半导体物理第二章 半导体中的杂质和缺陷能级
半导体物理第二章 半导体中的杂质和缺陷能级
为什么要研究杂质和缺陷能级啊？第一是因为这事客观存在的：因为现实中有一些偏离理想的复杂情况，首先，原子自己不是静止的，不是在严格的周期性晶格的格点位置就不动了，而是在平衡位置上会发生振动；其次，杂质是必然存在的，再次，实际晶格结构并不是完整无缺的，存在着各种形式的缺陷。晶格中原子周期性排列被破坏，形成缺陷。点缺陷，线缺陷，面缺陷。第二是因为它们会对半导体材料的物理和化学性质产生决定性的影响。 从微观上来讲，他们会在禁带中引入允许电子具有的能量状态（能级）。
2.1硅锗晶体中的杂质能级
杂质在晶体中的位置以金刚石结构为例，一个原胞内部原子所占晶胞的体积为34% ，剩下的都是空隙，说明有很多间隙位置，客观上有条件。间隙位置也有两种，一种是四面体间隙，一种是六角形间隙。杂质原子一般有两种存在方式：一种是间隙式杂质，一种是替位式杂质。 间隙杂质要求原子比较小，替位杂质要求原子的大小和晶格原子比较接近。
施主杂质、施主能级：以p 在si 中为例，p会形成一个正电中心P+和一个多余的价电子。需要很少的能量就可以使价电子挣脱束缚成为导电电子。这个能量就是杂质电离能，这个过程就是杂质电离。释放电子产生导电电子并形成正电中心，就是施主杂质，释放电子的过程就是施主电离，施主杂质未电离时是中性的，称为束缚态或者中性态，电离之后成为正电中心，称为离化态。
施主杂质能级在能带图中如39页所示。
受主杂质和受主能级类似施主杂质和施主能级。
浅能级的杂质电离能计算：使用类氢原子模型计算电离能。 硅锗中的施主杂质电离能肯定小于0.05eV和0.1eV
杂质的补偿作用：同时掺有两种杂质，施主和受主杂质有互相抵消的作用，通常称为杂质的补偿作用。
深能级杂质：非三五组杂质在硅锗中产生的杂质能级有以下两个特点：一般距离导带底和价带顶都比较远，形成深能级。深能级杂质能产生多次电离，每一次电离相应的有一个能级，而且有的杂质技能引入施主能级，还能引入受主能级。 以金为例，他是1族元素，失去一个电子形成施主能级，但是它还可以与周围的四个锗原子形成共价键，在形成共价键的同时，每接受一个电子的时候就会形成一个受主能级。有时候深能级没有检测到，可能是因为受主态和施主态的电离能大于禁带宽度，相应的能级进入到导带或者价带，所以在禁带中无法检测，需要用深能级瞬态谱测量。深能级杂质更容易形成载流子的复合中心。在制造高速开关器件的时候，常有意的掺入金来提高器件的速度。
2.2 三五族化合物中的杂质能级
除了硅锗，三五族化合物占有重要地位。但是其他的还没研究特别明白，所以这一节只介绍GaAs的杂质能级情况。
类似硅锗也需要先研究晶格状况：闪锌矿结构。杂质也是两种情况，一种是替位式杂质，一种是间隙式杂质。
1族元素和2族元素都表现出受主杂质的作用，三五族元素表现出的能级称为等电子陷阱，这种效应称为等电子杂质效应。杂质原子替代晶格点上的同族原子仍然是电中性的，但是由于原子序数的不同，原子的共价半径和电负性有差别，因此他们能俘获载流子而成为带电中心。这个带电中心就是等电子陷阱。只有当掺入原子和基质晶体原子在电负性、共价半径方面具有较大差别的时候，才能形成等电子陷阱。这种等电子陷阱俘获载流子后成为带电中心，这个带电中心由于库伦作用又能俘获另一种相反符号的载流子，形成束缚机子，这种束缚激子在由间接带隙半导体材料制造的发光器件中起到主要作用。4族元素看取代谁的位置起什么作用。6族元素一般是施主杂质。过渡族元素一般产生受主能级。
2.3GaN AlN SiC中的杂质能级
GaN: 硅杂质和氮空位是浅施主杂质，产生施主能级，鬼杂志是0.012-0.02eV， 氮空位0.03 0.1eV，碳和镁是深施主杂质，碳在镓位0.11-0.14eV，镁在氮位0.26eV&0.6eV。
对于镓空位（0.14），还有Mg（0.14-0.21）、Zn（0.21-0.34）、Hg（0.41）、Cd等在镓位的时候，都起着受主作用。硅、碳在氮位时，作为深受主杂质，贷能力能0.19eV 0.89eV
AlN 和SiC 没说什么
2.4 缺陷位错能级
弗兰克尔缺陷：间隙原子和空位同时出现
肖特基缺陷：晶体内形成空位没有间隙原子。
位错：位错虽然有影响，但是研究的并没有那么多。
位错的地方原子只有三个键，生于一个电子成为不饱和的共价键。如果俘获电子就多一个电子成为负电中心，作为受主，如果失去不成对的价电子成为正电中心，起施主作用。
位错周围晶格发生畸变。理论指出，有体积形变的时候，导带底和价带顶的改变可以用形变势常数表示。
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