[科普中国]-复合中心

复合中心半导体中某些杂质和缺陷可以促进载流子复合，对非衡载流子寿命的长短起决定性作用的和缺陷称为复合中心。作为复合中心的杂质与缺陷一般在禁带中引入一个或几个深能级，它们既可以俘获电子又能俘获空穴，从而促进复合过程。1

简介在半导体中除了施主和受主之外，还有一类起特殊作用的杂质，叫做“复合中心”。它对半导体器件的工作性能有很大影响。

施主、受主能级在禁带中，离导带底或价带顶较近，通常约为10-2eV的数量级，一般称之为“浅能级”。现在要说明的“复合中心”，它的能级大都位于禁带的中部，离导带底或价带顶较远，通常称为“深能级”。复合中心在半导体中起的作用是促进电子与空穴的复合，其作用可用下图来示意。图中有意把复台中心画成一个方框。当复合中心俘获一个电子之后（即导带中的电子落入复合中心），如果再俘获一个空穴（即复合中心上的电子，再落入价带中的的空状态，这一过程相当于空穴自价带落到复合中心上去），则电子与空穴复合而消失，复合中心便恢复原状。这种促进电子与空穴复合的作用好象是一个“台阶”。有了这个台阶，电子与空穴的复合就不是导带中的电子与价带中的空穴直接相遇而消失，而是通过复合中心这个“台阶”，分两步来完成，所以，这种复合过程又称“间接复合”，以此与前述之直接复合相区别。实际上，半导体中的复合过程，常常是以间接复合的方式来实现的。

另一方面，复合中心还有产生作用。产生作用是复合作用的逆过程，即价带中的电子先激发到复合中心上，再由复合中心激发到导带，同时在价带中留下空穴。

复合中心的复合作用与产生作用，对半导体器件的某些特性有很大的影响。

金是半导体硅中的一种著名的复合中心，在开关晶体管中常要掺入金，其目的是为了加快电子与空穴的复合，以提高晶体管的开关速度。2

复合中心理论杂质和缺陷可以在禁带中引入局部化的能级，这些能级，特别是离导带底和价带顶较深的能级，就好象台阶一样，对电子和空穴的复合起到中间站的作用，它们可以促进电子、空穴的复合，这些能促进复合过程的杂质和缺陷称为复合中心，它们的能级称为复合中心能级。间接复合是指通过复合中心的复合。

只有当复合中心的复合作用很弱时，寿命才是由直接复合决定的。直接复合所决定的寿命是材料所能具有的最高寿命值。因为一般的实际材料都含有杂质和缺陷，所以寿命都远小于直接复合所决定的值。

对于禁带中只有一种复合中心能级的简单情况，如图所示（最上方的横线代表EC能级，中间代表Et能级，最下方的横线代表Ev能级），禁带中的复合中心能级Et，好像是台阶一样，电子、空穴的复合可以分为两步走：导带电子落入复合中心能级，电子再由复合中心能级落入价带与空穴相复合，复合中心又恢复了原状态，又可以再去完成下一次的复合过程。当然还存在着上述两个过程的逆过程，所以间接复合仍然是一个统计性的，相对于复合中心能级Et而言，一共有四个微观过程，这就是：

甲：俘获电子过程；电子由导带落入空杂质能级。

乙：发射电子过程；电子由复合中心能级激发到导带，它是甲的逆过程。

丙：俘获空穴过程；电子由复合中心能级落入价带与空穴相复合，相当于复合中心由价带俘获空穴。

丁：发射空穴过程；价带电子被激发到空的复合中心能级上，相当于复合中心向价带发射空穴。

复合中心俘获电子或空穴时，同样也要释放多余的能量，具体过程原则上可以是辐射跃迁，无辐射跃迁或俄歇过程。3

复合中心的作用机理通过复合中心的复合是一种间接复合过程，这种复合过程是决定Si、Ge等间接能带结构半导体中少数载流子寿命的基本过程。而复合中心杂质往往都是一些原子半径较小的金属元素，很容易进入半导体中去；故为了保证少数载流子具有足够长的寿命，就应该在制作器件的工艺过程中特别注意清洁度，以确保不让复合中心杂质造成污染。

