如何理解半导体中的陷阱，什么能构成陷阱？

在半导体中的所谓深能级中心主要有陷阱和复合中心。

陷阱是俘获一种载流子的能力强、俘获另外一种载流子的能力弱的一种深能级中心，故陷阱具有存一种储载流子的作用。等电子陷阱是一种杂质原子，即它的价电子数目与晶体母体原子的价电子数目相等，故有“等电子”之称；例如GaAs中的氮原子，它有5个价电子，这与母体As原子的价电子数目相等，故它形成的深能级中心是一种陷阱。

复合中心是俘获两种载流子的能力差不多的一种深能级中心，故复合中心具有使一对载流子消失的作用。

一般，陷阱的能级在禁带中的位置较浅，而复合中心的能级较深。

1. n型半导体是因为载流子是negative的, 不能简单的说掺入了施主杂质, 因为有些情况下存在本征缺陷也会形成n型半导体. 陷阱可以看作能级, 但是不一定比施主能级低. 比如电子陷阱, 那么比施主能级高的就不被离化的施主填充, 如果比施主能级低的就首先被施主能级填充, 而在其未填满之前不会使得离化的电子首先成为导带的自由电子. 陷阱能级往往是材料本身的缺陷引起的, 因为杂质引起的通常成为施主或受主能级, 虽然有些深能级往往也会俘获载流子.

2. 你的思考是对的, 不是完全的被电子占据, 但是正是因为载流子服从e指数的分布, 可以认为在远大于费米能级kT个单位的范围外, 能级全部填充或者空余. 总之, 费米能级是电子填充能级的平均水平.

3. 陷阱不要状态密度表示, 一般用cm^-2eV^-1来表示, 称为陷阱态密度.

GaP的能带结构

电子和空穴的复合方式 室温下,Eg=2.26ev (Eg>1.72ev,即有望发射可见光) 对应发光波长λ=5500A GaP能带结构属于间接跃迁型,其带间复合发光 效率很低 其LED所依靠的只能是杂质发光

激子的定义

电子由价带激发到导带,就形成自由的电子 和空穴 激子:电子由价带激发到导带下面的一个激 发态而未到达导带的时候,电子将被束缚在 空穴的库仑场中,又不与空穴复合,这种电 子-空穴对可以一起在晶体中运动.这种由库 伦引力束缚在一起的电子-空穴对就叫激子.

等电子陷阱

等电子杂质指与点阵中被替代的原子处于周期表中同 一族的其他原子.例如 GaP中取代P位的N或Bi原子. 等电子杂质本身是电中性的,但由于它与被替代的原子 有不同的电负性和原子半径,对电子吸引力大小不 同,可以俘获电子(或空穴),称为等电子陷阱(相应在 禁带中产生一个等电子陷阱能级 等电子陷阱通过短程势俘获电子(或空穴)之后,成为 负电(或正电)中心,可以借助长程库仑作用吸引一 个空穴(或电子),于是形成了等电子陷阱上的束缚 激子. 例如,N取代P,形成等电子陷阱

半导体中某些处于最近邻的施主-受主对,例 如GaP中的Zn-O对及Cd-O对与Ga-P对价电子数 相等,实际上类似于晶体中的中性分子(尽管这 些不是等电子杂质).它们也以短程作用束缚电 子,构成等电子陷阱. Zn(Cd)与被取代Ga的电负性相同,而O比被它 取代的P电负性强,因而Zn-O对及Cd-O对比周 围的Ga-P对更容易束缚电子,成为等电子陷阱.

Gap的发光机理

LED发光:正向偏压下,注入少子与多子复合的 结果. 激子复合发光:从N区注入到P区的电子由等电子 陷阱能级俘获,并形成激子.由于等电子陷阱能 级在k空间的扩展,在k=0附近通过直接跃迁,电 子与空穴复合,因此可以效率较高的发光. Gap中形成等电子陷阱束缚激子的主要杂质有N (绿光),Bi(橙光),Zn-O和Cd-O(红光).

绿色发光(N等电子陷阱)

N的电负性强于P,取代P后易吸引电子而形 成等电子陷阱,其能级ET,N位于到带底以下 0.008ev处,N等电子陷阱俘获电子后再复合 空穴形成空穴形成束缚激子,其空穴束缚能 级Eh,N在价带顶之上0.011ev处,因而这种激 子复合发出的能量 hv=Eg-( ET,N + Eh,N )=2.24ev 对应发光波长为:550nm,绿光

红色发光(Zn-O,Cd-O)

电子从N区注入到P区,然后被Zn-O络合物 的等电子陷阱所俘获,并与空穴形成激子, 激子复合,高效率发出红光. ET,Zn-O在导带底以下0.3ev Eh, Zn-o在价带顶以上0.037ev 激子复合释放能量为1.90ev 对应发光波长为:650nm,红光

黄色发光(N-N)

实验表明,若掺N太多(>1019cm-3),发黄色光 N占据P位,当两个N原子靠得很近时,对电子的 束缚能要大于一个N原子对电子的束缚能,即NN陷阱对电子的束缚能大于N陷阱对电子的束缚 能,N-N陷阱束缚激子,激子复合发光,其能量 对应波长为黄色光.

其他复合发光机构

Zn-O陷阱俘获的电子与邻近的Zn受主俘获的 空穴相复合,发射波长在660nm左右的红光 孤立的O深施主(价带顶+0.897ev)俘获的电 子与Zn受主俘获的空穴相复合,发射红外光.

Gap是制造高亮度红光和绿光LED的主要材料. 不含O的GaP为绿光LED材料,含O的为红光LED 材料 GaP还可以跟GaAs无限共溶,形成带间复合发 射可见光的GaASP三元合金,历史上第一只商 品LED就是用这种材料制成的.

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