半導(dǎo)體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)

1、半導(dǎo)體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江1第1頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江2半導(dǎo)體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu) 1 半導(dǎo)體的原子結(jié)合與晶體結(jié)構(gòu)2 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶3 半導(dǎo)體中載流子的有效質(zhì)量 4 半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級5 典型半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)6 半導(dǎo)體能帶工程概要第2頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江3固態(tài)晶體具有多種結(jié)晶形態(tài)，分屬7大晶系14種類型。結(jié)晶半導(dǎo)體大多數(shù)屬于立方(cubic)晶系和六方(Hexagon)晶系，且都是四面體(tetradron)結(jié)構(gòu)。只有少數(shù)半導(dǎo)體具有其他結(jié)構(gòu)。

2、1 半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì) 固體中原子的結(jié)合，歸結(jié)為5種方式。半導(dǎo)體中原子的結(jié)合以共價鍵為主，化合物半導(dǎo)體包含有程度不等的離子鍵成分。 第3頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江4一、元素的電負性與原子的結(jié)合性質(zhì)原子以何種方式結(jié)合成固體，完全決定于其得到或失去電子的能力，即電負性（electronegativity）。 1、電負性的定義原子吸引其在化學(xué)鍵中與另一原子之公有電子偶的能力，其值為原子的電離能與電子親和能之和。電離能指原子初次電離所需要的能量，親和能則指中性原子獲得一個電子所釋放的能量。 第4頁，共122頁，2022年，5月20日，17點

3、43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江52、元素的電負性及其變化規(guī)律價電子數(shù)相同的原子，電子殼層數(shù)越多，電負性越??；電子殼層數(shù)相同的原子，價電子數(shù)越多，電負性越強。 一些元素的電負性 （Pauling尺度） Li 0 Be 5 B 2.0 C 2.5 N 3.0 O 3.5 F 4.0Ne 4.44 Na 0.9 Mg 2 Al 5 Si 8 P 2.1 S 2.5 Cl 3.0Ar 3.46 Cu 9 Zn 6 Ga 6 Ge 8 As 2.0 Se 2.4 Br 2.8Kr 3.24 Ag 9 Cd 7 In 7 Sn 8 Sb 9 Te 2.1 I 2.3Xe 3.02 Au 2.4 Hg

4、9 Tl 8 Pb 8 Bi 9 Rn 3.0(Phillips尺度考慮了價電子的屏蔽)He 3.58H 2.10 Na 0.72 Mg 0.95 Al 18 Si 41 P 64S 87Cl 2.1 Cu 0.79 Zn 0.91 Ga 13 Ge 35 As 57Se 79Br 2.01 Ag 0.57 Cd 0.83 In 0.99 Sn 15 Sb 31Te 47 I 63 Au 0.64 Hg 0.79 Tl 0.94 Pb 09 Bi 24 第5頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江63、電負性決定原子的結(jié)合性質(zhì)就同種元素原子的結(jié)合而言，電

5、負性小按金屬鍵結(jié)合，電負性大按分子鍵結(jié)合，電負性中按共價鍵結(jié)合（其中共價鍵數(shù)目較少者還須依靠范德瓦爾斯力實現(xiàn)三維的結(jié)合）。就化合物的結(jié)合而言，電負性差別較大的兩種元素傾向于離子鍵結(jié)合；電負性差別不大的兩種元素傾向于共價鍵結(jié)合，但公有電子向電負性較強的一邊傾斜，因而具有一定的離子性，形成混合鍵。構(gòu)成混合鍵的兩種元素的電負性差別越大，其離子性越強。 第6頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江7各種半導(dǎo)體的構(gòu)成元素大多位于元素周期表中居中的位置，其構(gòu)成元素的電負性(化合物半導(dǎo)體的平均電負性)屬中等水平。4、電負性與半導(dǎo)體第7頁，共122頁，2022年，5月2

6、0日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江8二、共價結(jié)合與正四面體結(jié)構(gòu)1、原子排列近程序的3個基本要素 配位數(shù)、鍵長和鍵角2、共價結(jié)合的配位數(shù)元素型共價鍵晶體的配位數(shù)遵從8N法則；化合物型共價鍵晶體的配位數(shù)等于其平均價電子數(shù)。III-V、II-VI化合物的平均價電子數(shù)與 IV族元素型共價鍵晶體一樣，都是4配位。3、正四面體結(jié)構(gòu)（Tetrahedron） 原子的四配位密排方式；4個鍵角相等，皆為10928 。第8頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江9三、金剛石（Diamond）結(jié)構(gòu)元素半導(dǎo)體金剛石、硅（Si）、鍺（Ge）和灰錫（-Sn）的晶體結(jié)構(gòu)。

7、金剛石第9頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江10晶格結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)閃鋅礦型結(jié)構(gòu)NaCl型結(jié)構(gòu)石墨結(jié)構(gòu)纖鋅礦型結(jié)構(gòu)CsCl型結(jié)構(gòu)第10頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江11四、閃鋅礦和纖鋅礦結(jié)構(gòu)雙原子層的堆垛原則第11頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江121、閃鋅礦(Zincblende) 鋅的主要礦石形態(tài)(硫化物), 屬立方對稱晶型。 ABCABC方式堆垛 第12頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江13閃鋅礦型晶體