半导体表面本身就是一种大缺陷，故半导体器件和集成电路在制作好之后，需要对器表面进行很好的保护处理，以减弱表面复合中心的影响，这实际上也就是所谓表面钝化技术的主要目的之一。

复合中心所引起的间接复合过程，通常要比导带与价带之间的直接复合过程慢得多，这是由于复合过程既需要满足能量守恒、也需要满足动量守恒的缘故。对于直接能带半导体（如GaAs），其少数载流子寿命主要决定于直接复合过程，所以这种半导体的少数载流子寿命本来就很短。而Si、Ge等中少数载流子的直接复合寿命较长（因为导带底与价带顶不在Brillouin区的相同点上），则寿命主要决定于间接复合过程，故与复合中心浓度的关系很大。

与另外两类重要的杂质、缺陷中心的区别（1）陷阱中心：这是一种深能级的杂质或缺陷。陷阱中心的特点就是俘获一种载流子的作用特别强，而俘获另一种载流子的作用特别弱，则陷阱中心具有存储一种载流子的作用。例如电子陷阱就起着存储电子的作用，空穴陷阱就起着存储空穴的作用。一般，陷阱中心的能级深度要比复合中心能级的浅。

（2）浅能级中心：这是一种浅能级杂质。施主和受主杂质中心即属于此；这一类中心的能级都很浅（很靠近导带底或者价带顶），它们主要起着提供载流子的作用。

半导体中的各种杂质和缺陷中心，不仅分别起着其不同的特殊作用，而且都将起着散射中心、影响到载流子迁移率的作用。

等电子复合中心在半导体中掺入一定量的与主原子等价的某种杂质原子，取代格点上的原子。由于杂质原子与主原子之间电性上的差别，中性杂质原子可以束缚电子或空穴而成为带电中心。带电中心吸引与被束缚载流子符号相反的载流子，形成一个激子束缚态。这种激子束缚态，叫做等电子复合中心。

例如，在磷化镓晶体中掺入一定量的五价的氮原子，取代格点上五价的磷原子。氮原子上束缚一个电子，成为负电中心，再吸引带正电的空穴，与它形成激子束缚态，变成由电子与空穴组成的激子。激子中的电子与空穴复合，引起发光。

等电子的意义是指杂质原子与被它取代的主原子等价。激子是指电子与空穴结合形成的一种中性粒子。

在半导体中引进等电子复合中心，是使像磷化镓这类间接跃迁型发光材料实现高效率发光的一种重要途径。4

非发光复合中心通常说的非发光复合中心是在测量波长范围内不发光的复合中心，在测量波长以外也可能发光。晶体中的缺陷一般形成非发光复合中心，而具有浅能级的施主和受主通常不是非发光复合中心。例如，成为非发光复合中心的有带隙中央附近的能级，或有很多能级，这些能级之间顺序发生跃迁。这些中心即使发光也是发出长波光，在能级间隔小的情形下容易发生多声子过程。

与此相关的有趣现象是，在低温下可看到高纯GaP晶体中自由电子被氧深施主俘获的发光。光谱是电子被O施主的激发态俘获后再落到基态时的发光光谱。此能量约为光学波声子的17倍，难以发生多声子过程。此种发光随温度升高而消失。在施主浓度或受主浓度大于约1017cm-3的晶体中，此种发光不会出现，其原因是在O施主附近的施主或受主上发生的俄歇过程引起电离，从而使能量发生了转移。

晶体表面也是一种非发光中心。表面的影响可在载流子扩散方程中引入表面复合速度，S加以估算。就GaP的 面而言，在室温情况下，在生长的表面上S>4X1015cm/秒，而在经过腐蚀的面上S>2X106cm/秒。在低温情况下S值减小。5

本词条内容贡献者为:

张磊 - 副教授 - 西南大学