近代物理讲座第十讲 半导体中的能带与能级

为什么金属与绝缘休起不到半导体的作用?为什么各种半导体材料的性能有这样大的差异?要回答这些问题就需要了解半导体能带结构与金属及绝缘体有什么不同,也需要了解各种半导体的能带结构有什么特点. 不管用什么方法生长的半导体晶体,都不可能绝对纯净和完美无缺,总存在一些杂质与缺陷.杂质与缺陷会在半导体的禁带之中引入深浅不同的能级,浅能级与深能级都对半导体的性质有重要影响,但它们的性质与影响方面是很不一样的.本文扼要介绍半导体的能带结构与浅能级和深能级. 一、半导体能带结构的初步讨论 以硅为例来说明半导体能带结构的一些基本…     

半导体物理基础

一百多年以前,人们就把周围的材料按照导电能力的大小分为导体(金属)、半导体、绝缘体三类.金属的室温电阻率一般在10～(-4)到10～(-6)欧姆-匣米;绝缘体的电阻率通常大于10～(10)欧姆-厘米;而半导体的电阻率则介于金属和绝缘体之间,在10～(-4)到10～(10)欧姆-匣米的宽广范围之内,并且,其电导率随温度升高能指数式地增大.但是,实际上使半导体成为物质中的一个特殊类别、井在电子技术上得到广泛应用的主要特点是:温度、光照、强电场等多种因素的作用,能大大改变半导体的导电性能,并且用掺人微量杂质的方法,可以显著地改变和控制半导体的电导率…     

硅中的辐照点缺陷

点缺陷是指晶体中一个原子尺度的缺陷.半导体中的点缺陷包括晶格空位、间隙原子、化学杂质以及它们的复合物.由于这些缺陷的存在,使半导体晶格周期性的规则排列遭到破坏,因而往往在禁带中引入能级.半导体的许多重要性质与杂质和缺陷紧密相关,因而它们是半导体研究中基本的和重要的课题之一. 近一二十年来,硅中点缺陷的研究有了显著进展.这是因为电子顺磁共振技术、结谱法以及光学测量等得到成功的应用.用电子顺磁共振技术(EPR)可以测定具有顺磁性的点缺陷的原子组态、电子结构及其点群对称性,在此基础上又发展了电子-核磁双共振(ENDOR)…     

半导体中的深中心

一、杂质缺陷形成的深中心 半导体中含有外来杂质或本身的缺陷.所有半导体材料及器件都要求对杂质缺陷有良好的控制.晶体的各种化学杂质,晶体中的原子空仕,间隙原子,半导体化合物中组成元素之间的反位缺陷以及它们之间的简单复合体(双空位、杂质与空位的结合等)都使晶格的周期性受到破坏,在晶体中造成一个原子尺寸大小的缺陷,称为点缺陷.此外,晶体缺陷还包括位错、层错、晶粒间界和杂质沉淀物.本文仅限于介绍几点缺陷. 很多点缺陷是晶体中电子(空穴)的有效束缚中心,形成的电子局域态,其能量往往位于半导体禁带之中,并与能带边的距离较大.这…     

应用ZKG-型空心阴极光源测定半导体和超纯材料中痕量杂质

试验了 ZKG-Ⅰ型空心阴极光源测定半导体和超纯材料中痕量杂质的工作条件,如气压、电流、电极尺寸、灼烧、曝光等参数选择。分析灵敏度达到1×10~(-7)—3×10~(-8)%,相对均方误差约为20.9%。随着半导体和激光通讯技术的飞速发展,对半导体和超纯材料的纯度要求越来越高。因此,测定其中痕量杂质的方法,也提出了日益增高的要求。另外,纯度高的物质,价格较高,     

生长用于发光二极管的GaP晶体的一种新方法

为生长特别适于制备发光二极管用的GaP化合物半导体晶体,发展了一种所谓合成熔质扩散法(SSD)。长成的晶体呈园柱状,由相当大的颗粒组成。生长速率受磷在镓熔液的扩散过程限制。从生长速率可以求得扩散系数,在1100℃是8×10~(-5)cm~2·S~(-1),而激活能是0.65ev。蹄或硫施主杂质从3×10~(17)到4×10~(18)cm~(-3)可重复地掺入,在1150℃的分凝系数分别是0.038和1.0。生长晶体的质量特别好,用改进了的腐蚀液腐蚀晶体几乎看不到碟形坑。仅用单层单次液相外延过程,再通过气相扩散锌就可重复地制出高效率的红色发光结。还研制了一种双层单次外延法,叫作“液相外延生长结”法,并用来制成高效率的绿色LED。用SSD片制备的LED的效率,红光高达7.4％,而绿光高达0.15％。     

