半導(dǎo)體物理課件22

2.2Ⅲ-Ⅴ族化合物中的雜質(zhì)能級雜質(zhì)原子空間分布位置替位式：雜質(zhì)原子可能替代Ⅲ族原子或V族原子，如A、B。1、替位式雜質(zhì)2、間隙式雜質(zhì)間隙式：雜質(zhì)原子存在于Ⅲ族原子或V族原子的周圍間隙，如C。1Ⅲ族原子（V族原子）V族原子（Ⅲ族原子）T替位式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì)2雜質(zhì)原子在砷化鎵中的能級及分析鋰銅銀金鈹鎂鋅鎘鉻碳硅鍺錫鉛錳鐵鈷鎳釩碲硒硫下面將按元素周期表中各族元素的分類，討論砷化鎵中的雜質(zhì)能級。下圖為各元素的能級圖：3A、I族元素銀：替位式，受主能級（EV+0.11）eV、（EV+0.238）eV；金：替位式，受主能級（EV+0.09）eV；

銅：替位式，受主能級（EV+0.14）eV、（EV+0.44）eV；替位式銅原子對Cu-Cu，受主能級（EV+0.24）eV；

間隙式，施主能級（EC-0.07）eV；鋰：間隙式，受主能級（EV+0.023）eV；鈉：施主雜質(zhì)，但在電場作用下遷移率高、不穩(wěn)定，一般不作為摻雜劑；4B、Ⅱ族元素

鈹(Be)、鎂(Mg)、鋅(Zn)、鎘(Cd)比鎵原子少一個(gè)價(jià)電子，傾向替位取代鎵原子，獲得一個(gè)電子形成飽和共價(jià)鍵，產(chǎn)生淺受主能級。受主能級分別為：（EV+0.030）eV、（EV+0.030）eV、（EV+0.024）eV、（EV+0.021）eV。5

III族、V族元素?fù)饺肷榛?，III族原子取代鎵，V族原子取代砷，雜質(zhì)為電中性態(tài)，不在禁帶中產(chǎn)生雜質(zhì)能級。即一般而言，III族、V族元素?fù)饺氩皇怯善浔旧硇纬傻腎II-V族化合物半導(dǎo)體時(shí)，III族原子替代III族格點(diǎn)原子，V族原子替代V族格點(diǎn)原子，一般情況下，雜質(zhì)保持電中性態(tài)，雜質(zhì)沒有影響。C、III族元素和V族元素6

磷化鎵摻入V族元素氮(N)或鉍(Bi)，氮或鉍取代磷，并在禁帶中產(chǎn)生能級，該能級對導(dǎo)帶電子(或價(jià)帶空穴）有捕獲作用，形成等電子雜質(zhì)效應(yīng)，該能級稱為等電子陷阱。特例：磷化鎵GaP7

(1)等電子雜質(zhì)效應(yīng)

雜質(zhì)原子替代格點(diǎn)同族原子（價(jià)電子數(shù)相同）后，由于原子序數(shù)不同，雜質(zhì)原子的共價(jià)半徑、電負(fù)性與被替位格點(diǎn)原子存在差別，能俘獲電子或空穴成為帶電中心，這種效應(yīng)稱為等電子效應(yīng)，雜質(zhì)稱為等電子雜質(zhì)，形成的帶電中心稱為等電子陷阱。研究表明，若等電子雜質(zhì)電負(fù)性大于替代的格點(diǎn)原子電負(fù)性，替位后，可俘獲導(dǎo)帶電子成為負(fù)電中心。若等電子雜質(zhì)電負(fù)性小于替代的格點(diǎn)原子電負(fù)性，能俘獲空穴成為正電中心。

8GaPGaGaGaN取代Ｐ,捕獲電子成負(fù)電中心N外圍電子構(gòu)型2s2２p3,共價(jià)半徑0.07nm,電負(fù)性3.0P外圍電子構(gòu)型3s23p3,共價(jià)半徑0.110nm,電負(fù)性2.1ECEV0.008eV負(fù)電中心9PGaGaGaGa

Bi取代Ｐ,捕獲空穴成正電中心ECEV0.038eVBi外圍電子構(gòu)型6s26p3,共價(jià)半徑0.146nm,電負(fù)性1.9P外圍電子構(gòu)型3s23p3,共價(jià)半徑0.110nm,電負(fù)性2.1正電中心10電負(fù)性=0.18(電離能+親和能）電離能=原子失去一個(gè)電子變成正離子所需要從外界得到的能量親和能=原子在基態(tài)時(shí)獲得一個(gè)電子成為負(fù)離子時(shí)所釋放的能量11

等電子陷阱俘獲一種載流子（電子或空穴）后成為帶電（正電或負(fù)電）中心，由于庫侖作用，又俘獲另一種電荷符號相反的載流子，形成束縛激子。(2)束縛激子12

如在磷化鎵中，以鋅原子(Zn)替代鎵原子(Ga)、氧原子(O)替代磷原子(P)，當(dāng)這兩個(gè)雜質(zhì)原子處于相鄰格點(diǎn)時(shí)，形成電中性Zn-O絡(luò)合物，Zn-O絡(luò)合物能俘獲電子帶負(fù)電，Zn-O絡(luò)合物稱為等電子絡(luò)合物。(3)等電子絡(luò)合物PGaGaGaGaO替代ＰZn替代GaO電負(fù)性=3.5Zn電負(fù)性=Ga電負(fù)性=1.6P電負(fù)性=2.1Zn:二價(jià)元素O:六價(jià)元素

13D、IV族元素碳、硅、鍺、錫、鉛PGaGaGaGaIV族元素替代ＰIV族元素替代GaIV族元素是III-V化合物的雙性雜質(zhì)14舉例：硅在砷化鎵中的摻雜特性EC-0.002eV淺施主能級，硅替代鎵產(chǎn)生①雙性雜質(zhì)能級(SiGa–SiAs)或(SiGa-VGa)絡(luò)合物產(chǎn)生（EV+0.10）eVEV+0.03eV淺受主能級，硅替代砷產(chǎn)生ECEV（EV+0.22）eV，砷-空位絡(luò)合物產(chǎn)生15GaAsGaGaGaSi替代GaSiGaSi替代AsSiAsSiGa–SiAs絡(luò)合物SiGa-VGa絡(luò)合物GaAsGaGaSi替代GaSiGaVGa16導(dǎo)帶電子濃度

101810191020硅原子濃度

(cm-3)101710181019②自補(bǔ)償效應(yīng)17VI族元素常常替代Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體中V族格點(diǎn)原子。VI族元素比V族元素多一個(gè)價(jià)電子而且容易失去，產(chǎn)生施主能級。工藝上，采用摻碲或硒獲得N型砷化鎵材料。在P型砷化鎵中摻氧，可獲得室溫下電阻率高于107Ωcm的半絕緣砷化鎵。E、VI族元素（氧、硫、硒、碲）18

在砷化鎵中，除釩產(chǎn)生深施主能級（EC

-0.22）eV外，鉻、錳、鐵、鈷、鎳均產(chǎn)生受主能級，分別為（EV+0.79）eV、（EV+0.095）e