8、結(jié)構(gòu)和混合鍵材料: -族和-族二元化合物半導(dǎo)體 例: ZnS、ZnSe、GaAs、GaP化學(xué)鍵: 共價鍵+離子鍵 (共價鍵占優(yōu)勢） 極性半導(dǎo)體第13頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江142、纖鋅礦結(jié)構(gòu)(wurtzite)閃鋅礦加熱到1020時的變形體，屬六方對稱晶型。ABAB方式堆垛第14頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江153、同質(zhì)異晶型（polytype）雙原子層堆垛順序的變化，產(chǎn)生多種不同的晶體結(jié)構(gòu)。按ABAB順序堆垛成纖鋅礦結(jié)構(gòu)(六方), 常用2H-表示；按ABCABC順序堆垛成閃鋅礦結(jié)構(gòu)(立方

9、), 用3C-或-表示；按其他順序堆垛成混合結(jié)構(gòu)，例如： 以ABAC為周期堆成4H型，其六方結(jié)構(gòu)含量50； 以ABCACB為周期堆成6H型，其六方結(jié)構(gòu)含量33； 以ABACBABC為周期堆成8H型，其六方結(jié)構(gòu)含量25； 混合結(jié)構(gòu)和六方結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱為型；第15頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江16SiC同質(zhì)異晶型（polytype）第16頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江17由化學(xué)元素周期表中的III族元素硼、鋁、鎵、銦和族元素氮、磷、砷、銻交相化合而成的16種III-族化合物半導(dǎo)體和IV族化合物碳化硅都具有

10、閃鋅礦型晶體結(jié)構(gòu)，但4種氮化物和碳化硅也可具有纖鋅礦型結(jié)構(gòu)。由化學(xué)元素周期表中的族元素鋅、鎘、汞和族元素硫、硒、碲化合而成的-族化合物，除硒化汞、碲化汞是半金屬外其余都是半導(dǎo)體，它們大部分同時具有閃鋅礦型結(jié)構(gòu)和纖鋅礦型結(jié)構(gòu)。 閃鋅礦與纖鋅礦結(jié)構(gòu)第17頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江18五、半導(dǎo)體的其他結(jié)晶類型 1、具有正四面體結(jié)構(gòu)的其他結(jié)晶類型 黃銅礦（CuFeS2）型 ，（ I-III-VI2 和 II-IV-V）2、非四面體結(jié)構(gòu)型半導(dǎo)體 還有一些重要的半導(dǎo)體材料不具有四面體結(jié)構(gòu)，這主要是-族化合物硫化鉛、硒化鉛和碲化鉛，其晶體結(jié)構(gòu)為氯化鈉型。

11、 兩個 II-VI 族化合物分子中的 II 族原子分別被一個 III 族原子和一個 I 族原子取代，兩個 III-VI族化合物分子中的 III 族原子分別被一個 II族原子和一個 IV 族原子取代第18頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江19半導(dǎo)體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu) 1 半導(dǎo)體的原子結(jié)合與晶體結(jié)構(gòu)2 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶3 半導(dǎo)體中載流子的有效質(zhì)量 4 半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級5 典型半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)6 半導(dǎo)體能帶工程概要第19頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江202 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶一 原

12、子的能級和晶體的能帶二 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶三導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的能帶第20頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江21常用原子的電子結(jié)構(gòu)一 原子的能級和晶體的能帶第21頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江22原子外圍價電子SiBPSiliconTetravalent (四價)BoronTrivalent (三價)“Acceptor”PhosphorusPentavalent (五價)“Donor”第22頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江23二、原子中的電子能

13、級與固體中的電子能帶1、分立原子的凝聚使其孤立能級分裂成帶，消除簡并有著完全相同能級結(jié)構(gòu)的N個孤立原子構(gòu)成的系統(tǒng)，一個原子有幾條能級這個系統(tǒng)也只有幾條能級；若某條能級在孤立原子中是m度簡并的，這條能級在該系統(tǒng)中的簡并度就是Nm。但在凝聚為一體時外層電子波函數(shù)的交疊使其在所有N個原子間作共有化運動。同時，原子間的相互作用也使其每一能級分裂為能值不同但差別甚小的Nm個能級，從而消除簡并，形成一個能量準(zhǔn)連續(xù)的能帶。 按此規(guī)則，由s能級分裂而成的能帶有N條能級，由p能級分裂而成的能帶應(yīng)有3N條能級。s電子填s帶，p電子填p帶，如果兩帶皆被電子填滿則為絕緣體，若有一帶未滿則為金屬。第23頁，共122頁，

14、2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江241 原子的能級和晶體的能帶n = 3n = 2 原子能級 能帶第24頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江25Solid of N atomsTwo atomsSix atomsElectrons must occupy different energies due to Pauli Exclusion principle.原子中電子能級的形成和晶體的能帶第25頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江26理論基礎(chǔ):波粒二象性(Wave-parti

15、cle Duality) DeBroglie 假設(shè): l = h/p, mV=P=hkSchrodinger 方程2 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶-能帶論周期性勢場近似-Bloch 波 電子在周期性勢場中運動,其波函數(shù)具有Bloch 波形式:(x)=uk(x+na)ei2kx第26頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江27自由電子的能級第27頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江28Kronig-Penney 模型第28頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江29K-P模型

16、E(k)-k關(guān)系第29頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江30滿帶:當(dāng)所有狀態(tài)都被電子占據(jù);金屬的價電子能級形成一個半滿帶；半導(dǎo)體的價電子能級雜化為一個滿帶和一個空帶；絕緣體的價電子能級形成一個滿帶 內(nèi)層電子金 屬內(nèi)層電子半導(dǎo)體內(nèi)層電子絕緣體三 導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的能帶第30頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江31導(dǎo)帶、價帶；空帶、滿帶導(dǎo)帶:具有空的能級,可以起導(dǎo)電作用的能帶.導(dǎo)帶上的本征激發(fā)電子很少，本征時可以認為是空帶。雜質(zhì)半導(dǎo)體導(dǎo)帶上的電子來源于施主雜質(zhì)的電離。價帶:已被價電子占滿的能帶稱為價帶。價

