2022-2023學(xué)年高二物理競賽課件：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)能級雜質(zhì)在GaAs中的存在形式三種情況：1）取代砷2）取代鎵3）填隙2024/5/163Ⅲ－Ⅴ族化合物中的雜質(zhì)能級施主雜質(zhì)周期表中的Ⅵ族元素(Se、S、Te)在GaAs中通常都替代Ⅴ族元素As原子的晶格位置，由于Ⅵ族原子比Ⅴ族原子多一個價電子，因此Ⅵ族雜質(zhì)在GaAs中一般起施主作用，為淺施主雜質(zhì)。2024/5/164Ⅲ－Ⅴ族化合物中的雜質(zhì)能級受主雜質(zhì)Ⅱ族元素（Zn、Be、Mg、Cd、Hg）在GaAs中通常都取代Ⅲ族元素Ga原子的晶格位置，由于Ⅱ族原子比Ⅲ族原子少一個價電子，因此Ⅱ族元素雜質(zhì)在GaAs中通常起受主作用，均為淺受主。2024/5/165Ⅲ－Ⅴ族化合物中的雜質(zhì)能級兩性雜質(zhì)Ⅳ族元素雜質(zhì)（Si、Ge、Sn、Pb）在GaAs中的作用比較復(fù)雜，可以取代Ⅲ族的Ga，也可以取代Ⅴ族的As，甚至可以同時取代兩者，因此Ⅳ族雜質(zhì)不僅可以起施主作用還可以起受主作用。如Si在GaAs中引入的施主能級和受主能級分別在導(dǎo)帶以下0.006eV和價帶以上0.03eV處。2024/5/166Ⅲ－Ⅴ族化合物中的雜質(zhì)能級摻Si的GaAs一般表現(xiàn)為n型。這是因為摻入的Si大部分占據(jù)Ga的位置。

在Si的濃度小于1018／cm3,電子濃度大致與Si的濃度相等。但當(dāng)Si的濃度更高時，電子濃度低于Si的濃度，且電子濃度有飽和的傾向。這說明有相當(dāng)一部分硅占據(jù)了As的位置而起受主作用。而出現(xiàn)了雜質(zhì)的補(bǔ)償作用。Ge和Sn在GaAs中也主要起施主作用，常用作n型材料的摻雜劑．雜質(zhì)的雙性行為2024/5/1672.2Ⅲ－Ⅴ族化合物中的雜質(zhì)能級中性雜質(zhì)Ⅲ族元素（B、Al、In）和Ⅴ族元素（P、Sb）在GaAs中通常分別替代Ga和As，由于雜質(zhì)在晶格位置上并不改變原有的價電子數(shù)，因此既不給出電子也不俘獲電子而呈電中性，對GaAs的電學(xué)性質(zhì)沒有明顯影響。2024/5/168

當(dāng)NA>ND時，將呈現(xiàn)p型半導(dǎo)體的特性，價帶空穴濃度p0=NA-ND

通過補(bǔ)償以后半導(dǎo)體中的凈雜質(zhì)濃度稱為有效雜質(zhì)濃度。

如果ND>NA，稱ND-NA為有效施主濃度；

如果NA>ND，那么NA-ND稱為有效受主濃度如果半導(dǎo)體中：ND>>NA，則n0＝ND-NA≈ND；

NA>>ND，則p0＝NA-ND≈NA。2024/5/169半導(dǎo)體器件和集成電路生產(chǎn)中就是利用雜質(zhì)補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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)。2024/5/1610高度補(bǔ)償：若施主雜質(zhì)濃度與受主雜質(zhì)濃度相差不大或二者相等，則不能提供電子或空穴，這種情況稱為雜質(zhì)的高等補(bǔ)償。這種材料容易被誤認(rèn)為高純度半導(dǎo)體，實際上含雜質(zhì)很多，性能很差，一般不能用來制造半導(dǎo)體器件。2024/5/1611深能級雜質(zhì)非Ⅲ、Ⅴ族雜質(zhì)在Si、Ge禁帶中也產(chǎn)生能級產(chǎn)生的施主能級ED距導(dǎo)帶底EC較遠(yuǎn)，產(chǎn)生的受主能級EA距價帶頂EV較遠(yuǎn)，這種雜質(zhì)能級稱為深能級，對應(yīng)的雜質(zhì)稱為深能級雜質(zhì)。深能級雜質(zhì)可以多次電離，每一次電離相應(yīng)有一個能級，有的雜質(zhì)既引入施主能級又引入受主能級。2024/5/1612以Ge中摻Au為例：五種帶電狀態(tài)：Au+Au0Au-Au2-Au3-ED

EA1

EA2

EA3Au0→Au+，釋放電子到導(dǎo)帶，△ED略小于Eg（共價鍵束縛，電離能很大）EA3>EA2>EA1（電子間存在庫侖排斥）2024/5/1613Si、Ge中其它一些深能級雜質(zhì)引入的深能級也可以類似地做出解釋。深能級雜質(zhì)對半導(dǎo)體中載流子濃度和導(dǎo)電類型的影響不像淺能級雜質(zhì)那樣顯著，其濃度通常也較低，主要起復(fù)合中心的作用。采用摻金工藝能夠提高高速半導(dǎo)體器件的工作速度。2024/5/1614四個基本特點(diǎn)：1)不容易電離，對載流子濃度影響不大；2