CdTe以外的II-VI族化合物大多是单极性半导体。这些材 料有一些共同的特点，即熔点都比较高，其组成元素又 往往具有较高而不相等的蒸气压，因此制备符合化学计 量比的完美单晶体十分困难，而空位等晶格微缺陷的形 成却比较容易。
§1-5 典型半导体的能带结构
一、能带结构的基本内容及其表征
1、能带结构的基本内容 • 1）导带极小值和价带极大值的位置，特别是导带
3、碲化汞的能带结构 碲化汞的导带极小值与价带极大值基本重叠，禁 带宽度在室温下约为－0.15eV，因而是半金属。
五、宽禁带化合物半导体的能带结构
1、SiC的能带结构 SiC各同质异型体间禁带宽度不相同，完全六方型的2HSiC最宽，为3.3eV；随着立方结构成分的增加，禁带逐 渐变窄，4H-SiC为3.28eV，15R-SiC为3.02eV，6H-SiC 为2.86 eV，完全立方结构的3C-SiC为2.33eV。 •皆为间接禁带
2）等电子络合物的陷阱效应
镓
氧
磷
锌
4、深能级的补偿作用
浅能级杂质间的补偿
深能级杂质的补偿
导带
• • •• • • • • • • • • ED
导带
• •• •• • •• •• •• ••
•• •
EDEA
• • • • • EA
价带
价带
同样有补偿作用，但效果弱一点。
三、缺陷的施、受主作用及其能级
1）价带 中心略偏，轻重空穴带二度简并
2）导带底的位置 随着平均原子序数的变化而变化，以GaAs为界，…
3）禁带宽度
随着平均原子序数的变化而变化，…
4）电子有效质量 随着平均原子序数的变化而变化，…
5）空穴有效质量 重空穴在各III-V族化合物间差别不大
2、砷化镓的能带结构
1）导带的结构特征 2）价带的结构特征 3）直接禁带 4）禁带宽度
• 磷化铟导带极小值位于k=0， m0*= 0.077 m0，重空穴和轻 空穴的有效质量分别为0.8 m0和0.12 m0，室温下禁带宽度 为1.34 eV，d Eg /dT =-2.9 ×10-4eV/K。
4、锑化铟的能带结构 直接禁带，室温下禁带宽度为0.18eV，0K时为0.235 eV。
导带极小值位于k=0处，曲率很大，因而电子有效质量很 小，室温下mn*＝0.0135 m0
前节要点
半导体中的杂质和缺陷
一、两种主要类型的杂质：
施主和受主 杂质究竟起施主还是受主作用，决定于它本身的价电子 数目和半导体的成键环境。价电子数多于被替换原子价 电子数的是施主，反之为受主。
施主能级和受主能级 ED=ECED ；EA=EAEV
用类氢模型估计某种半导体中浅能级杂质电离能的大小
ED, A
• 自补偿效应：在掺杂过程中产生与掺入杂质互为补偿的电 活性缺陷（空位），从而使掺杂无效的现象。
ZnS 室温下的禁带宽度Eg 高达3.7 eV， 而其起施主作用的硫 空位 VX 因形成能 H 仅为其禁带宽度的0.7倍, 很容易形成。
EVX Eg
EA
(a) 硫空位产生电子 (b) 掺受主补偿硫空位
(c) 载流子复合
mn*, pq4
8 r202h2
mn*, pq4
32 2 r2022
mn*, p m0
E0
2 r
只区分材料不区分杂质或缺陷！
二、浅能级和深能级
深能级概念：绝对概念和相对概念。
与被替换原子的价电子数相差一个的杂质一般引入 浅能级, 有较少例外.
