剛石結(jié)構(gòu)和閃鋅礦結(jié)構(gòu)）3/8ra 2022-3-212022-3-21西安理

31、工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平56間隙與空位為雜質(zhì)原子的進入和存在提供了兩種位置，間隙與空位為雜質(zhì)原子的進入和存在提供了兩種位置，并為雜質(zhì)在半導(dǎo)體中的擴散提供了有效的途徑。并為雜質(zhì)在半導(dǎo)體中的擴散提供了有效的途徑。（2）晶格中的間隙（）晶格中的間隙（Interstice） 四面體間隙四面體間隙 T（Tetrahedral） 六角錐間隙六角錐間隙 H（Hexangular）（3）晶格中的空位）晶格中的空位 （Vacancy） 2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平572、雜質(zhì)類型、雜質(zhì)類型2 2）施主（）施主（DonorD

32、onor）雜質(zhì)）雜質(zhì) 比晶格主體原子多一個價電子的替位式雜質(zhì)。它們在適當(dāng)比晶格主體原子多一個價電子的替位式雜質(zhì)。它們在適當(dāng)?shù)臏囟认履軌蜥尫哦嘤嗟膬r電子而在半導(dǎo)體中產(chǎn)生非本征自由的溫度下能夠釋放多余的價電子而在半導(dǎo)體中產(chǎn)生非本征自由電子并使自身電離。電子并使自身電離。 3 3）受主（）受主（accepteraccepter）雜質(zhì)）雜質(zhì) 比晶格主體原子少一個價電子的替位式雜質(zhì)。它們在適當(dāng)比晶格主體原子少一個價電子的替位式雜質(zhì)。它們在適當(dāng)?shù)臏囟认履軌蛳騼r帶釋放空穴而在半導(dǎo)體中產(chǎn)生非本征自由空的溫度下能夠向價帶釋放空穴而在半導(dǎo)體中產(chǎn)生非本征自由空穴并使自身電離。穴并使自身電離。 當(dāng)主體晶格給外來原子提

33、供的是一個過配位環(huán)境時，外來當(dāng)主體晶格給外來原子提供的是一個過配位環(huán)境時，外來原子的價電子數(shù)必不符合環(huán)境對共價電子數(shù)的要求。原子的價電子數(shù)必不符合環(huán)境對共價電子數(shù)的要求。2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平581）、施主）、施主Donor和和受主受主Acceptor施主：摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中 提供 導(dǎo)電的電子，并成為帶正電的離子。如Si中摻的P , As, Sb 受主：摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體 中提供導(dǎo)電的空穴,并成為帶負(fù)電的離子.如 Si中摻的Al, B, Ga, In 施主和受主濃度施主和受主濃度ND、NA2022-3-

34、212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平59雜質(zhì)電離：電子脫離雜質(zhì)原子的束縛成為導(dǎo)電電子的過程稱為雜質(zhì)電離,所需能量為雜質(zhì)電離能E。施主電離：施主雜質(zhì)釋放電子的過程稱為施主電離，對應(yīng)的電離能稱為施主電離能ED。受主電離：空穴掙脫受主雜質(zhì)束縛的過程稱為受主電離，對應(yīng)的電離能稱為受主電離能EA。雜質(zhì)的電離2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平602） 施主雜質(zhì) 施主能級晶體雜質(zhì)(Ed)PAsSbSi0.O440.0490.036Ge0.012 60.012 70.009 62022-3-212022-3-2

35、1西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平613） 受主雜質(zhì) 受主能級晶體雜質(zhì)(Ea)BAlGaInSi0.O45eV0.057eV0.065eV0.16eVGe0.01eV0.01eV0.011eV0.011eV2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平62雜質(zhì)能級的表示在施主能級ED上畫一小黑點，表示被施主雜質(zhì)束縛的電子，這時施主雜質(zhì)處于束縛態(tài)。當(dāng)電子得到能量ED后，就從施主的束縛態(tài)躍遷到導(dǎo)帶成為導(dǎo)電電子，在導(dǎo)帶中以小黑點表示進入導(dǎo)帶中的導(dǎo)電電子；施主能級處畫的 符號表示施主雜質(zhì)電離以后帶正電荷。在受主能級EA上畫一小圓圈，