17、帶上的本征激發(fā)空穴很少，本征時可以認為是滿帶(電子填滿)。雜質(zhì)半導(dǎo)體價帶上的空穴來源于受主雜質(zhì)的電離。第31頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江32半導(dǎo)體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu) 1 半導(dǎo)體的原子結(jié)合與晶體結(jié)構(gòu)2 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶3 半導(dǎo)體中載流子的有效質(zhì)量 4 半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級5 典型半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)6 半導(dǎo)體能帶工程概要第32頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江333 半導(dǎo)體中載流子的有效質(zhì)量 一 半導(dǎo)體能帶極值附近的 E(k)函數(shù)與k的關(guān)系二 導(dǎo)電電子和空穴的有效質(zhì)量三 三維K空間的等能面

18、四 回旋共振第33頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江34一、半導(dǎo)體中極值附近E(k)與k的關(guān)系一維E(k)函數(shù)極值附近的Ek關(guān)系:在能帶(導(dǎo)帶)底部和(價帶) 頂部附近,將E(k)進行泰勒展開.設(shè)能帶底位于k=0,將E(k)在 k=0附近進行泰勒展開:對于給定的半導(dǎo)體,此為定值在 K=0附近,此值為0稱mn*為周期勢場中電子處于E(k)極值附近時的有效質(zhì)量,對極小值，二階導(dǎo)數(shù)0，所以導(dǎo)帶底附近電子 mn*為正第34頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江35二、導(dǎo)電電子和空穴的有效質(zhì)量 同樣,若能帶頂位于k=

19、0,將E(k)在 k=0附近進行泰勒展開:能帶頂電子有效質(zhì)量mn*對于能帶（價帶）頂，二階導(dǎo)數(shù)0，所以價帶頂附近電子 mn*為負第35頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江36空穴的有效質(zhì)量在外力 f 的作用下，價帶頂附近電子的加速度可記為 于是該式改寫為 式中稱為空穴的有效質(zhì)量。對極大值，(d2E/dk2)0，所以價帶頂附近電子 mn*為負； 式中第36頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江37有效質(zhì)量的意義分別代表導(dǎo)帶底和價帶頂?shù)那剩从衬芰看笮恿孔兓拿舾谐潭入娮拥募铀俣仁前雽?dǎo)體內(nèi)部勢場和外電場作用

20、的綜合效果。因此，有效質(zhì)量概括了半導(dǎo)體內(nèi)部勢場的作用，直接把外力F和電子的加速度聯(lián)系起來，使得在解決半導(dǎo)體中電子在外力作用下的運動規(guī)律時可以不涉及半導(dǎo)體內(nèi)部勢場的具體形式。有效質(zhì)量可以由實驗測定,方便的解決了電子運動的規(guī)律。第37頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江38三、三維K空間的等能面K空間與布里淵區(qū)的概念k空間按E(k)的周期變化分為若干區(qū)域，每個區(qū)域中E(k)作為k的多值函數(shù)重復(fù)出現(xiàn)。稱邊界為1/2a的區(qū)域為簡略布里淵區(qū)。：布里淵區(qū)中心； L：布里淵區(qū)邊界與（111）軸的交點； X：布里淵區(qū)邊界與（100）軸的交點；：布里淵區(qū)邊界與（110

21、）軸的交點。第38頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江391、導(dǎo)帶底不在布里淵區(qū)中心的一般情況 (k 00 )仍將E(k)函數(shù)在k0附近泰勒展開，直接用mx*，my*， mz*分別表示電子沿kx，ky，kz方向的有效質(zhì)量，其值滿足令E(k0)=EC，表示導(dǎo)帶底的能量，上式可改寫成第39頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江40設(shè)極值位于100方向某點(k0 x, 0, 0)，則等能面方程變?yōu)樘厥鈽O值點附近的旋轉(zhuǎn)橢球面 ml 和mt 分別是導(dǎo)帶底電子的有效質(zhì)量沿100方向的分量（縱有效質(zhì)量）和垂直于100方向的

22、分量（橫有效質(zhì)量） 由于晶體的對稱性，k0 在k 空間可能有若干個對稱的等價點 于是形成等價能谷 kxkykz0方向上的六個等價能谷 第40頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江412、導(dǎo)帶底k0且有效質(zhì)量各向同性的特殊情況設(shè)導(dǎo)帶底位于布里淵區(qū)中心, 即k0, 其能量E(0)EC, 且mx*my*mz*mn*，即有效質(zhì)量各向同性，則導(dǎo)帶底附近的等能面方程變?yōu)檫@是一個球面方程，其半徑即在這種特殊情況下，波數(shù)相等的狀態(tài)能量相等。 第41頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江42四、回旋共振實驗 將一快半導(dǎo)體樣品置于

23、均勻恒定的磁場中，再以高頻電磁波通過樣品，改變交變電磁場的頻率，測出共振吸收峰。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)磁場強度相對于晶軸有不 同的取向時，可以得到為數(shù)不等的共振吸收峰個數(shù)。回旋共振實驗首次測定了載流子的有效質(zhì)量第42頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江43電子運動方程在磁場強度B作用下，以速度V運動的載流子受到的洛倫茲力為：運動軌跡為一螺旋線，圓周運動的回轉(zhuǎn)頻率c為：考慮到各向異性，設(shè) B 沿波矢 kx、ky、kz軸的方向余弦分別為、，則電子運動的方程分別為：第43頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江44共振吸收