硅中δ掺杂的新进展

δ掺杂Ｓｉ材料是一种新型半导体材料，它是利用杂质工程和能带工程的结合来调节半导体的性质的。它的许多物质为低维半导体系统的研究开辟了一个新领域，同时正是这些物理特性使得该材料在硅基光电子晶件，电子器件研制中具有广阔的应用前景，文章介绍了硅中δ掺杂方面的研究新进展。     

关于Xα-SW自洽计算中原子半径的确定

本文利用SCF-X_α-SW原子集团(Cluster)方法研宄了半导体硅中杂质的电子结构。研究表明,硅中杂质电子态与Cluster中原子球半径的选取密切相关。本文提出两条原则来确定原子球的半径:1)调节Cluster中基质原子球的半径大小应以晶体能带结构的特点为标准,2)Cluster总能量极小原理可以精确决定杂质原子球的半径。对硅中浅杂质锑和深杂质钯的电子结构计算表明上述原则是正确的。     

硅中的过渡元素杂质能级

本文提出了半导体中过渡元素杂质的一个简单模型,用格林函数方法计算了硅中替代和间隙原子产生的杂质能级和波函数。发现两者的性质有很大的差别。替代原子只有当d原子能级V_d低于价带顶时才能产生杂质能级。它的波函数主要是悬键态,当能级靠近导带边时变成正键态。间隙原子只有当V_d高于价带顶时才能产生杂质能级。它的波函数主要是中心原子d态,当能级靠近导带边时变成弱反键态。最后定性地说明了过渡元素杂质能级的化学趋势和一些实验事实。 关键词：     

在宇宙空间实验室生长晶体及晶体中的生长条纹

一、在宇宙空间实验室生长硅 和锑化镓晶体 在1983年12月发射的宇宙飞船空间实验室1号中,用区熔方法生长了元素半导体硅(实验序号ES-321)[1-3]和Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体锑化镓(实验序号ES-323)[4]. 此次晶体生长实验的目的在于: (1)研究在失重的情况下,以区熔方法生长硅或锑化镓晶体的可能性和生长技术上的新问题; (2)研究在失重的情况下,掺杂剂在晶体中的分布,期望得到掺杂剂均匀分布的晶体. 硅晶体和锑化镓晶体都是用熔区移动的方法在镜式加热装置中进行的.安装在空间实验室中的晶体生长设备和镜式加热炉分别如图1和图2所示. 两只作为加热…     

GaAs,GaP中的深杂质能级

1、前言 对于半导体中深杂质能级的研究,近年来又重新活跃起来了。尤其是GaAs、GaP等发光材料中的深杂质能级,它决定发光效率的老化特性,对器件应用也很重要。同时由于深杂质能级同晶体缺陷(主要是点缺陷)之间有关系,也是表征晶体质量的参数之一。相对过去只用浅杂质浓度和迁移率来评价晶体的电学特性来说,深杂质能级的测定将会成为今后估价晶体的有力手段,因此,有必要建立可靠而简单的测量方法。 有关深杂质能级的理论研究固体物理领域中很早就进行过,但也有很多不清楚的地方。特别是有关半导体中陷阱中心的量子力学性质还很不清楚。目前还没有关于某些中心是发光还是非发光的理论论述。有关陷阱的中心理论是五十年代碱卤化物中的色心特性,特别是关于     

锑化铟的物理特性及其应用

一、引言锑化铟(InSb)是近年来引起人们极大兴趣并被广泛研究的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料。 InSb和锗(Ge)、硅(Si)相比虽是一发现较晚的半导体材料,但自从1952年惠耳克尔(Welker),首先对InSb进行研究之后,十年来对InSb各方面的性能及其应用已做了很多研究工作。这主要是因为:(1)制备高纯度InSb的工艺相对地比较简单,较容易获得其纯度比Ge、Si或其他Ⅲ-Ⅴ族半导性化合物高一、二个数量极的单晶体。(2)由于InSb具有一些显著的     

侵蚀法测定碳化硅结构极性的研究

碳化硅作为一种高温半导体材料和受激光发射材料,其表面的性质是很重要的。由于SiC的极性,它的两个(0001)面,即两个c面(硅面和碳面)无论在物理性质或是在晶体生长的某些习性上都会有显著的区别。不少人曾试图用各种方法判别SiC的两种c面,但至今尚未见有一种是方便而可靠的。一般用于判别极性晶面的方法有X射线反常吸收法、侵蚀法和生长外形分析法。X射线反常吸收法已成功地用于一些Ⅲ-Ⅴ族的半导体,如InSb,GaAs中,但因碳和硅原子序数低,吸收限波长大,而难于应用。     