36、表示被受主雜質(zhì)束縛的空穴，這時受主雜質(zhì)處于束縛態(tài)。當(dāng)空穴得到能量EA后，就從受主的束縛態(tài)躍遷到價帶成為導(dǎo)電空穴，在價帶中以小圓圈表示進入價帶中的導(dǎo)電空穴；受主能級處畫的 符號表示受主雜質(zhì)電離以后帶負(fù)電荷。2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平633、雜質(zhì)能級、雜質(zhì)能級1）類氫模型淺能級雜質(zhì)電離能的簡單計算鍺、硅的相對介電常數(shù)鍺、硅的相對介電常數(shù)r分別為分別為16和和12，因此，雜質(zhì)在鍺、硅晶體中的電離，因此，雜質(zhì)在鍺、硅晶體中的電離能分別為能分別為0.05 m*/ m0和和0.1 m*/ m0。因為。因為m*/ m0一般小于一般小于l，所以

37、，鍺、硅中，所以，鍺、硅中的雜質(zhì)電離能一般小于的雜質(zhì)電離能一般小于0.05eV和和0.1eV。 , 3 , 2 , 18222040nnhqmEneVE6 .131eVEEE6 .1310)(6 .13820200222204eVmmEmmnhqmErnrnrnD)(6 .13820200222204eVmmEmmnhqmErprprpA雜質(zhì)電離能雜質(zhì)電離能2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平642）施主能級和受主能級3）n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體 n 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體價價 帶帶導(dǎo)導(dǎo) 帶帶施主能級施主能級ED價價 帶帶導(dǎo)導(dǎo) 帶帶 受主能級受主

38、能級EAp 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體n型型: 含有一定濃度施主雜質(zhì)含有一定濃度施主雜質(zhì), 主要依靠電子導(dǎo)電；主要依靠電子導(dǎo)電；p型型: 含有一定濃度受主雜質(zhì)含有一定濃度受主雜質(zhì), 主要依靠空穴導(dǎo)電。主要依靠空穴導(dǎo)電。2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平65 II族雜質(zhì)在金剛石結(jié)構(gòu)中的行為與族雜質(zhì)在金剛石結(jié)構(gòu)中的行為與I族元素雜質(zhì)類似，一般族元素雜質(zhì)類似，一般會產(chǎn)生兩條深受主能級和一條深施主能級。會產(chǎn)生兩條深受主能級和一條深施主能級。 深能級概念深能級概念VI族雜質(zhì)在金剛石結(jié)構(gòu)中的行為與族雜質(zhì)在金剛石結(jié)構(gòu)中的行為與V族雜質(zhì)類似，可順族雜質(zhì)類似，可順

39、次釋放多余的兩個價電子，只起施主作用，但兩條施主次釋放多余的兩個價電子，只起施主作用，但兩條施主能級都是深能級。能級都是深能級。 2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平66三、兩性雜質(zhì)及其能級三、兩性雜質(zhì)及其能級 特點：同樣環(huán)境下既可為施主，也可是受主，但施主能級位于受主能級之下，因為對這種雜質(zhì)而言，接受一個電子是比釋放一個電子更高的能量狀態(tài)。 化合物半導(dǎo)體中特有的雜質(zhì)行為。在這種情況下，雜質(zhì)化合物半導(dǎo)體中特有的雜質(zhì)行為。在這種情況下，雜質(zhì)的作用與的作用與III族和族和V族雜質(zhì)原子在族雜質(zhì)原子在VI族元素半導(dǎo)體中的行為族元素半導(dǎo)體中的行為相

40、似，而與上述同位異性雙性原子所受到的約束不同，相似，而與上述同位異性雙性原子所受到的約束不同，行為不同，其施主能級和受主能級一般都是淺能級行為不同，其施主能級和受主能級一般都是淺能級. .2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平67在摻在摻 Si 濃度小于濃度小于 11018 cm-3 時，時，Si 全部全部取代取代 Ga 位而起施主作用，這時摻位而起施主作用，這時摻 Si 濃度濃度和電子濃度一致；和電子濃度一致；而在摻而在摻 Si 濃度大于濃度大于 1018 cm-3 時，部分時，部分 Si 原子開始取代原子開始取代 As 位，出現(xiàn)補償作用

