浅能级杂质

Shallow level impurity　　　　 浅能级杂质

（1）基本概念和能级计算：

浅能级杂质就是指在半导体中、其价电子受到束缚较弱的那些杂质原子，往往就是能够提供载流子——电子或空穴的施主、受主杂质；它们在半导体中形成的能级都比较靠近价带顶或导带底，因此称其为浅能级杂质。

这些杂质能级的位置可以采用所谓类氢模型来计算。氢原子中电子的量子化能量为

En =－moq4 /(8εo2 h2 n2)，其基态电子的电离能为 ΔEo = E∞－E1 = moq4 /(8εo2 h2) = 13.6 eV。

对于半导体中的浅能级杂质原子，它对其价电子的束缚比较弱，这类似于氢原子，但又有两点不同：a）电子处于半导体中，若半导体的介电常数为ε= εoεr,，则电子受到正电中心的引力将减弱εr倍，束缚能量也将减小εr2倍；b）电子在晶格周期性势场中运动, 则电子的质量需用有效质量mn*来代替mo；因此，对于施主杂质，得到电离能为　 ΔEd = (mn* /mo) (ΔEo /εr2 )。对于受主杂质，电离能则为　　　　 ΔEa = (mp* /mo) (ΔEo /εr2 )。

对于Ge：εr = 16，ΔEd = 0.05(mn*/mo)；因一般(mn*/mo)<1，则ΔEd<0.05 eV；若取

1/mn* = (1/ml+2/mt)/3，ml=1.64mo，mt=0.0819m0，则mn*= 0.12m0，得到ΔEd= 0.0064eV，这与实验在数量级上基本相符。

对于Si：εr = 12，ΔEd= 0.1(mn*/m0)，因一般(mn*/mo)<1，则ΔEd<0.1 eV；若取

ml=0.98m0，mt=0.19m0，mn*=0.26 m0，则得到ΔEd=0.025eV，这也与实验基本符合。

（2）Ge和Si中的浅能级杂质举例：

a）施主杂质是Ⅴ族元素，都是替位式杂质；在Ge中的电离能为P[0.012eV]、As[0.013eV]、Sb[0.0096eV]；在Si中的电离能为P[0.044eV]、As[0.049eV]、Sb[0.039eV]。

b）受主杂质是Ⅲ族元素，也都是替位式杂质；在Ge中的电离能为B[0.0104eV]、Al[0.0102eV]、Ga [0.0108eV]、In [0.0112eV]；在Si中的电离能为B[0.0104eV]、Al[0.0102eV]、Ga [0.0108eV]，In的能级比较深 [0.16eV]。

（3）Ⅲ-Ⅴ族半导体中的浅能级杂质:

a）在GaAs、GaP等Ⅲ-Ⅴ族半导体中，Ⅵ族元素是施主杂质，替代晶格上的Ⅴ族原子。它们在GaAs中的电离能分别为S[0.00587eV]、Se[0.00579eV]、Te[0.03eV]、O[有一个浅能级和一个0.75eV的深施主能级]；在GaP中的电离能分别为S[0.107eV]、Se[0.105eV]、Te[0.093eV]、O[只有一个0.897eV的深能级]。在GaAs和

GaP中常用的施主杂质是Se和Te 。

b）Ⅱ族元素是受主杂质，替代晶格上的Ⅲ族原子。它们在GaAs中的电离能分别为Be[0.028eV]、Mg[0.0288eV]、Zn [0.0307eV]、Cd[0.0347eV]、Hg[0.012eV]；在GaP中的电离能分别为Be[0.057eV]、Mg[0.060eV]、Zn[0.070eV]、Cd[0.102eV]。GaAs和GaP中常用的受主杂质是Zn、Cd和Mg。

c）Ⅳ族元素 (C、Si、Ge、Sn、Pb等) 属于两性杂质，一般形成浅能级。当它们替代晶格上的Ⅲ族原子时表现为施主，替代晶格上的Ⅴ族原子时表现为受主；如果是混乱地替代Ⅲ族和替代Ⅴ族原子，则总效果是起施主还是起受主作用，将与掺杂浓度和浓度条件有关。

杂质Si在GaAs中通常是取代Ga而起施主作用 (EC－0.002eV)，但当Si浓度>1018cm-3时，将取代As而主要起受主作用 (Ev+0.03eV)；另外, Si还产生两个与络合物有关的能级( [SiGa-SiAs]或[SiGa-VGa]络合物产生的(Ev+0.10eV)能级, [As-空位] 络合物产生的(Ev+0.22eV)能级)。Ge、Sn在GaAs中当取代Ga时都产生 (EC－0.006eV) 的浅施主能级, 当取代As时都产生受主能级 (Ge的为[Ev+0.03eV], Sn的为[Ev+0.20eV])，Ge络合物还产生一个(Ev+0.07eV)的受主能级。一般, Si 、Ge、Sn常用作为GaAs的浅

施主杂质。

Ⅳ族元素Si在GaP中取代Ga时将起施主作用[EC－0.082eV]，取代As时将起受主作用[Ev+0.203eV]。C在GaP中将产生一个受主能级[Ev+0.041eV]。Ge在GaP中将产生一个受主能级[Ev+0.30eV]。Sn在GaP中将产生一个施主能级[EC－0.065eV]。

（4）Ⅱ-Ⅵ族半导体中的浅能级杂质:

在CdTe、ZnS等半导体中，Ⅲ族元素取代晶体的Ⅱ族原子，和Ⅶ族元素取代晶体的Ⅵ族原子时，都将起施主作用；例如, CdTe中的In、Al、Cl都是施主 (电离能为0.014eV)。Ⅰ族元素取代晶体的Ⅱ族原子，和Ⅴ族元素取代晶体的Ⅵ族原子时, 都将起受主作用；例如, CdTe中的Li、Na、P都是受主 (电离能为0.03eV)。