高二物理競賽課件：Ⅲ－Ⅴ族化合物中的雜質(zhì)能級

Ⅲ－Ⅴ族化合物中的雜質(zhì)能級2024/5/162Ⅲ－Ⅴ族化合物中的雜質(zhì)能級等電子陷阱在某些化合物半導(dǎo)體中，例如GaP中摻入V族元素N或Bi，N或Bi將取代P并在禁帶中產(chǎn)生能級。這個(gè)能級稱為等電子陷阱。這種效應(yīng)稱為等電子雜質(zhì)效應(yīng)。等電子雜質(zhì)的特征與本征元素同族但不同原子序數(shù)以替位形式存在于晶體中，基本上是電中性的。2024/5/163Ⅲ－Ⅴ族化合物中的雜質(zhì)能級這類雜質(zhì)一般不能提供電子或空穴，但在一定條件下，可以收容一個(gè)電子或一個(gè)空穴，作為電子陷阱或空穴陷阱起作用，通常稱之為等電子陷阱。GaP中的NN在占據(jù)P的位置后，不會(huì)產(chǎn)生長程作用的庫侖勢，但N和P的負(fù)電性有明顯的差異(分別為3.0和2.1)，因此N有較強(qiáng)的獲得電子的傾向。或者從另一角度說，由于N和P電子結(jié)構(gòu)的差異，在N中心處存在對電子的短程作用勢。結(jié)果可以形成電子的束縛態(tài)(電子陷阱)。在GaP中，N能級在導(dǎo)帶以下約10meV。顯然這種雜質(zhì)不是施主，也不是典型的受主，但它能收容一個(gè)電子(起受主作用）。2024/5/164Ⅲ－Ⅴ族化合物中的雜質(zhì)能級是否周期表中同族元素均能形成等電子陷阱呢？只有當(dāng)摻入原子與基質(zhì)晶體原子在電負(fù)性、共價(jià)半徑方面有較大差別時(shí)，才能形成等電子陷阱。一般說，同族元素原子序數(shù)越小，電負(fù)性越大，共價(jià)半徑越小。等電子雜質(zhì)電負(fù)性(即小原子序數(shù))大于基質(zhì)晶體原子的電負(fù)性時(shí)，取代后，它便能俘獲電子成為負(fù)電中心（電子陷阱）。反之，俘獲空穴成為正電中心（空穴陷阱）。

存在形式替位式（等電子雜質(zhì)）復(fù)合體，如Zn-O（等電子絡(luò)合物）2024/5/165Ⅲ－Ⅴ族化合物中的雜質(zhì)能級束縛激子等電子陷阱俘獲一種符號的載流子后，又因帶電中心的庫侖作用又俘獲另一種帶電符號的載流子，這就是束縛激子。束縛激子在由間接禁帶半導(dǎo)體材料制造的發(fā)光器件中起主要作用。2024/5/166Ⅲ－Ⅴ族化合物中的雜質(zhì)能級2024/5/167Ⅲ－Ⅴ族化合物中的雜質(zhì)能級2024/5/1681.點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷的種類：弗侖克耳缺陷：原子空位和間隙原子同時(shí)存在肖特基缺陷：晶體中只有晶格原子空位反肖特基缺陷：只有間隙原子而無原子空位點(diǎn)缺陷（熱缺陷）特點(diǎn)：①熱缺陷的數(shù)目隨溫度升高而增加②熱缺陷中以肖特基缺陷為主（即原子空位為主）。③淬火后可以“凍結(jié)”高溫下形成的缺陷。④退火后可以消除大部分缺陷。2024/5/169點(diǎn)缺陷對半導(dǎo)體性質(zhì)的影響：1）缺陷處晶格畸變，周期性勢場被破壞，致使在禁帶中產(chǎn)生能級。2）熱缺陷能級大多為深能級，在半導(dǎo)體中起復(fù)合中心作用，使非平衡載流子濃度和壽命降低。3）空位缺陷有利于雜質(zhì)擴(kuò)散4）對載流子有散射作用，使載流子遷移率和壽命降低。2024/5/1610半導(dǎo)體中主要的點(diǎn)缺陷傾向于接受電子表現(xiàn)為受主正離子空位帶負(fù)電受主負(fù)離子空位帶正電施主正離子填隙：施主負(fù)離子填隙：受主2024/5/1611GaAs的點(diǎn)缺陷As空位As填隙Ga空位Ga填隙反結(jié)構(gòu)缺陷目前了解得較少．曾有報(bào)導(dǎo)As空位在價(jià)帶以上0.12eV產(chǎn)生一受主能級，Ga空位產(chǎn)生兩個(gè)受主能級，分別位于價(jià)帶以上0.0leV和0.18eV。2024/5/16122.位錯(cuò)位錯(cuò)形成原因：晶格畸變位錯(cuò)種類：刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)導(dǎo)帶底價(jià)帶頂改變分別為：禁帶寬度變化為：2024/5/16132.3缺陷、位錯(cuò)能級60°棱位錯(cuò)俘獲電子受主作用失去電子施主作用2024/5/1614棱位錯(cuò)對半導(dǎo)體性能的影響：1）位錯(cuò)線上的懸掛鍵可以接受電子變?yōu)樨?fù)電中心，表現(xiàn)為受主；懸掛鍵上的一個(gè)電子也可以被釋放出來而變?yōu)檎娭行模藭r(shí)表現(xiàn)為施主，即不飽和的懸掛鍵具有雙性行為，可以起受主作用，也可以起施主作用。2）位錯(cuò)線處晶格變形，導(dǎo)致能帶變形3）位錯(cuò)線影響雜質(zhì)分布