41、，使位，出現(xiàn)補償作用，使電子濃度逐漸偏低。電子濃度逐漸偏低。例如：例如：2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平68四、缺陷的施、受主作用及其能級四、缺陷的施、受主作用及其能級 1、點缺陷、點缺陷點缺陷的施主或受主作用點缺陷的施主或受主作用點缺陷在材料中是起施主還是受主作用，決定于它們點缺陷在材料中是起施主還是受主作用，決定于它們自身的性質(zhì)和環(huán)境。自身的性質(zhì)和環(huán)境。 VM起受主作用，起受主作用， VX起施主作用起施主作用 空位空位間隙原子間隙原子 錯位原子錯位原子 Frenkel defectXMXMMMMMMMMMMMMMXXXXXXXXX

42、XXXXMM2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平692、位錯、位錯 (Dislocation)位錯的施受主作用位錯的施受主作用 受主受主 施主施主2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平70五、施主與受主之間的補償五、施主與受主之間的補償 1、淺能級雜質(zhì)間的補償、淺能級雜質(zhì)間的補償3、高度補償、高度補償價價 帶帶導(dǎo)導(dǎo) 帶帶EDEA價價 帶帶導(dǎo)導(dǎo) 帶帶價價 帶帶導(dǎo)導(dǎo) 帶帶EDEAEDEA2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平71對雜質(zhì)高

43、度補償問題的說明對雜質(zhì)高度補償問題的說明若雜質(zhì)濃度控制得當(dāng)，使若雜質(zhì)濃度控制得當(dāng)，使NDNA，則施主所提供的電子剛好，則施主所提供的電子剛好將受主能級填滿，即便雜質(zhì)濃度很高，施主雜質(zhì)仍不能向?qū)⑹苤髂芗壧顫M，即便雜質(zhì)濃度很高，施主雜質(zhì)仍不能向?qū)峁╇娮?，受主雜質(zhì)也不能向價帶提供空穴。這種現(xiàn)象稱帶提供電子，受主雜質(zhì)也不能向價帶提供空穴。這種現(xiàn)象稱為雜質(zhì)的高度補償。高度補償?shù)牟牧先菀妆徽`認(rèn)為是高純材為雜質(zhì)的高度補償。高度補償?shù)牟牧先菀妆徽`認(rèn)為是高純材料，而實際上含有雜質(zhì)。特別是在雜質(zhì)濃度很高的情況下，料，而實際上含有雜質(zhì)。特別是在雜質(zhì)濃度很高的情況下，材料的性能會因為雜質(zhì)濃度很高而變差，材料的性

44、能會因為雜質(zhì)濃度很高而變差，般不能用來制造般不能用來制造半導(dǎo)體器件。但是，若能半導(dǎo)體器件。但是，若能在雜質(zhì)濃度不高的情況下實現(xiàn)高度在雜質(zhì)濃度不高的情況下實現(xiàn)高度補償補償，則因其電阻率高，可作為電絕緣材料使用，例如微波，則因其電阻率高，可作為電絕緣材料使用，例如微波器件的器件的半絕緣襯底半絕緣襯底。 2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平72晶體管制造過程中的雜質(zhì)補償 半導(dǎo)體器件和集成電路生產(chǎn)中就是利用雜質(zhì)補償作用，在n型Si外延層上的特定區(qū)域摻入比原先n型外延層濃度更高的受主雜質(zhì)，通過雜質(zhì)補償作用就形成了p型區(qū)，而在n型區(qū)與p型區(qū)的交界處就

45、形成了pn結(jié)。如果再次摻入比p型區(qū)濃度更高的施主雜質(zhì)，在二次補償區(qū)域內(nèi)p型半導(dǎo)體就再次轉(zhuǎn)化為n型，從而形成雙極型晶體管的n-p-n結(jié)構(gòu)。 2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平731、淺能級、淺能級二二 典型半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級典型半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級 一、硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級一、硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級硅、鍺晶體中常見的淺施主雜質(zhì)有硅、鍺晶體中常見的淺施主雜質(zhì)有P、As、Sb，淺受主雜質(zhì)有淺受主雜質(zhì)有B、Al、Ga、In。其電離能在禁帶較寬的硅中大約是其電離能在禁帶較寬的硅中大約是0.040.05eV；在鍺中大約在鍺中大約是是0.