金属中的离子注入

一、前 言 离子注入工艺是把要注入的杂质元素电离 成离子.然后通过磁分析器分析和加速器加速, 得到较纯的离子,并以很快的速度,将这种离子 打入固体靶内,以达到改变固体表面的物理化 学性能.这种注入工艺早在五十年代就已进行 了大量的研究.当时的研究以金属为主。主要 是进行原子相互作用的物理探索,模拟反应堆材料的辐照损伤效应.在六十年代初·人们已 经知道半导体材料的电学性质,可以由辐照损 伤和射入快速离子而产生变化.掺杂的杂质量 只要10-5at%,就能使半导体的电学性质发生 显著的改变.这样小的掺杂量,对于离子注入 工艺是极为方便…     

2D SnP_3:具有高载流子迁移率和光吸收率的范德瓦尔斯晶体（英文）

本文基于第一性原理计算,预测了二维SnP_3层作为新型半导体材料,具有0.71 eV(单层)和1.03 eV(双层)的间接带隙,这与体结构的金属特性不同.值得注意的是,2D SnP_3具有9.171×10~4 cm~2·V~(-1)·s~(-1)的高空穴迁移率和对于整个可见光谱的高光吸收(～10~6 cm~(-1)),这预示2D SnP3层有望成为纳米电子学和光电子学的候选材料.有趣的是,本文发现2D SnP_3双层具有与硅类似的电子和光学特性.考虑到硅基微电子和光伏技术的巨大成功,本文的研究结果将有助于纳米领域的相关研究.     

铁电半导体碘硫化锑量子点复合材料及其光学性能的研究

用溶胶-凝胶法成功地制备了铁电半导体碘硫化锑(SbSI)微晶掺杂有机改性的TiO_2薄膜及块状凝胶。铁电SbSI晶体在C轴具有非常大的介电常数,非常高的电-光系数,较大的光电导系数,同时又是一种本征半导体材料。将SbSI掺杂到非晶态的基质中,通过热处理及气氛保护的方法控制微晶的生长。通过X射线衍射光谱与高分辨透射电子显微镜观察到微晶的存在以及晶体尺寸和分布情况。使用简并的四波混频的方法测得了薄膜样品的三阶非线性极化率,并在块状样品中发现了复合材料中存在的电控双折射效应,测得样品的有效电光系数为2.42×10~(-3)nm/V。     

硅中替位式和间隙式IB族杂质的电子态

我们对硅中IB族杂质Cu,Ag和Au的单粒子电子结构用自洽的Xα-SW法作了计算。用集团XSi₄Si′₁₂和XSi₁₀Si′₁₆分别模拟替位式和四面体间隙式杂质X所局域微扰的硅晶体。这两类集团已广泛地得到采用,我们已经成功地用它研究硅中4d过渡金属杂质的性质。计算得到;替位杂质在带隙中导致一个t₂能级,它几乎不具有d性质而是类悬挂键的。间隙杂质在带隙中导致一个a₁能级,对于Si:Au,此能级位置接近导带底,轨道是非常离域的。此外,还得到一个位于价带底之下类s的超深能级。对硅中1B族杂质的电子性质的趋势作了详细讨论。 关键词：     

集成电路中的物理问题讲座第四讲 半导体中深能级杂质缺陷与深能级瞬态谱

大家知道,不含杂质的纯半导体几乎没有什么直接的用途.为了制造半导体器件,人们总是先将半导体材料尽可能地提纯,然后用扩散、离子注入等方法将一定数量的特定杂质掺入半导体的一定部位,以控制半导体的导电类型和电阻率,再经金属蒸发等工艺,最终制成半导体器件.因此,研究杂质的性质和作用是很重要的.在半导体中,有两类性质和作用都绝然不同的杂质:一类杂质是在禁带中引入的能级与导带底或价带顶的能量差很小,远远小于禁带宽度,这类杂质称为浅杂质,它决定着半导体的导电类型与电阻率;另一类杂质在禁带中引入的能级与导带底及价带顶的能量差都…     

实现半导体激光器频率跟踪和锁定的新方法

本文报道实现半导体激光器连续频率跟踪和锁定的一种新方法:利用法拉第反常色散光学滤波器(FADOF)的透射谱作鉴频器,改变法拉第反常色散光学滤波器的磁场强度,实现频率跟踪和稳频.实验得到,当磁场从0.7×10~(-2)T变到2.2×10~(-2)T时,半导体激光器在～2GHz范围内跟踪锁定,其频率稳定度优于2.1×10~(-10)(100ms≤τ≤10s).     

硅中浅杂质的激光感应光电导谱

首次采用光子能量小于硅中浅受主杂质电离能的可调谐远红外激光器作为激发源,获得了硅中浅受主杂质的光电导谱.可调谐半导体远红外激光器的调谐范围为380～500cm~(-1),光子流密度约10~(18)/cm~2·sec,用双光子跃迁对光电导谱进行了解释.对于Si:Al样品,光电导谱中的双峰分别相应于2P~1和2P~2中间态的双光子共振跃迁.也观察到了双光子透明的反共振现象.