24、頻率利用共振吸收的方法測出回旋頻率C，對已知磁感應(yīng)強度B,即可由此式算出有效質(zhì)量mn*。第44頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江45硅的磁旋共振實驗若B沿(111)方向， 有一個共振吸收峰若B沿(110)方向， 有二個共振吸收峰若B沿(100)方向， 有二個共振吸收峰若B沿任意方向， 有三個共振吸收峰kxky(100)(001)(010)kz(111)B第45頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江46(001)方向的旋轉(zhuǎn)橢球等能面由于對稱性，kx、ky方向有效質(zhì)量相同，記為mt，kz方向有效質(zhì)量記為ml，分

25、別稱為橫向和縱向有效質(zhì)量。則等能面方程為：001BK0Kx100Ky010kz以(001)方向的旋轉(zhuǎn)橢球等能面為例。選取kz軸沿(001)方向，磁場B與kz組成一個平面，在此平面內(nèi)選取kx垂直于kz 軸，該面的法向作為ky。B與kz的夾角為第46頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江47硅導(dǎo)帶極值在(100)軸及相應(yīng)的對稱方向上B方向kz方向100010001001cos2110000sin2001111110cos2001/21/200sin2111/21/211111cos21/31/31/31/31/31/3sin22/32/32/32/32/3

26、2/3選取(100)軸及相應(yīng)的對稱方向(共6個)依次作為kz方向，磁場B與各個kz組成平面。001010100kz2個2個1個第47頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江48硅導(dǎo)帶極值在(110)軸及相應(yīng)的對稱方向上B方向kz方向100-10000100-10100-10001cos2010sin2101010cos2101sin2010111cos21/210sin21/201選取(110)軸及相應(yīng)的對稱方向依次作為kz方向，磁場B與各個kz組成平面。kx在磁場B與kz組成的平面內(nèi)且垂直于kz 軸,ky垂直于該平面.B與kz之間的夾角為110kz00

27、1100010第48頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江49鍺導(dǎo)帶極值在(111)軸及相應(yīng)的對稱方向上B方向kz111-1-1-11-11-11-111-1-1-11111cos2100sin2011110cos22/31/32/3sin21/32/31/3100cos21/31/31/3sin22/32/32/3kz001111100010依次選取(111)軸及相應(yīng)的對稱方向作為kz方向，磁場B與各個kz組成平面。第49頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江50Ge、Si 和GaAs中載流子的有效質(zhì)量第50

28、頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江51半導(dǎo)體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu) 1 半導(dǎo)體的原子結(jié)合與晶體結(jié)構(gòu)2 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶3 半導(dǎo)體中載流子的有效質(zhì)量 4 半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級5 典型半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)6 半導(dǎo)體能帶工程概要第51頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江524 半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級一、半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷的施、受主作用二、典型半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級第52頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江53一、半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷的施、受主作用1、真實晶體及

29、其禁帶中的允許能級 1）、雜質(zhì)存在的可能性 2）、雜質(zhì)類型 3）、雜質(zhì)能級2、多重電離雜質(zhì)的作用及其能級 3、兩性雜質(zhì)及其能級第53頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江54實際應(yīng)用中，半導(dǎo)體內(nèi)載流子(carriers, 電子和空穴)的數(shù)量(密度 density)、活動力(遷移率 mobility)以及在非熱平衡條件下產(chǎn)生的額外載流子(excess carriers)壽命 (lifetime) 主要受雜質(zhì)或缺陷的控制。一、 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷的施、受主作用決定熱平衡狀態(tài)下的載流子密度 施、受主作用；決定遷移率的高低散射作用；決定額外載流子的壽命 復(fù)合作

30、用。半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷的三大作用：第54頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江552、真實晶體及其禁帶中的允許能級1）、雜質(zhì)存在的可能性（1）晶格的原子占空比 （金剛石結(jié)構(gòu)和閃鋅礦結(jié)構(gòu)）第55頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江56間隙與空位為雜質(zhì)原子的進入和存在提供了兩種位置，并為雜質(zhì)在半導(dǎo)體中的擴散提供了有效的途徑。（2）晶格中的間隙（Interstice） 四面體間隙 T（Tetrahedral） 六角錐間隙 H（Hexangular）（3）晶格中的空位 （Vacancy） 第56頁，共122頁，202

31、2年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江572、雜質(zhì)類型2）施主（Donor）雜質(zhì) 比晶格主體原子多一個價電子的替位式雜質(zhì)。它們在適當(dāng)?shù)臏囟认履軌蜥尫哦嘤嗟膬r電子而在半導(dǎo)體中產(chǎn)生非本征自由電子并使自身電離。 3）受主（accepter）雜質(zhì) 比晶格主體原子少一個價電子的替位式雜質(zhì)。它們在適當(dāng)?shù)臏囟认履軌蛳騼r帶釋放空穴而在半導(dǎo)體中產(chǎn)生非本征自由空穴并使自身電離。 1）共價環(huán)境與外來原子 當(dāng)主體晶格給外來原子提供的是一個過配位環(huán)境時，外來原子的價電子數(shù)必不符合環(huán)境對共價電子數(shù)的要求。第57頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江581）、施

32、主Donor和受主Acceptor施主：摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中 提供 導(dǎo)電的電子，并成為帶正電的離子。如Si中摻的P , As, Sb 受主：摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體 中提供導(dǎo)電的空穴,并成為帶負電的離子.如 Si中摻的Al, B, Ga, In 施主和受主濃度ND、NA第58頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江59雜質(zhì)電離：電子脫離雜質(zhì)原子的束縛成為導(dǎo)電電子的過程稱為雜質(zhì)電離,所需能量為雜質(zhì)電離能E。施主電離：施主雜質(zhì)釋放電子的過程稱為施主電離，對應(yīng)的電離能稱為施主電離能ED。受主電離：空穴掙脫受主雜質(zhì)束縛的過程稱為受主電離，對應(yīng)的電離

