【正文】 2. p型半導(dǎo)體 設(shè)復(fù)合中心能級 Et更接近 價(jià)帶 ， Et39。 ctF EEE 更接近比 39。 現(xiàn)討論 小注入 情況下 ， 兩種導(dǎo)電類型和不同摻雜程度的半導(dǎo)體中非平衡載流子的壽命 。 45 3. 空穴俘獲和發(fā)射互逆過程的內(nèi)在聯(lián)系 00000 )( ptttpp GnNsnprR ???? ????????? ????TkEENEfNnFttttt00e x p1)(? 熱平衡狀態(tài)下，這兩個(gè)微觀過程互相抵消，即空穴產(chǎn)生率等于空穴俘獲率。表示為： tpp pnrR ??rp為空穴俘獲系數(shù) ， 是個(gè)平均量 ， 反映復(fù)合中心俘獲空穴能 力的大小； ?價(jià)帶空穴越多 ， 復(fù)合中心能級上的電子濃度 nt(被電子占據(jù) 的復(fù)合中心的濃度 )越大 ， 空穴碰到復(fù)合中心電子而被俘獲 的機(jī)會(huì)就越大，即跟二者成比例。表示為： tn nsG ???s為電子激發(fā)概率 (電子發(fā)射系數(shù) )，只要溫度一定，它的值 就確定的； ?電子產(chǎn)生率與復(fù)合中心能級上的電子濃度 nt(被電子占據(jù)的 復(fù)合中心的濃度 )成比例； ?考慮非簡并情況，導(dǎo)帶基本是空的，產(chǎn)生率與 n無關(guān)。 電子俘獲率 ：單位體積、單位時(shí)間被復(fù)合中心俘獲的電子數(shù)。表明材料壽命主要由間接復(fù)合決定，而不是直接復(fù)合。cm3)。cm3)： 其中 r稱為電子 空穴復(fù)合概率 ， 代表不同熱運(yùn)動(dòng)速度的電子 和空穴復(fù)合概率的 平均值 。 26 復(fù)合理論 由 于半導(dǎo)體內(nèi)部的相互 作用 ，使得任何半導(dǎo)體在平衡態(tài)總有一定數(shù)目的電子和空穴。 導(dǎo)帶和價(jià)帶間的不平衡就表現(xiàn)在它們的準(zhǔn)費(fèi)米能級是不重合的 。 即使是同種材料 ， 在不同的條件 下，壽命也可在 — 個(gè)很大的范圍內(nèi)變化。 不同的注入和檢測 方法的組合就形成了許多壽命測量方法。 14 1. 摻雜、改變溫度和光照激發(fā)都可以改變半導(dǎo)體的電導(dǎo)率，試從三者的物理過程說明其區(qū)別。就半導(dǎo)體中的載流子而言，任何時(shí)候電子和空穴總是不斷地產(chǎn)生和復(fù)合。 ? 電注入 ? 高能粒子輻照 ? 其它能量傳遞方式 6 1. 光注入 pn ???非平衡載流子gEcEvE7 2. 非平衡載流子濃度的表示法 8 3. 大注入和小注入 小注入情況下，非平衡少子濃度可以比平衡少子濃度大得多，其作用顯著，而非平衡多子的作用可忽略。 處于非平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體 ， 其載流子濃度不再是 n0、 p0， 而是比它們多出一部分 。 該式適用于本征半導(dǎo)體材料和雜質(zhì)半導(dǎo)體材 料。1 第五章 非平衡載流子 處于熱平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體 ， 在一定溫度下 ， 載流子濃度是一定的 。也是非簡并半導(dǎo)體處于熱平衡狀態(tài)的 判據(jù)式 。比平衡狀態(tài)多出來的這部分載流子稱為 非平衡載流子 (或 過剩 載流子 )。通常說的非平衡載流子都是指 非平衡少子 。在熱平衡狀態(tài)，產(chǎn)生和復(fù)合處于相對的平衡，每秒種產(chǎn)生的電子和空穴數(shù)目與復(fù)合掉的 數(shù)目相等 ，從而保持其濃度穩(wěn)定不變； ? 光照半導(dǎo)體時(shí)，打破了產(chǎn)生與復(fù)合的相對平衡，產(chǎn)生超過復(fù)合而導(dǎo)致一定的 凈產(chǎn)生 ，在半導(dǎo)體中產(chǎn)生了非平衡載流子，半導(dǎo)體處于 非平衡態(tài) ； 13 ? 光照停止時(shí)，半導(dǎo)體中仍然存在非平衡載流子。 