46、01eV左右。左右。 鋰在硅、鍺中是填隙式雜質(zhì)，能級距導(dǎo)帶底分別為鋰在硅、鍺中是填隙式雜質(zhì)，能級距導(dǎo)帶底分別為0.034eV和和0.009eV ，為淺施主。，為淺施主。In在鍺中的電離能為在鍺中的電離能為0.01eV，是典型的淺受主；在硅中的電，是典型的淺受主；在硅中的電離能為離能為0.16eV，為深受主。，為深受主。Al在硅中還有一條深施主能級（價在硅中還有一條深施主能級（價帶頂以上帶頂以上0.17eV）2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平74 非非 III 、非、非 V 族雜質(zhì)在硅、鍺晶體中的行為與前節(jié)的族雜質(zhì)在硅、鍺晶體中的行為與前

47、節(jié)的理論分析和預(yù)期基本相符。有些雜質(zhì)的預(yù)期能級沒理論分析和預(yù)期基本相符。有些雜質(zhì)的預(yù)期能級沒有在禁帶中出現(xiàn)，譬如硅中金的兩個深受主（二重有在禁帶中出現(xiàn)，譬如硅中金的兩個深受主（二重和三重負(fù)電中心）。預(yù)期中的深受主未能發(fā)現(xiàn)的可和三重負(fù)電中心）。預(yù)期中的深受主未能發(fā)現(xiàn)的可能原因是這些能級已進入導(dǎo)帶，預(yù)期中的深施主如能原因是這些能級已進入導(dǎo)帶，預(yù)期中的深施主如果沒有發(fā)現(xiàn)則可能是進入了價帶。果沒有發(fā)現(xiàn)則可能是進入了價帶。2、深能級、深能級1 1）深能級雜質(zhì)）深能級雜質(zhì)2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平75 Ge Ge Au Ge Ge 深能級雜

48、質(zhì)-Au的電子組態(tài)是：5s25p65d106s1 在Ge中摻Au：2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平76在Ge中摻Au：EcEvED2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平77EcEvEDEA1在Ge中摻Au：2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平78EcEvEDEA1EA2EA3 深能級雜質(zhì)2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平79深能級雜質(zhì)EA3=Ec0.04eV 2022-

49、3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平80深能級雜質(zhì)-在Si中摻Au：金是硅中的深能級雜質(zhì)，在硅中形成雙重能級；位于導(dǎo)帶低以下0.54eV的受主能級EtA，和位于價帶頂以上0.35eV的施主能級EtD。但是，金是硅中的兩個深能級并不是同時起作用的。在n型硅中，費米能級總是比較靠近導(dǎo)帶，電子基本填滿了金的能級，所以在n型硅中，只有受主能級EtA起作用；而在p型硅中，金的能級基本上是空的，因而只存在施主能級EtD 。 深能級一般作為復(fù)合中心深能級一般作為復(fù)合中心 對載流子和導(dǎo)電類型影響較小對載流子和導(dǎo)電類型影響較小 深能級瞬態(tài)譜儀測量雜質(zhì)的深能級深能級瞬

50、態(tài)譜儀測量雜質(zhì)的深能級2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平81ImpurityTypePosition in theForbidden groupn (cm2)p(cm2)AudEv+ 0.35 eV10-153.510-15aEc- 0.55 eV810-179.010-15CudEv+ 0.24 eV 3.510-20aEv+ 0.37 eVaEv+ 0.52 eVFedEv+ 0.39 eV 2.010-17NiaEc- 0.35 eV710-12 aEv+ 0.23 eV PtdEv+ 0.32 eV510-14 10-15aEv

