这是在计算半导体中浅能级杂质(Shallowlevelimpurity)的电离能时所经
常采用的一种模型，即把束缚着价电子的杂质原子看成为一个类氢原子。
(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。
例如Si中的施主杂质磷(P)原子，其上多出的一个价电子受到杂质原子中
心的束缚较弱，则该电子就很容易被热激发而成为自由的载流子(即进入导带);
这就意味着，这种施主杂质的能级离开导带底很近(电离能很小)，是所谓浅能
级。
咸潮入侵
这种受到束缚较弱的电子在晶体中的轨道半径较大[可遍及许多个元胞]，
类似氢原子上的束缚电子，因而这些杂质能级的位置可以采用氢原子电离能的
计算公式来进行估算，这就是所谓类氢模型。这种施主或者受主杂质就称为类
氢杂质，有时也称为浅能级杂质。
因为氢原子中电子的量子化能量为En=-moq4/(8εo2h2n2),
则氢原子基态电子的电离能为ΔEo=E∞-E1=moq4/(8εo2h2)=13.6eV.
对于半导体中的施主或者受主杂质原子，它对其价电子的束缚比较弱，则
可以采用类氢模型来近似计算它们的电离能，但是这里的电子态又与氢原子的
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
国光初级中学中心的引力将减弱εr倍，束缚能量也将相应地减小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).
可见，浅能级杂质的电离能与晶体的有效质量成正比、与介电常数成反比。
对于G e:εr=16，ΔEd=0.05(mn*/mo)；因一般(mn*/mo)1，则ΔEd0.05eV;
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ΔEd0.1eV；若
取ml=0.98m0，mt=0.19m0，mn*=0.26m0，则得到ΔEd=0.025eV，这也与实验基
本符合。因为Si的介电常数较大于Ge，因此Si的施主电离能较大一些是很自
然的。
(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]。
威海卫生365b)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
twamp
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]。
假如初三不再补课(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)。
(5)宽禁带半导体的类氢杂质能级:
椒盐噪声因为杂质的电离能与晶体的有效质量成正比，而宽禁带半导体的载流子有效质量一般都较大(特别是价带空穴)，所以宽禁带半导体的施主或受主的电离能也都较大，即能级都较深，如表所列。
因为施主或受主的电离能较大，所以在室温下这些施主或受主往往难以电离出载流子；并因此也就使得宽禁带半导体的导电型号较难以利用掺杂来加以改变--成为单极性半导体。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议