与被替换原子的价电子数相差不止一个的杂质一般 引入深能级；等电子杂质一般引入深能级。
底与价带顶的相对位置及其能量差Eg； • 2）极值附近电子或空穴的等能面形状，有效质量
（E(k)曲线极值处的曲率半径）的大小； • 3）极值能量的简并情况 • 4）禁带宽度随温度的变化规律 • 5）禁带宽度随应力的变化规律
2、用布里渊区表征能带结构
1）三维FCC晶体的布里渊区
• Γ：布里渊区中心； • L：布里渊区边界与（111）轴的交点； • X：布里渊区边界与（100）轴的交点； • Κ：布里渊区边界与（110）轴的交点。
AlN 6.2 GaN 3.39
直接 直接
0.4
3.53(kz),10.42(kx) 3.53(kz), 0.24(kx)
0.2
1.4
0.3
InN 1.97 直接
0.11
1.63
0.27
作业
• 18、12
Eg
(T
)
Eg
(0)
T
T
2
硅： ＝4.730×10-4 eV/K，β＝636K， Eg (0) =1.17 eV 锗： ＝4.774×l0-4 eV/K， β＝235K, Eg (0) =0.7437 eV
Ge导带底附近的八个等能面
Ge价带顶附近的等能面
三、III-V族化合物半导体的能带结构
1、III-Ⅴ族化合物半导体能带结构的共同特征和基本规律
InSb
四、II-VI族化合物半导体的能带结构
• 1、一般特点
• 导带极小值和价带极大值都位于k=0处，皆为直接禁带；
• 价带也为简并的重空穴带和轻空穴带；
• 与平均原子序数相等的III－V族化合物相比，离子性更强， 禁带更宽。
2、硫化锌、硒化锌和碲化锌能带结构 禁带宽度分别为3.6，2.58和2.28eV，电子有效质量 分别为0.39 m0，0.17 m0和0.15 m0。
2、GaN和AlN的能带结构 主要以纤锌矿 (一定条件下也以闪锌矿) 型结构存在。 纤锌矿结构GaN及A1N都是直接带隙，而闪锌矿结构是间 接带隙，其导带极小值出现在X点。
纤锌矿结构III－N化合物的能带参数（300K）
名称 Eg(eV) 类型
mn*(m0)
mpH*(m0)
mpL*(m0)
BN 4.5-5.5 间接(K) 0.24(横), 0.35(纵） 1.08 (A方向) 0.88 (K方向)
1、点缺陷 空位
M XM XM X X MVM X M X M
间隙原子
M X M VXX M X
错位原子
X M MX M X M M XM XM X
• 点缺陷的施主或受主作用
• 点缺陷在材料中是起施主还是受主作用，决定于它们 自身的性质和环境。 VM起受主作用， VX起施主作用
• 元素半导体中的点缺陷一般起受主作用，且一般以双 空位或空位 - 杂质络合物的形式稳定存在。例如：
硅中双空位：常见于高阻n型硅中，有三条深能级，分 别位于导带底以下0.40eV，价带顶以上0.27eV，以及 禁带中心附近。 硅中的E中心：即磷、砷、锑等施主杂质与空位形成 的稳定络合物，常见于重掺杂n型硅中，其能级在导带 底以下0.430.003 eV处。 A中心：即氧原子与空位的络合物，常见于用直拉法 制备的单晶硅中，对器件性能有严重影响。其能级在 导带底以下0.17eV处。
2）纤锌矿型晶体的布里渊区
kz LA
M kx
H K
ky
3）PbS等IV-VI族化合物的晶体结构为NaCl型，因而其简 约布里渊区与体心立方晶格的布里渊区相同，是由12个 菱形面围成的12面体。
二、硅和锗的能带结构
1、导带的结构特征
2、价带的结构特征
3、间接禁带
4、禁带宽度
Si：Eg (300) =1.12 eV Ge：Eg (300) =0.66 eV
室温下禁带宽度为1.424 eV
Eg
(T
)
Eg
(0)
T
T
2
参数: Eg (0)＝1. 519 eV, ＝5.405×10-4 eV/K，β＝204K。
3、磷化镓和磷化铟的能带结构
• 磷化镓导带极小值在[10 0]方向， m0*=0.35 m0；重空穴和 轻空穴有效质量分别为0.86 m0和0.14 m0，室温下禁带宽 度为2.26 eV，d Eg /dT＝-5.4×10-4eV/K。
2、位错
1）位错的施受主作用
棱位错
受主
施主
2） 位错的能带畸变作用
四、自补偿效应
1 空位的电导调制作用 • 化合物半导体最容易因成分偏离正常化学比而形成空位。
M XM XM X
X
XM XM
M XM X
X
XM XM XM
M XM XM X
产生M空位形成 p 型
M XM XM X
XM XM XM
M
M
图 4.4 ZnS 中的自补偿效应示意图
EC
ED (d) 产生新硫空位
• 若极性不同的两种空位的形成能相差不大，则可பைடு நூலகம்过空位 类型的可控改变，实现材料导电类型的改变
• 若极性不同的两种空位的形成能相差很大，则形成能小的 空位将对材料导电类型的调控起主导作用。特别是空位形 成能比禁带宽度还小的半导体，会因为难以避免的杂质自 补偿效应而成为单极性半导体
缺陷一般引入深能级；化合物半导体中的空位例外。
3、等电子杂质及其能级 1）等电子杂质 与被替换的主体原子具有相同价电子数，但因原子序数 不同而具有不同共价半径和电负性，因而能俘获电子或 空穴，常称之为等电子陷阱。
2）等电子络合物的陷阱效应
• 在磷化镓中，当替换镓的锌原子与替换磷的氧原子处于 相邻格点时，就形成一个电中性的Zn-O对（施－受主对） 络合物。由于性质上的差异（氧的电负性为3.5，磷只有 2.1）, Zn-O对像等电子杂质氮一样，也能俘获电子。其 能级在导带底以下0.30 eV。
MX
XM XM XM
M XM XM X
产生X空位形成 n 型
2) 空位的杂质补偿作用
• 在一些离子性很强的II-VI 族化合物中，往往存在某种形 成能很低（低于禁带宽度）的空位。这种材料的电阻率往 往会受到这种低形成能缺陷的限制，难以再用掺杂方法加 以控制，因为任何相反极性杂质的掺入，都将产生出等量 的这种缺陷而将其补偿。