33、能稱為受主電離能EA。雜質(zhì)的電離第59頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江602） 施主雜質(zhì) 施主能級晶體雜質(zhì)(Ed)PAsSbSi0.O440.0490.036Ge0.012 60.012 70.009 6第60頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江613） 受主雜質(zhì) 受主能級晶體雜質(zhì)(Ea)BAlGaInSi0.O45eV0.057eV0.065eV0.16eVGe0.01eV0.01eV0.011eV0.011eV第61頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江62

34、雜質(zhì)能級的表示+ECEVED-EAECEV在施主能級ED上畫一小黑點，表示被施主雜質(zhì)束縛的電子，這時施主雜質(zhì)處于束縛態(tài)。當(dāng)電子得到能量ED后，就從施主的束縛態(tài)躍遷到導(dǎo)帶成為導(dǎo)電電子，在導(dǎo)帶中以小黑點表示進入導(dǎo)帶中的導(dǎo)電電子；施主能級處畫的 符號表示施主雜質(zhì)電離以后帶正電荷。在受主能級EA上畫一小圓圈，表示被受主雜質(zhì)束縛的空穴，這時受主雜質(zhì)處于束縛態(tài)。當(dāng)空穴得到能量EA后，就從受主的束縛態(tài)躍遷到價帶成為導(dǎo)電空穴，在價帶中以小圓圈表示進入價帶中的導(dǎo)電空穴；受主能級處畫的 符號表示受主雜質(zhì)電離以后帶負電荷。-+第62頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江63

35、3、雜質(zhì)能級1）類氫模型淺能級雜質(zhì)電離能的簡單計算鍺、硅的相對介電常數(shù)r分別為16和12，因此，雜質(zhì)在鍺、硅晶體中的電離能分別為0.05 m*/ m0和0.1 m*/ m0。因為m*/ m0一般小于l，所以，鍺、硅中的雜質(zhì)電離能一般小于0.05eV和0.1eV。 氫原子的電離能雜質(zhì)電離能第63頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江642）施主能級和受主能級3）n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體 n 型半導(dǎo)體價 帶導(dǎo) 帶施主能級ED價 帶導(dǎo) 帶受主能級EAp 型半導(dǎo)體n型: 含有一定濃度施主雜質(zhì), 主要依靠電子導(dǎo)電；p型: 含有一定濃度受主雜質(zhì), 主要依靠空穴導(dǎo)電。

36、第64頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江65二、多重電離雜質(zhì)的作用及其能級 1、金剛石結(jié)構(gòu)中的I族雜質(zhì)只有一個價電子的雜質(zhì)原子取代 4 配位的主體原子，有兩種可能的方式穩(wěn)定存在于主體原子的共價環(huán)境中：1）釋放其唯一的價電子而成為正離子；2）依次接受1個、2個、3個電子，成為多重負離子。 2、金剛石結(jié)構(gòu)中的II、VI族雜質(zhì)II族雜質(zhì)在金剛石結(jié)構(gòu)中的行為與I族元素雜質(zhì)類似，一般會產(chǎn)生兩條深受主能級和一條深施主能級。 深能級概念VI族雜質(zhì)在金剛石結(jié)構(gòu)中的行為與V族雜質(zhì)類似，可順次釋放多余的兩個價電子，只起施主作用，但兩條施主能級都是深能級。 第65頁，共

37、122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江66三、兩性雜質(zhì)及其能級 特點：同樣環(huán)境下既可為施主，也可是受主，但施主能級位于受主能級之下，因為對這種雜質(zhì)而言，接受一個電子是比釋放一個電子更高的能量狀態(tài)。 1、同位異性雜質(zhì) 2、異位異性雜質(zhì) 化合物半導(dǎo)體中特有的雜質(zhì)行為。在這種情況下，雜質(zhì)的作用與III族和V族雜質(zhì)原子在VI族元素半導(dǎo)體中的行為相似，而與上述同位異性雙性原子所受到的約束不同，行為不同，其施主能級和受主能級一般都是淺能級.第66頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江67在摻 Si 濃度小于 11018 cm-3

38、 時，Si 全部取代 Ga 位而起施主作用，這時摻 Si 濃度和電子濃度一致；而在摻 Si 濃度大于 1018 cm-3 時，部分 Si 原子開始取代 As 位，出現(xiàn)補償作用，使電子濃度逐漸偏低。例如：第67頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江68四、缺陷的施、受主作用及其能級 1、點缺陷點缺陷的施主或受主作用點缺陷在材料中是起施主還是受主作用，決定于它們自身的性質(zhì)和環(huán)境。 VM起受主作用， VX起施主作用 空位間隙原子 錯位原子 Frenkel defectXMXMMMMMMMMMMMMMXXXXXXXXXXXXXMMVMVX第68頁，共122頁，

39、2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江692、位錯 (Dislocation)位錯的施受主作用 受主 施主第69頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江70五、施主與受主之間的補償 1、淺能級雜質(zhì)間的補償2、深能級雜質(zhì)的補償3、高度補償價 帶導(dǎo) 帶EDEA價 帶導(dǎo) 帶價 帶導(dǎo) 帶EDEAEDEA第70頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江71對雜質(zhì)高度補償問題的說明若雜質(zhì)濃度控制得當(dāng)，使NDNA，則施主所提供的電子剛好將受主能級填滿，即便雜質(zhì)濃度很高，施主雜質(zhì)仍不能向?qū)峁╇娮樱苤麟s

