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Electronic and mechanical properties of monocrystalline silicon doped with trace content of N or P: A first-principles study

单晶硅 兴奋剂 材料科学 Atom(片上系统) 半导体 带隙 电子结构 纳米技术 凝聚态物理 计算化学 光电子学 化学 物理 计算机科学 嵌入式系统
作者
W.J. Zhang,Jieshi Chen,S. Li,Yuanhang Wu,Peilei Zhang,Z.S. Yu,Zhengqing Yue,Yu Chun,Hao Lü
出处
期刊:Solid State Sciences [Elsevier]
卷期号:120: 106723-106723 被引量:27
标识
DOI:10.1016/j.solidstatesciences.2021.106723
摘要

Monocrystalline silicon is highly promising for applications as semiconductor materials in electronic devices. However, the intrinsic brittleness of Si as well as the relatively low conductivity has restricted its wide application. In this paper, the optimized electronic and mechanical properties of monocrystalline silicon doped with trace content of N or P (SiMx, X = 0, 0.2%, 0.46%, 1.5%, M = N, P) were investigated by first-principles calculations. The results show that the doping of N or P elements can improve the mechanical and electronic properties of monocrystalline silicon, and with the increase of doping concentration, the improving effect becomes more obvious. In addition, the doping of N has a stronger effect on Si than that of P. The doping N, P atoms can form polar covalent bonds to enhance the covalency between atoms, improve the mechanical of Si. Electronic structure analysis shows that the doping of N or P atom makes the hybridization of s-orbital and p-orbital stronger, thus narrows the band gap and improves the conductivity of Si. Furthermore, as the concentration of doping elements increases, Si goes from indirect to direct semiconductor, which is beneficial to improve the recombination of excited electron-hole pairs due to there is no momentum difference between the two positions in k space.
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