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  Shallow level impurity     淺能級雜質


  
(1)基本概念和能級計算:


  


  淺能級雜質就是指在半導體中、其價電子受到束縛較弱的那些雜質原子,往往就是能夠提供載流子——電子或空穴的施主受主雜質;它們在半導體中形成的能級都比較靠近價帶頂或導帶底,因此稱其為能級雜質


  這些雜質能級的位置可以採用所謂類氫模型來計算。氫原子中電子的量子化能量為


  En =-moq4 /(8εo2 h2 n2),其基態電子的電離能為 ΔEo = E∞-E1 = moq4 /(8εo2 h2) = 13.6 eV。


  對於半導體中的淺能級雜質原子,它對其價電子的束縛比較弱,這類似於氫原子,但又有兩點不同:a)電子處於半導體中,若半導體的介電常數為ε= εoεr,,則電子受到正電中心的引力將減弱εr倍,束縛能量也將減小εr2倍;b)電子在晶格周期性勢場中運動, 則電子的質量需用有效質量mn*來代替mo;因此,對於施主雜質,得到電離能為  ΔEd = (mn* /mo) (ΔEo /εr2 )。對於受主雜質,電離能則為     ΔEa = (mp* /mo) (ΔEo /εr2 )。


  對於Ge:εr = 16,ΔEd = 0.05(mn*/mo);因一般(mn*/mo)<1,則ΔEd<0.05 eV;若取


  1/mn* = (1/ml+2/mt)/3,ml=1.64mo,mt=0.0819m0,則mn*= 0.12m0,得到ΔEd= 0.0064eV,這與實驗在數量級上基本相符。


  對於Si:εr = 12,ΔEd= 0.1(mn*/m0),因一般(mn*/mo)<1,則ΔEd<0.1 eV;若取


  ml=0.98m0,mt=0.19m0,mn*=0.26 m0,則得到ΔEd=0.025eV,這也與實驗基本符合。


  

(2)Ge和Si中的淺能級雜質舉例:


  


  a)施主雜質是Ⅴ族元素,都是替位式雜質;在Ge中的電離能為P&#91;0.012eV&#93;、As&#91;0.013eV&#93;、Sb&#91;0.0096eV&#93;;在Si中的電離能為P&#91;0.044eV&#93;、As&#91;0.049eV&#93;、Sb&#91;0.039eV&#93;。


  b)受主雜質是Ⅲ族元素,也都是替位式雜質;在Ge中的電離能為B&#91;0.0104eV&#93;、Al&#91;0.0102eV&#93;、Ga &#91;0.0108eV&#93;、In &#91;0.0112eV&#93;;在Si中的電離能為B&#91;0.0104eV&#93;、Al&#91;0.0102eV&#93;、Ga &#91;0.0108eV&#93;,In的能級比較深 &#91;0.16eV&#93;。


  

(3)Ⅲ-Ⅴ族半導體中的淺能級雜質:


  


  a)在GaAs、GaP等Ⅲ-Ⅴ族半導體中,Ⅵ族元素是施主雜質,替代晶格上的Ⅴ族原子。它們在GaAs中的電離能分別為S&#91;0.00587eV&#93;、Se&#91;0.00579eV&#93;、Te&#91;0.03eV&#93;、O&#91;有一個淺能級和一個0.75eV的深施主能級&#93;;在GaP中的電離能分別為S&#91;0.107eV&#93;、Se&#91;0.105eV&#93;、Te&#91;0.093eV&#93;、O&#91;只有一個0.897eV的深能級&#93;。在GaAs和


  GaP中常用的施主雜質是Se和Te 。


  b)Ⅱ族元素是受主雜質,替代晶格上的Ⅲ族原子。它們在GaAs中的電離能分別為Be&#91;0.028eV&#93;、Mg&#91;0.0288eV&#93;、Zn &#91;0.0307eV&#93;、Cd&#91;0.0347eV&#93;、Hg&#91;0.012eV&#93;;在GaP中的電離能分別為Be&#91;0.057eV&#93;、Mg&#91;0.060eV&#93;、Zn&#91;0.070eV&#93;、Cd&#91;0.102eV&#93;。GaAs和GaP中常用的受主雜質是Zn、Cd和Mg。


  c)Ⅳ族元素 (C、Si、Ge、Sn、Pb等) 屬於兩性雜質,一般形成淺能級。當它們替代晶格上的Ⅲ族原子時表現為施主,替代晶格上的Ⅴ族原子時表現為受主;如果是混亂地替代Ⅲ族和替代Ⅴ族原子,則總效果是起施主還是起受主作用,將與摻雜濃度和濃度條件有關。


  雜質Si在GaAs中通常是取代Ga而起施主作用 (EC-0.002eV),但當Si濃度>1018cm-3時,將取代As而主要起受主作用 (Ev+0.03eV);另外, Si還產生兩個與絡合物有關的能級( &#91;SiGa-SiAs&#93;或&#91;SiGa-VGa&#93;絡合物產生的(Ev+0.10eV)能級, &#91;As-空位&#93; 絡合物產生的(Ev+0.22eV)能級)。Ge、Sn在GaAs中當取代Ga時都產生 (EC-0.006eV) 的淺施主能級, 當取代As時都產生受主能級 (Ge的為&#91;Ev+0.03eV&#93;, Sn的為&#91;Ev+0.20eV&#93;),Ge絡合物還產生一個(Ev+0.07eV)的受主能級。一般, Si 、Ge、Sn常用作為GaAs的淺


  施主雜質。


  Ⅳ族元素Si在GaP中取代Ga時將起施主作用&#91;EC-0.082eV&#93;,取代As時將起受主作用&#91;Ev+0.203eV&#93;。C在GaP中將產生一個受主能級&#91;Ev+0.041eV&#93;。Ge在GaP中將產生一個受主能級&#91;Ev+0.30eV&#93;。Sn在GaP中將產生一個施主能級&#91;EC-0.065eV&#93;。


  

(4)Ⅱ-Ⅵ族半導體中的淺能級雜質:


  


  在CdTe、ZnS等半導體中,Ⅲ族元素取代晶體的Ⅱ族原子,和Ⅶ族元素取代晶體的Ⅵ族原子時,都將起施主作用;例如, CdTe中的In、Al、Cl都是施主 (電離能為0.014eV)。Ⅰ族元素取代晶體的Ⅱ族原子,和Ⅴ族元素取代晶體的Ⅵ族原子時, 都將起受主作用;例如, CdTe中的Li、Na、P都是受主 (電離能為0.03eV)。

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