40、質(zhì)也不能向價帶提供空穴。這種現(xiàn)象稱為雜質(zhì)的高度補償。高度補償?shù)牟牧先菀妆徽`認為是高純材料，而實際上含有雜質(zhì)。特別是在雜質(zhì)濃度很高的情況下，材料的性能會因為雜質(zhì)濃度很高而變差，般不能用來制造半導(dǎo)體器件。但是，若能在雜質(zhì)濃度不高的情況下實現(xiàn)高度補償，則因其電阻率高，可作為電絕緣材料使用，例如微波器件的半絕緣襯底。 第71頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江72晶體管制造過程中的雜質(zhì)補償 半導(dǎo)體器件和集成電路生產(chǎn)中就是利用雜質(zhì)補償作用，在n型Si外延層上的特定區(qū)域摻入比原先n型外延層濃度更高的受主雜質(zhì)，通過雜質(zhì)補償作用就形成了p型區(qū)，而在n型區(qū)與p型區(qū)的交

41、界處就形成了pn結(jié)。如果再次摻入比p型區(qū)濃度更高的施主雜質(zhì)，在二次補償區(qū)域內(nèi)p型半導(dǎo)體就再次轉(zhuǎn)化為n型，從而形成雙極型晶體管的n-p-n結(jié)構(gòu)。 第72頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江731、淺能級二 典型半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級 一、硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級硅、鍺晶體中常見的淺施主雜質(zhì)有P、As、Sb，淺受主雜質(zhì)有B、Al、Ga、In。其電離能在禁帶較寬的硅中大約是0.040.05eV；在鍺中大約是0.01eV左右。 鋰在硅、鍺中是填隙式雜質(zhì)，能級距導(dǎo)帶底分別為0.034eV和0.009eV ，為淺施主。In在鍺中的電離能為0.01eV，是典型的淺

42、受主；在硅中的電離能為0.16eV，為深受主。Al在硅中還有一條深施主能級（價帶頂以上0.17eV）第73頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江74 非 III 、非 V 族雜質(zhì)在硅、鍺晶體中的行為與前節(jié)的理論分析和預(yù)期基本相符。有些雜質(zhì)的預(yù)期能級沒有在禁帶中出現(xiàn)，譬如硅中金的兩個深受主（二重和三重負電中心）。預(yù)期中的深受主未能發(fā)現(xiàn)的可能原因是這些能級已進入導(dǎo)帶，預(yù)期中的深施主如果沒有發(fā)現(xiàn)則可能是進入了價帶。2、深能級1）深能級雜質(zhì)第74頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江75 深能級雜質(zhì)-Au的電子組態(tài)是：

43、5s25p65d106s1 在Ge中摻Au：第75頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江76在Ge中摻Au：EcEvED第76頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江77EcEvEDEA1在Ge中摻Au：第77頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江78EcEvEDEA1EA2EA3 深能級雜質(zhì)第78頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江79深能級雜質(zhì)EA3=Ec0.04eV 第79頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43

44、分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江80深能級雜質(zhì)-在Si中摻Au：金是硅中的深能級雜質(zhì)，在硅中形成雙重能級；位于導(dǎo)帶低以下0.54eV的受主能級EtA，和位于價帶頂以上0.35eV的施主能級EtD。但是，金是硅中的兩個深能級并不是同時起作用的。在n型硅中，費米能級總是比較靠近導(dǎo)帶，電子基本填滿了金的能級，所以在n型硅中，只有受主能級EtA起作用；而在p型硅中，金的能級基本上是空的，因而只存在施主能級EtD 。深能級一般作為復(fù)合中心對載流子和導(dǎo)電類型影響較小 深能級瞬態(tài)譜儀測量雜質(zhì)的深能級第80頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江81ImpurityTyp

45、ePosition in theForbidden groupn (cm2)p(cm2)AudEv+ 0.35 eV10-153.510-15aEc- 0.55 eV810-179.010-15CudEv+ 0.24 eV3.510-20aEv+ 0.37 eVaEv+ 0.52 eVFedEv+ 0.39 eV2.010-17NiaEc- 0.35 eV710-12aEv+ 0.23 eVPtdEv+ 0.32 eV510-14 10-15aEv+ 0.36 eVaEc- 0.25 eVZnaEv+ 0.32 eV10-1510-13aEc- 0.5 eV10-1910-13深能級雜質(zhì)第81

46、頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江823）硅中的稀土金屬鉺 (Er)、釹(Nd) 鉺(Er)：Libertino 等用深能級瞬態(tài)譜(DLTS) 測量了用離子注入法摻入硅中的Er的深能級，發(fā)現(xiàn)與Er有關(guān)的4個能級分別位于EC0 .151、0.134、0.126、0.120 eV處；Cavallini等在液相外延p 型硅中用 DLTS觀察到一個空穴陷阱和兩個電子陷阱, 分別位于EV +0.132 eV，EC0.139 eV 和EC0.120 eV處。 釹(Nd)：1965年報道，注Nd將P型硅轉(zhuǎn)變成n型，并伴隨出現(xiàn)一位置為E C0.330.07 eV的