51、+ 0.36 eVaEc- 0.25 eVZnaEv+ 0.32 eV10-1510-13aEc- 0.5 eV10-1910-13深能級雜質(zhì)2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平823）硅中的稀土金屬鉺）硅中的稀土金屬鉺 (Er)、釹釹(Nd) 鉺鉺(Er)：Libertino 等用深能級瞬態(tài)譜等用深能級瞬態(tài)譜(DLTS) 測量了用離子注測量了用離子注入法摻入硅中的入法摻入硅中的Er的深能級，發(fā)現(xiàn)與的深能級，發(fā)現(xiàn)與Er有關(guān)的有關(guān)的4個能級分別位于個能級分別位于EC0 .151、0.134、0.126、0.120 eV處；處；Cavalli

52、ni等在液等在液相外延相外延p 型硅中用型硅中用 DLTS觀察到一個空穴陷阱和兩個電子陷阱觀察到一個空穴陷阱和兩個電子陷阱, 分別位于分別位于EV +0.132 eV，EC0.139 eV 和和EC0.120 eV處。處。 釹釹(Nd)：1965年報道，注年報道，注Nd將將P型硅轉(zhuǎn)變成型硅轉(zhuǎn)變成n型，并伴隨出型，并伴隨出現(xiàn)一位置為現(xiàn)一位置為E C0.330.07 eV的深能級。另有報道認(rèn)為的深能級。另有報道認(rèn)為Si中摻中摻Nd后產(chǎn)生后產(chǎn)生施主能級施主能級EC0.21eV和受主能級和受主能級EV +0.21eV。2003年的一篇文獻報道硅中年的一篇文獻報道硅中Nd施主能級為施主能級為EC0.32

53、 0.04 eV。2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平83E中心中心：P、As、Sb等施主雜質(zhì)與空位構(gòu)成的穩(wěn)定絡(luò)合物，常見于低阻等施主雜質(zhì)與空位構(gòu)成的穩(wěn)定絡(luò)合物，常見于低阻n型硅中；能級在型硅中；能級在EC0.43 0.003 eV處；處；A中心中心：O與空位的絡(luò)合物，常見于用直拉法制備的單晶硅中與空位的絡(luò)合物，常見于用直拉法制備的單晶硅中, 對器件對器件性能有嚴(yán)重影響性能有嚴(yán)重影響, 能級在能級在EC0.17eV處處4）深能級缺陷深能級缺陷高能輻照在高能輻照在Si中產(chǎn)生空位和間隙原子。單空位易向表面擴散而消失；雙空中產(chǎn)生空位和間隙原子。

54、單空位易向表面擴散而消失；雙空位或空位雜質(zhì)絡(luò)合物不易通過擴散而消失，因而是硅中的常見深能級缺位或空位雜質(zhì)絡(luò)合物不易通過擴散而消失，因而是硅中的常見深能級缺陷。陷。2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平84二、二、IIIV族化合物中的雜質(zhì)及其能級族化合物中的雜質(zhì)及其能級1.族元素,一般起受主作用,如銀,金,銅2.族元素,通?？梢匀〈逶?表現(xiàn)為 受主雜質(zhì).如鈹、鎂、鋅等。3.族元素,對于與基質(zhì)晶體原子具有同數(shù)量價電子的等電子替位雜質(zhì)，當(dāng)出現(xiàn)電負(fù)性、共價半徑較大差異時，會形成等電子陷阱，再接受相反電荷可以形成束縛激子。4.族元素，替代族原子可

55、以起施主作用，如硅、鍺等：5.族元素常常替代族原子表現(xiàn)為施主雜質(zhì)，如氧、硫、碲等。6.過度元素除釩外均產(chǎn)生受主（深）能級。2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平851）II族雜質(zhì)取代族雜質(zhì)取代III價元素起淺受主作用。例如：價元素起淺受主作用。例如： 1、II、VI族雜質(zhì)族雜質(zhì)2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平862）VI族雜質(zhì)取代族雜質(zhì)取代V價元素起淺施主作用價元素起淺施主作用 S、Se、Te在砷化鎵中占據(jù)砷位后，分別引入在砷化鎵中占據(jù)砷位后，分別引入EC0.006、0.006 和

