半导体物理课件2.2.ppt

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1、2.2-2.2-族化合物中的杂质能级族化合物中的杂质能级l 杂质原子空间分布位置杂质原子空间分布位置替位式：替位式：杂质原子可能替代杂质原子可能替代族原子族原子或或V V族原子，如族原子，如A A、B B。1 1、替位式杂质、替位式杂质2 2、间隙式杂质、间隙式杂质间隙式：间隙式：杂质原子存在于杂质原子存在于族原子或族原子或V V族原子的周围间隙，如族原子的周围间隙，如C C。族原子（族原子（V V族原子）族原子）V V族原子（族原子（族原子）族原子）T替位式杂质替位式杂质间隙式杂质间隙式杂质l 杂质原子在砷化镓中的能级及分析杂质原子在砷化镓中的能级及分析锂锂铜铜银银金金铍铍镁镁 锌锌镉镉铬铬

2、碳碳硅硅锗锗锡锡铅铅锰锰铁铁钴钴镍镍钒钒碲碲硒硒硫硫 下面将按元素周期表中各族元素的分类，讨论砷化镓下面将按元素周期表中各族元素的分类，讨论砷化镓中的杂质能级。下图为各元素的能级图：中的杂质能级。下图为各元素的能级图：A A、I I族元素族元素银银：替位式，受主能级（：替位式，受主能级（E EV V+0.11+0.11）eVeV、（、（E EV V+0.238+0.238）eVeV；金金：替位式，受主能级（：替位式，受主能级（E EV V+0.09+0.09）eVeV；铜铜：替位式，受主能级（：替位式，受主能级（E EV V+0.14+0.14）eVeV、（、（E EV V+0.44+0.44

3、）eVeV；替位式铜原子对替位式铜原子对Cu-CuCu-Cu，受主能级（，受主能级（E EV V+0.24+0.24）eVeV；间隙式，施主能级（间隙式，施主能级（E EC C-0.07-0.07）eVeV；锂锂：间隙式，受主能级（：间隙式，受主能级（E EV V+0.023+0.023）eVeV；钠钠：施施主主杂杂质质，但但在在电电场场作作用用下下迁迁移移率率高高、不不稳稳定定，一一般般不不作为掺杂剂；作为掺杂剂；B B、族元素族元素 铍铍(Be)(Be)、镁镁(Mg)(Mg)、锌锌(Zn)(Zn)、镉镉(CdCd)比比镓镓原原子子少少一一个个价价电电子子，倾倾向向替替位位取取代代镓镓原原子

4、子，获获得得一一个个电电子子形形成成饱饱和和共共价价键，产生浅受主能级。键，产生浅受主能级。受受主主能能级级分分别别为为：（E EV V+0.030+0.030）eVeV、（E EV V+0.030+0.030）eVeV、（E EV V+0.024+0.024）eVeV、（E EV V+0.021+0.021）eVeV。IIIIII族、族、V V族元素掺入砷化镓，族元素掺入砷化镓，IIIIII族原子取代镓，族原子取代镓，V V族族原子取代砷，杂质为电中性态，不在禁带中产生杂质能级。原子取代砷，杂质为电中性态，不在禁带中产生杂质能级。即一般而言，即一般而言，IIIIII族、族、V V族元素掺入不

5、是由其本身形成族元素掺入不是由其本身形成的的III-VIII-V族化合物半导体时，族化合物半导体时，IIIIII族原子替代族原子替代IIIIII族格点原族格点原子，子，V V族原子替代族原子替代V V族格点原子，一般情况下，杂质保持电族格点原子，一般情况下，杂质保持电中性态，杂质没有影响。中性态，杂质没有影响。C C、IIIIII族元素和族元素和V V族元素族元素 磷化镓掺入磷化镓掺入V V族元素氮族元素氮(N)(N)或铋或铋(Bi)(Bi)，氮或铋取代磷，氮或铋取代磷，并在禁带中产生能级，该能级对导带电子并在禁带中产生能级，该能级对导带电子(或价带空穴）或价带空穴）有捕获作用，形成有捕获作用

6、，形成等电子杂质效应等电子杂质效应，该能级称为，该能级称为等电子陷等电子陷阱阱。特例：磷化镓特例：磷化镓GaPGaP (1)(1)等电子杂质效应等电子杂质效应 杂质原子替代格点同族原子（价电子数相同）后，由于杂质原子替代格点同族原子（价电子数相同）后，由于原子序数不同，杂质原子的共价半径、电负性与被替位格点原子序数不同，杂质原子的共价半径、电负性与被替位格点原子存在差别，能俘获电子或空穴成为带电中心，这种效应原子存在差别，能俘获电子或空穴成为带电中心，这种效应称为称为等电子效应等电子效应，杂质称为，杂质称为等电子杂质等电子杂质，形成的带电中心称，形成的带电中心称为为等电子陷阱等电子陷阱。研究表

7、明，若等电子杂质电负性大于替代的格点原子电研究表明，若等电子杂质电负性大于替代的格点原子电负性，替位后，可俘获导带电子成为负性，替位后，可俘获导带电子成为负电中心负电中心。若等电子杂。若等电子杂质电负性小于替代的格点原子电负性，能俘获空穴成为质电负性小于替代的格点原子电负性，能俘获空穴成为正电正电中心中心。GaGaP PGaGaGaGaGaGaN N取代取代,捕获捕获电子成负电中心电子成负电中心N N外围电子构型外围电子构型2s2s2 2p p3 3,共价半径共价半径0.07nm,0.07nm,电负性电负性3.03.0P P外围电子构型外围电子构型3s3s2 23p3p3 3,共价半径共价半径