47、深能級。另有報道認為Si中摻Nd后產(chǎn)生施主能級EC0.21eV和受主能級EV +0.21eV。2003年的一篇文獻報道硅中Nd施主能級為EC0.32 0.04 eV。 第82頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江83用電子輻照的方法提高硅開關(guān)器件的工作頻率，就是對雙空位0.40eV深能級的有效利用。雙空位：常見于高阻n型硅中, 有三條深能級：EC0.40 eV, EV+0.27 eV，以及禁帶中心附近的一條； E中心：P、As、Sb等施主雜質(zhì)與空位構(gòu)成的穩(wěn)定絡(luò)合物，常見于低阻n型硅中；能級在EC0.430.003 eV處；A中心：O與空位的絡(luò)合物，常見

48、于用直拉法制備的單晶硅中, 對器件性能有嚴重影響, 能級在EC0.17eV處4）深能級缺陷高能輻照在Si中產(chǎn)生空位和間隙原子。單空位易向表面擴散而消失；雙空位或空位雜質(zhì)絡(luò)合物不易通過擴散而消失，因而是硅中的常見深能級缺陷。第83頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江84二、IIIV族化合物中的雜質(zhì)及其能級族元素,一般起受主作用,如銀,金,銅2.族元素,通常可以取代族原子,表現(xiàn)為 受主雜質(zhì).如鈹、鎂、鋅等。3.族元素,對于與基質(zhì)晶體原子具有同數(shù)量價電子的等電子替位雜質(zhì)，當(dāng)出現(xiàn)電負性、共價半徑較大差異時，會形成等電子陷阱，再接受相反電荷可以形成束縛激子。4

49、.族元素，替代族原子可以起施主作用，如硅、鍺等：5.族元素常常替代族原子表現(xiàn)為施主雜質(zhì)，如氧、硫、碲等。6.過度元素除釩外均產(chǎn)生受主（深）能級。第84頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江851）II族雜質(zhì)取代III價元素起淺受主作用。例如： 鈹、鎂、鋅、鎘在砷化鎵中占據(jù)鎵位，引入的淺受主能級分別在EV0.028，0.028，0.031和0.035 eV； 鈹、鎂、鋅、鎘在磷化鎵中占據(jù)鎵位，引入的淺受主能級分別在EV 0.056，0.054，0.064和0.009eV。鋅、鎘在磷化銦中也是淺受主雜質(zhì)。常用鋅或鎘作為摻雜劑制備p型III-V族化合物；在制

50、造砷化鎵二極管和三極管時也用鎂作為p型摻雜劑1、II、VI族雜質(zhì)第85頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江862）VI族雜質(zhì)取代V價元素起淺施主作用 S、Se、Te在砷化鎵中占據(jù)砷位后，分別引入EC0.006、0.006 和 0.03 eV的淺施主能級；S、Se、Te在磷化鎵中占據(jù)砷位后，分別引入EC0.104、 0.102 和 0.0895eV的淺施主能級。工程中常用Te或Se作為施主雜質(zhì)制備n型III-V族化合物。O雖然也是VI族元素，但它在砷化鎵中產(chǎn)生的是深施主能級，位置在EC 0.4，0.80 和 20 eV。其中，后兩個能級也許與氧代鎵位有

51、關(guān)。O在磷化鎵中產(chǎn)生EC0.896eV處的一個深施主能級。在p型GaAs中摻氧，制備半絕緣襯底（室溫107.cm） 第86頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江872、等電子陷阱1）等電子雜質(zhì)的陷阱效應(yīng) 等電子雜質(zhì)：與被替換的主體原子具有相同價電子數(shù)，但因原子序數(shù)不同而具有不同共價半徑和電負性，因而能俘獲電子或空穴成為帶電中心的雜質(zhì)。氮的共價半徑和電負性分別為 0.07 nm 和 3.0 (Pauling)，磷的共價半徑和電負性分別為 0.11 nm和 2.1；氮有較強的俘獲電子傾向，在GaP中取代磷后能俘獲電子成為負電中心。 鎵磷氮第87頁，共122

52、頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江88磷化鎵中氮的能級在導(dǎo)帶底以下0.008eV，但它是電子陷阱而非施主，所以是一個深能級。鉍的共價半徑和電負性分別為0.146nm和9，在磷化鎵中取代磷后成為空穴陷阱，能級在價帶頂以上0.038 eV，因為是俘獲空穴而非向價帶釋放空穴，因而也是深能級。 等電子陷阱俘獲載流子后成為帶電中心，這一帶電中心由于庫侖作用又能俘獲極性相反的另一種載流子，形成束縛激子(exiton)。這種束縛激子在由間接帶隙半導(dǎo)體材料制造的發(fā)光器件中起主要作用 2、等電子陷阱第88頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)

53、院胡江892）等電子絡(luò)合物的陷阱效應(yīng)在磷化鎵中，當(dāng)替換鎵的鋅原子與替換磷的氧原子處于相鄰格點時，就形成一個電中性的Zn-O對（施受主對）絡(luò)合物。由于性質(zhì)上的差異(氧的電負性為3.5，磷只有2.1), Zn-O對像等電子雜質(zhì)氮一樣，也能俘獲電子。其能級在導(dǎo)帶底以下0.30 eV。氧鋅鎵磷第89頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江903、 一價元素雜質(zhì) 一價元素雜質(zhì)一般在砷化鎵中引入受主能級。Ag有兩條受主能級：EV0.11eV 和 EV 0.238eV；Au有一條受主能級： EV 0.09eV；Cu在砷化鎵中既可以替位式存在，也可以間隙式存在。替位式銅