56、和 0.03 eV的淺施主能級；的淺施主能級；在磷化鎵中占據(jù)砷位后，分別引入磷化鎵中占據(jù)砷位后，分別引入0.104、 0.102 和和 0.0895eV的淺施主能級。的淺施主能級。O雖然也是雖然也是VI族元素，但它在砷化鎵中產(chǎn)生的是深施主能族元素，但它在砷化鎵中產(chǎn)生的是深施主能級，位置在級，位置在 0.4，0.80 和和 1.20 eV。其中，后兩個能級。其中，后兩個能級也許與氧代鎵位有關(guān)。也許與氧代鎵位有關(guān)。O在磷化鎵中產(chǎn)生磷化鎵中產(chǎn)生0.896eV處的一個深施主能級。處的一個深施主能級。在在p型型GaAs中摻氧，制備半絕緣襯底（中摻氧，制備半絕緣襯底（ 室溫室溫107.cm） 2022-3

57、-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平872、等電子陷阱、等電子陷阱1）等電子雜質(zhì)的陷阱效應(yīng) 等電子雜質(zhì)：與被替換的主體原子具有相同價電子數(shù)，但因原子序數(shù)不同而具有不同共價半徑和電負(fù)性，因而能俘獲電子或空穴成為帶電中心的雜質(zhì)。氮的共價半徑和電負(fù)性分別為 0.07 nm 和 3.0 (Pauling)，磷的共價半徑和電負(fù)性分別為 0.11 nm和 2.1；氮有較強的俘獲電子傾向，在GaP中取代磷后能俘獲電子成為負(fù)電中心。 2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平88磷化鎵中氮的能級在導(dǎo)帶底以下磷化鎵中氮

58、的能級在導(dǎo)帶底以下0.008eV，但它是電子陷，但它是電子陷阱而非施主，所以是一個深能級。阱而非施主，所以是一個深能級。鉍的共價半徑和電負(fù)性分別為鉍的共價半徑和電負(fù)性分別為0.146nm和和1.9，在磷化鎵中，在磷化鎵中取代磷后成為空穴陷阱，能級在價帶頂以上取代磷后成為空穴陷阱，能級在價帶頂以上0.038 eV，因，因為是俘獲空穴而非向價帶釋放空穴，因而也是深能級。為是俘獲空穴而非向價帶釋放空穴，因而也是深能級。 2、等電子陷阱、等電子陷阱2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平892）等電子絡(luò)合物的陷阱效應(yīng)）等電子絡(luò)合物的陷阱效應(yīng)在磷化鎵中

59、，當(dāng)替換鎵的鋅原子與替換磷的氧原子處于相在磷化鎵中，當(dāng)替換鎵的鋅原子與替換磷的氧原子處于相鄰格點時，就形成一個電中性的鄰格點時，就形成一個電中性的Zn-O對（施受主對）絡(luò)對（施受主對）絡(luò)合物。由于性質(zhì)上的差異合物。由于性質(zhì)上的差異(氧的電負(fù)性為氧的電負(fù)性為3.5，磷只有，磷只有2.1), Zn-O對像等電子雜質(zhì)氮一樣，也能俘獲電子。其能級在導(dǎo)對像等電子雜質(zhì)氮一樣，也能俘獲電子。其能級在導(dǎo)帶底以下帶底以下0.30 eV。2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平903、 一價元素雜質(zhì) 一價元素雜質(zhì)一般在砷化鎵中引入受主能級。一價元素雜質(zhì)一般在砷化

60、鎵中引入受主能級。Ag有兩條受主能級：EV0.11eV 和 EV 0.238eV；Au有一條受主能級： EV 0.09eV；Cu在砷化鎵中既可以替位式存在，也可以間隙式存在。替位式銅產(chǎn)生兩條受主能級： EV0.14 eV 和EV0.44 eV；間隙式銅產(chǎn)生的是一條淺施主能級： EC 0.07eV；Cu-Cu雜質(zhì)對在砷化鎵中引人深受主能級EV0.44 eV ；間隙式鋰離子引入激活能為0.023eV的淺受主能級。Na在GaAs中也起施主作用，但沒有人采用它作摻雜劑。 2022-3-212022-3-21西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平91 4、過渡族元素雜質(zhì) 過渡金屬一般在