8、0.110nm,0.110nm,电负性电负性2.12.1ECEV0.008 eV0.008 eV负电中心负电中心P PGaGaGaGaGaGaGaGa BiBi取代取代,捕获捕获 空穴成正电中心空穴成正电中心ECEV0.038 eV0.038 eVBiBi外围电子构型外围电子构型6s6s2 26p6p3 3,共价半径共价半径0.146nm,0.146nm,电负性电负性1.91.9P P外围电子构型外围电子构型3s3s2 23p3p3 3,共价半径共价半径0.110nm,0.110nm,电负性电负性2.12.1正电中心正电中心电负性电负性=0.18(=0.18(电离能电离能+亲和能）亲和能）电离

9、能电离能=原子失去一个电子变成正离子所需要从外原子失去一个电子变成正离子所需要从外界得到的能量界得到的能量亲和能亲和能=原子在基态时获得一个电子成为负离子时原子在基态时获得一个电子成为负离子时所释放的能量所释放的能量 等电子陷阱俘获一种载流子（电子或空穴）后成为带等电子陷阱俘获一种载流子（电子或空穴）后成为带电（正电或负电）中心，由于库仑作用，又俘获另一种电电（正电或负电）中心，由于库仑作用，又俘获另一种电荷符号相反的载流子，形成荷符号相反的载流子，形成束缚激子束缚激子。(2)(2)束缚激子束缚激子如在磷化镓中，以锌原子如在磷化镓中，以锌原子(Zn)(Zn)替代镓原子替代镓原子(Ga)(Ga)

10、、氧原子、氧原子(O)(O)替代磷原子替代磷原子(P)(P)，当这两个杂质原子处于相邻格点时，当这两个杂质原子处于相邻格点时，形成电中性形成电中性Zn-OZn-O络合物络合物，Zn-OZn-O络合物能俘获电子带负电，络合物能俘获电子带负电，Zn-OZn-O络合物称为络合物称为等电子络合物等电子络合物。(3)(3)等电子络合物等电子络合物P PGaGaGaGaGaGaGaGaO O替代替代ZnZn替代替代GaGaO O电负性电负性=3.5=3.5ZnZn电负性电负性=Ga=Ga电负性电负性=1.6=1.6P P电负性电负性=2.1=2.1Zn:Zn:二价元素二价元素 O:O:六价元素六价元素 D

11、 D、IVIV族元素碳、硅、锗、锡、铅族元素碳、硅、锗、锡、铅P PGaGaGaGaGaGaGaGaIVIV族元素替代族元素替代IVIV族元素替代族元素替代GaGaIVIV族元素是族元素是III-VIII-V化合物的化合物的双性杂质双性杂质l 举例：硅在砷化镓中的掺杂特性举例：硅在砷化镓中的掺杂特性E EC C-0.002 eV-0.002 eV浅施主能级，浅施主能级，硅替代镓产生硅替代镓产生 双性杂质双性杂质能级能级(Si(SiGaGa Si SiAsAs)或或(Si(SiGaGa-V-VGaGa)络合物产生络合物产生（E EV V+0.10+0.10）eVeVE EV V+0.03 eV+

12、0.03 eV浅受主能级，浅受主能级，硅替代砷产生硅替代砷产生ECEV（E EV V+0.22+0.22）eVeV，砷砷-空位络合物产生空位络合物产生GaGaAsAsGaGaGaGaGaGaSiSi替代替代GaGaSiSiGaGaSiSi替代替代AsAsSiSiAsAsSiSiGaGa SiSiAsAs络合物络合物SiSiGaGa-V VGaGa络合物络合物GaGaAsAsGaGaGaGaSiSi替代替代GaGaSiSiGaGaV VGaGa导带电子浓度导带电子浓度 101018 18 1010191910102020硅原子浓度硅原子浓度 (cm(cm-3-3)1010171710101818

13、10101919 自补偿效应自补偿效应 VI VI族元素常常替代族元素常常替代-族半导体中族半导体中V V族格点原子。族格点原子。VI VI族元素比族元素比V V族元素多一个价电子而且容易失去，产生施主族元素多一个价电子而且容易失去，产生施主能级。能级。工艺上，采用掺碲或硒获得工艺上，采用掺碲或硒获得N N型砷化镓材料。型砷化镓材料。在在P P型砷化镓中掺氧，可获得室温下电阻率高于型砷化镓中掺氧，可获得室温下电阻率高于10107 7cmcm的的半绝缘砷化镓。半绝缘砷化镓。E E、VIVI族元素（氧、硫、硒、碲）族元素（氧、硫、硒、碲）在在砷砷化化镓镓中中，除除钒钒产产生生深深施施主主能能级级（

14、E EC C -0.22-0.22）eVeV外外，铬铬、锰锰、铁铁、钴钴、镍镍均均产产生生受受主主能能级级，分分别别为为（E EV V+0.79+0.79）eVeV、（E EV V +0.095+0.095）eVeV、（E EV V +0.52+0.52）eVeV、（E EV V +0.16+0.16）eVeV、（E EV V +0.21+0.21）eVeV。工工艺艺上上采采用用将将铬铬掺掺入入N N型型砷砷化化镓镓中中，可可制制得得电电阻阻率率大大于于10106 6-10107 7cmcm的半绝缘砷化镓晶体。的半绝缘砷化镓晶体。F F、过渡族元素（钒、铬、锰、铁、钴、镍）、过渡族元素（钒、铬、锰、铁、钴、镍）