54、產(chǎn)生兩條受主能級： EV0.14 eV 和EV0.44 eV；間隙式銅產(chǎn)生的是一條淺施主能級： EC 0.07eV；Cu-Cu雜質(zhì)對在砷化鎵中引人深受主能級EV0.44 eV ；間隙式鋰離子引入激活能為0.023eV的淺受主能級。Na在GaAs中也起施主作用，但沒有人采用它作摻雜劑。 第90頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江91 4、過渡族元素雜質(zhì) 過渡金屬一般在III-V族化合物中產(chǎn)生深能級。是受主還是施主無明顯規(guī)律。例如在砷化鎵中, 釩（V）產(chǎn)生一條深施主能級EC0.22eV；鉻、錳、鐵、鈷、鎳均產(chǎn)生受主能級，其位置依次為 EV0.79、0.0

55、95、 0.52、 0.16 和 0.21eV。 類氫原子模型同樣適合于計算化合物半導(dǎo)體中的淺能級雜質(zhì)。算得GaAs中的淺施主雜質(zhì)電離能為0.008eV，與實驗測量值基本吻合。第91頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江92三、化合物半導(dǎo)體中的缺陷能級化合物半導(dǎo)體最容易因成分偏離正?；瘜W(xué)比而形成空位。 1、空位的電導(dǎo)調(diào)制作用 MMXMMMMMMMMMMMMMXXXXXXXXXXXXMXMMMMMMMMMMMMXXXXXXXXXXXXXX產(chǎn)生M空位形成 p 型產(chǎn)生X空位形成 n 型第92頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)

56、技術(shù)學(xué)院胡江93在一些離子性很強的II-VI 族化合物中，往往存在某種形成能很低、甚至比材料的禁帶寬度還小的空位。這種材料的電阻率往往會受到這種低形成能缺陷的限制，難以再用摻雜方法加以控制，因為任何相反極性雜質(zhì)的摻入，都將產(chǎn)生出等量的這種缺陷而將其補償。2、空位的雜質(zhì)補償作用 自補償效應(yīng)：在摻雜過程中產(chǎn)生與摻入雜質(zhì)互為補償?shù)碾娀钚匀毕荩瘴唬?，從而使摻雜無效的現(xiàn)象。 第93頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江94ZnS 室溫下的禁帶寬度Eg 高達3.7 eV， 而其起施主作用的硫空位 VX 因形成能 H 僅為其禁帶寬度的0.7倍, 很容易形成。 2、

57、空位的雜質(zhì)補償作用 第94頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江95若極性不同的兩種空位的形成能相差不大，則可通過空位類型的可控改變，實現(xiàn)材料導(dǎo)電類型的改變?nèi)魳O性不同的兩種空位的形成能相差很大，則形成能小的空位將對材料導(dǎo)電類型的調(diào)控起主導(dǎo)作用。特別是空位形成能比禁帶寬度還小的半導(dǎo)體，會因為難以避免的雜質(zhì)自補償效應(yīng)而成為單極性半導(dǎo)體CdTe以外的II-VI族化合物大多是單極性半導(dǎo)體。這些材料有一些共同的特點，即熔點都比較高，其組成元素又往往具有比較高而不等的蒸氣壓，因此制備符合化學(xué)計量比的完美單晶體十分困難，而空位等晶格微缺陷的形成卻比較容易。 2、空位

58、的雜質(zhì)補償作用 第95頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江96四、寬禁帶半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級寬禁帶半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷的電離能一般都超過0.1eV，目前只發(fā)現(xiàn)纖鋅礦氮化鎵中的氮空位和占據(jù)鎵位的Si是個例外，其電離能在0.01eV和0.03eV之間，氮只在3C-SiC和4H-SiC中發(fā)現(xiàn)有小于0.1eV的淺施主能級。其余雜質(zhì)能級和缺陷能級皆為電離能較高的深能級（0.1eV）。因此，寬禁帶半導(dǎo)體常使用電離能相對較小的深能級雜質(zhì)做摻雜劑。 GaN使用Si 做n型摻雜劑，Si占Ga位時其能級在導(dǎo)帶底以下0.0120.02eV處；p型摻雜則只能使用能級相對較

59、淺的Mg和Zn，Mg占Ga位時的能級在價帶頂以上0.140.21eV處，Zn占Ga位時的能級在價帶頂以上0.210.34eV處， 。 1、氮化鎵（纖鋅礦型）的摻雜劑第96頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江972、碳化硅中雜質(zhì)及其能級的多值性碳化硅中的雜質(zhì)原子一般以替換硅或碳原子的替位方式存在。其中，氮、磷等原子一般只替代碳，鋁原子只替代硅，而硼原子則既可替代硅也可替代碳。由于立方結(jié)構(gòu)中的硅位和碳位與六方結(jié)構(gòu)中的硅位和碳位具有不同的次近鄰關(guān)系，雜質(zhì)原子置換不同結(jié)構(gòu)中的硅或碳所受到的靜電作用不會完全相同。因此，同一種雜質(zhì)的同一種占位方式對不同的同質(zhì)異晶

60、型有不同的能級位置。譬如，同樣是N原子占據(jù)硅位，在3C-SiC中產(chǎn)生的施主能級在導(dǎo)帶底以下0.06eV左右，而在6H-SiC中則在0.1eV左右。不僅如此，由于2H-SiC以外的其他各種-SiC同質(zhì)異晶型存在多種不等價的點陣位置，因而這些材料的同一雜質(zhì)能級常常具有多值性。第97頁，共122頁，2022年，5月20日，17點43分，星期二瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡江98譬如，6H-SiC因為有一種六方晶系的正四面體位置和兩種立方晶系的正四面體位置，同一替位雜質(zhì)就可能產(chǎn)生三條不同的能級。 N在6H-SiC中的三條施主能級分別在導(dǎo)帶底以下0.081、0.138和0.142eV（見參考書表2-5）。 N在4H