淺能級雜質

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施主能級接近導帶，受主能級接近價帶，因此稱其為淺能級雜質。

基本介紹

• 中文名：淺能級雜質
• 外文名：Shallow level impurity
• 計算：類氫模型
• 量子化能量：En =－moq4 /(8εo2 h2 n2)

簡介

Shallow level impurity 淺能級雜質

基本概念和能級計算

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。

Ge和Si中的淺能級雜質

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[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）受主雜質是Ⅲ族元素，也都是替位式雜質；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的能級比較深 [0.16eV]。

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[0.00587eV]、Se[0.00579eV]、Te[0.03eV]、O[有一個淺能級和一個0.75eV的深施主能級]；在GaP中的電離能分別為S[0.107eV]、Se[0.105eV]、Te[0.093eV]、O[只有一個0.897eV的深能級]。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[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( [SiGa-SiAs]或[SiGa-VGa]絡合物產生的(Ev+0.10eV)能級, [As-空位] 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[Ev+0.03eV], Sn的為[Ev+0.20eV])，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[EC－0.082eV]，取代As時將起受主作用[Ev+0.203eV]。C在GaP中將產生一個受主能級[Ev+0.041eV]。Ge在GaP中將產生一個受主能級[Ev+0.30eV]。Sn在GaP中將產生一個施主能級[EC－0.065eV]。

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)。