2022-2023学年高二物理竞赛课件：Ⅲ－Ⅴ族化合物中的杂质能级

Ⅲ－Ⅴ族化合物中的杂质能级 2023/3/9 2 Ⅲ－Ⅴ族化合物中的杂质能级 杂质在GaAs中的存在形式 三种情况： 1）取代砷 2）取代镓 3）填隙 2023/3/9 3 Ⅲ－Ⅴ族化合物中的杂质能级 施主杂质 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族原子多一个价电子，因此Ⅵ族杂质在GaAs中一般起施主作用，为浅施主杂质。 2023/3/9 4 Ⅲ－Ⅴ族化合物中的杂质能级 受主杂质 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族原子少一个价电子，因此Ⅱ族元素杂质在GaAs中通常起受主作用，均为浅受主。 2023/3/9 5 Ⅲ－Ⅴ族化合物中的杂质能级 两性杂质 Ⅳ族元素杂质（Si、Ge、Sn、Pb）在GaAs中的作用比较复杂，可以取代Ⅲ族的Ga，也可以取代Ⅴ族的As，甚至可以同时取代两者，因此Ⅳ族杂质不仅可以起施主作用还可以起受主作用。如Si在GaAs中引入的施主能级和受主能级分别在导带以下0.006eV和价带以上0.03eV处。 2023/3/9 6 Ⅲ－Ⅴ族化合物中的杂质能级 掺Si的GaAs一般表现为n型。这是因为掺入的Si大部分占据Ga的位置。 在Si的浓度小于1018／cm3,电子浓度大致与Si的浓度相等。但当Si的浓度更高时，电子浓度低于Si的浓度，且电子浓度有饱和的倾向。这说明有相当一部分硅占据了As的位置而起受主作用。而出现了杂质的补偿作用。 Ge和Sn在GaAs中也主要起施主作用，常用作n型材料的掺杂剂． 杂质的双性行为 2023/3/9 7 2.2 Ⅲ－Ⅴ族化合物中的杂质能级 中性杂质 Ⅲ族元素（B、Al、In）和Ⅴ族元素（P、Sb）在GaAs中通常分别替代Ga和As，由于杂质在晶格位置上并不改变原有的价电子数，因此既不给出电子也不俘获电子而呈电中性，对GaAs的电学性质没有明显影响。 2023/3/9 8 当NA>ND时，将呈现p型半导体的特性，价带空穴浓度p0=NA-ND 通过补偿以后半导体中的净杂质浓度称为有效杂质浓度。 如果ND>NA，称ND-NA为有效施主浓度； 如果NA>ND，那么NA-ND称为有效受主浓度 如果半导体中：ND>>NA，则n0＝ND-NA≈ND； NA>>ND，则p0＝NA-ND≈ NA。 2023/3/9 9 半导体器件和集成电路生产中就是利用杂质补偿作用，在n型Si外延层上的特定区域掺入比原先n型外延层浓度更高的受主杂质，通过杂质补偿作用就形成了p型区，而在n型区与p型区的交界处就形成了pn结。如果再次掺入比p型区浓度更高的施主杂质，在二次补偿区域内p型半导体就再次转化为n型，从而形成双极型晶体管的n-p-n结构。 2023/3/9 10 高度补偿：若施主杂质浓度与受主杂质浓度相差不大或二者相等，则不能提供电子或空穴，这种情况称为杂质的高等补偿。这种材料容易被误认为高纯度半导体，实际上含杂质很多，性能很差，一般不能用来制造半导体器件。 2023/3/9 11 深能级杂质 非Ⅲ、Ⅴ族杂质在Si、Ge禁带中也产生能级 产生的施主能级ED距导带底EC较远，产生的受主能级EA距价带顶EV较远，这种杂质能级称为深能级，对应的杂质称为深能级杂质。 深能级杂质可以多次电离，每一次电离相应有一个能级，有的杂质既引入施主能级又引入受主能级。 2023/3/9 12 以Ge中掺Au为例： 五种带电状态： Au+ Au0 Au- Au2- Au3- ED EA1 EA2 EA3 Au0→Au+，释放电子到导带，△ED略小于Eg（共价键束缚，电离能很大） EA3>EA2>EA1（电子间存在库仑排斥） 2023/3/9 13 Si、Ge中其它一些深能级杂质引入的深能级也可以类似地做出解释。 深能级杂质对半导体中载流子浓度和导电类型的影响不像浅能级杂质那样显著，其浓度通常也较低，主要起复合中心的作用。 采用掺金工艺能够提高高速半导体器件的工作速度。 2023/3/9 14 四个基本特点： 1) 不容易电离，对载流子浓度影响不大； 2) 一般会产生多重能级，甚至既产生施主能级也产生受主能级。 3) 能起到复合中心作用，使少数载流子寿命降低（在第五章详细讨论）。 4) 深能级杂质电离后为带电中心，对载流子起散射作用，使载流子迁移率减少，导电性能下降。 $