淺能級(jí)雜質(zhì)（淺能級(jí)雜質(zhì)）

簡(jiǎn)介

Shallow level impurity 淺能級(jí)雜質(zhì)

基本概念和能級(jí)計(jì)算

這些雜質(zhì)能級(jí)的位置可以采用所謂

類氫模型

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

對(duì)于半導(dǎo)體中的淺能級(jí)雜質(zhì)原子，它對(duì)其價(jià)電子的束縛比較弱，這類似于氫原子，但又有兩點(diǎn)不同：a）電子處于半導(dǎo)體中，若半導(dǎo)體的介電常數(shù)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(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng), 則電子的質(zhì)量需用有效質(zhì)量mn*來代替mo；因此，對(duì)于施主雜質(zhì)，得到電離能為 ΔEd = (mn* /mo) (ΔEo /εr2 )。對(duì)于受主雜質(zhì)，電離能則為 ΔEa = (mp* /mo) (ΔEo /εr2 )。

對(duì)于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(shí)驗(yàn)在數(shù)量級(jí)上基本相符。

對(duì)于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(shí)驗(yàn)基本符合。

Ge和Si中的淺能級(jí)雜質(zhì)

a）施主雜質(zhì)是Ⅴ族元素，都是 替位式雜質(zhì)；在Ge中的電離能為P[0.012eV]、As[0.013eV]、Sb[0.0096eV]；在Si中的電離能為P[0.044eV]、As[0.049eV]、Sb[0.039eV]。

b）受主雜質(zhì)是Ⅲ族元素，也都是替位式雜質(zhì)；在Ge中的電離能為B[0.0104eV]、Al[0.0102eV]、Ga [0.0108eV]、In [0.0112eV]；在Si中的電離能為B[0.0104eV]、Al[0.0102eV]、Ga [0.0108eV]，In的能級(jí)比較深 [0.16eV]。

Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體中的淺能級(jí)雜質(zhì)

a）在GaAs、GaP等Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體中，Ⅵ族元素是施主雜質(zhì)，替代晶格上的Ⅴ族原子。它們?cè)贕aAs中的電離能分別為S[0.00587eV]、Se[0.00579eV]、Te[0.03eV]、O[有一個(gè)淺能級(jí)和一個(gè)0.75eV的深施主能級(jí)]；在GaP中的電離能分別為S[0.107eV]、Se[0.105eV]、Te[0.093eV]、O[只有一個(gè)0.897eV的深能級(jí)]。在GaAs和

GaP中常用的施主雜質(zhì)是Se和Te 。

b）Ⅱ族元素是受主雜質(zhì)，替代晶格上的Ⅲ族原子。它們?cè)贕aAs中的電離能分別為Be[0.028eV]、Mg[0.0288eV]、Zn [0.0307eV]、Cd[0.0347eV]、Hg[0.012eV]；在GaP中的電離能分別為Be[0.057eV]、Mg[0.060eV]、Zn[0.070eV]、Cd[0.102eV]。GaAs和GaP中常用的受主雜質(zhì)是Zn、Cd和Mg。

c）Ⅳ族元素 (C、Si、Ge、Sn、Pb等) 屬于兩性雜質(zhì)，一般形成淺能級(jí)。當(dāng)它們替代晶格上的Ⅲ族原子時(shí)表現(xiàn)為施主，替代晶格上的Ⅴ族原子時(shí)表現(xiàn)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(guān)。

雜質(zhì)Si在GaAs中通常是取代Ga而起施主作用 (EC－0.002eV)，但當(dāng)Si濃度>1018cm-3時(shí)，將取代As而主要起受主作用 (Ev+0.03eV)；另外, Si還產(chǎn)生兩個(gè)與絡(luò)合物有關(guān)的能級(jí)( [SiGa-SiAs]或[SiGa-VGa]絡(luò)合物產(chǎn)生的(Ev+0.10eV)能級(jí), [As-空位] 絡(luò)合物產(chǎn)生的(Ev+0.22eV)能級(jí))。Ge、Sn在GaAs中當(dāng)取代Ga時(shí)都產(chǎn)生 (EC－0.006eV) 的淺施主能級(jí), 當(dāng)取代As時(shí)都產(chǎn)生受主能級(jí) (Ge的為[Ev+0.03eV], Sn的為[Ev+0.20eV])，Ge絡(luò)合物還產(chǎn)生一個(gè)(Ev+0.07eV)的受主能級(jí)。一般, Si 、Ge、Sn常用作為GaAs的淺

施主雜質(zhì)。

Ⅳ族元素Si在GaP中取代Ga時(shí)將起施主作用[EC－0.082eV]，取代As時(shí)將起受主作用[Ev+0.203eV]。C在GaP中將產(chǎn)生一個(gè)受主能級(jí)[Ev+0.041eV]。Ge在GaP中將產(chǎn)生一個(gè)受主能級(jí)[Ev+0.30eV]。Sn在GaP中將產(chǎn)生一個(gè)施主能級(jí)[EC－0.065eV]。

Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體中的淺能級(jí)雜質(zhì)

在CdTe、ZnS等半導(dǎo)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(shí)，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(shí), 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)。