思考題 15 非平衡載流子的壽命 一、壽命的概念 非平衡載流子的復(fù)合率 ：單位時(shí)間單位體積內(nèi)凈復(fù)合消失的 電子 空穴對數(shù)，為 Δp/τ或 Δn/τ 16 設(shè)一束光在一塊 n型半導(dǎo)體內(nèi)部均勻地產(chǎn)生非平衡載流子Δn、 Δp。 ?最常用的注入方法是 光注入和電注入 ； ?檢測非平衡載流子的方法很多： ?常用的測量壽命的方法有 直流光電導(dǎo)衰減法 、 光磁電法 (利 用半導(dǎo)體的光磁電效應(yīng)的原理 ， 該方法適合于測量短的壽 命，在砷化鎵等 Ⅲ Ⅴ 族化合物半導(dǎo)體中用得最多； ?還有 擴(kuò)散長度法、雙脈沖法及漂移法 等。 三、壽命的測量方法 20 準(zhǔn)費(fèi)米能級 一、熱平衡狀態(tài) 1. 費(fèi)米能級 熱平衡狀態(tài)下，整個(gè)半導(dǎo)體中有統(tǒng)一的費(fèi)米能級，這個(gè)統(tǒng)一的費(fèi)米能級也使熱平衡狀態(tài)的標(biāo)志。 導(dǎo)帶的準(zhǔn)費(fèi)米能級也稱電子準(zhǔn)費(fèi)米能級 ， 用 表示；相應(yīng)地 ， 價(jià)帶的準(zhǔn)費(fèi)米能級稱為空穴準(zhǔn)費(fèi)米 能級，用 表示。從微 觀角度講 ： ?平衡態(tài)指的是由系統(tǒng)內(nèi)部一定的 相互作用 所引起的 微觀過 程 之間的平衡； ?這些微觀過程促使系統(tǒng) 由非平衡態(tài)向平衡態(tài)過渡，引起非平 衡載流子的復(fù)合； ?因此， 復(fù)合 過程 是屬于 統(tǒng)計(jì)性 的過程。 ?由于不同的電子和空穴具有不同的熱運(yùn)動(dòng)速度，因此它們的 復(fù)合概率與其運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)； ?在 非簡并半導(dǎo)體 中 ， 電子和空穴的運(yùn)動(dòng)速度遵守玻耳茲曼 分布 ， 因此 ， 在一定溫度下 ， 可以求出載流子運(yùn)動(dòng)速度的平 均值 ， 所以 r也有完全確定的值 ， 它僅是溫度的函數(shù) ， 而與 n和 p無關(guān)。僅是溫度的函數(shù)，與 n、 p無關(guān)。 34 1. 小注入情況 35 2. 大注入情況 36 四、間接復(fù)合 非平衡載流子通過復(fù)合中心 (雜質(zhì)和缺陷在禁帶中形成一定的能級，有促進(jìn)電子和空穴復(fù)合的作用，稱為復(fù)合中心 )的復(fù)合。表示為： )( ttnn nNnrR ???rn為電子俘獲系數(shù)，是個(gè)平均量，反映復(fù)合中心俘獲電子能 力的大??； ?導(dǎo)帶電子越多，空的復(fù)合中心越多，電子碰到復(fù)合中心而被 俘獲的機(jī)會(huì)就越大，即跟二者成比例。 41 3. 電子俘獲和發(fā)射互逆過程的內(nèi)在聯(lián)系 ???????? ???TkEENn Fcc00 e xp00000 )( ntttnn GnsnNnrR ???? ????????? ????TkEENEfNnFttttt00e x p1)( 熱平衡狀態(tài)下，這兩個(gè)微觀過程互相抵消，即電子產(chǎn)生率等于電子俘獲率。 (二 ) 空穴俘獲與發(fā)射 44 價(jià)帶電子被激發(fā)到復(fù)合中心能級 Et上，或者說復(fù)合中心能級向價(jià)帶發(fā)射了一個(gè)空穴，是俘獲空穴過程的逆過程。設(shè) p0和 nt0分別為平衡時(shí)價(jià)帶空穴濃度和復(fù)合中心能級上的電子濃度，則有： ???????? ???TkEENp vFv00 e xp46 10e xp prTkEENrspvtvp ????????? ???? ???????? ???TkEENp vtv01 e xp費(fèi)米能級 EF與復(fù)合中心能級 Et重合時(shí)價(jià)帶的平衡空穴濃度 ?)(1 ttpp nNprG ??內(nèi)在聯(lián)系 )( ttp nNsG ?? ?47 (三 ) 非平衡載流子的凈復(fù)合率 非平衡狀態(tài)下： 表示單位體積 、 單位時(shí)間導(dǎo)帶減少的電子數(shù)等于價(jià)帶減少的空穴數(shù) ，即導(dǎo)帶每損失一個(gè)電子 ，價(jià)帶也損失一個(gè)空穴 ，電 子 和 空 穴 通 過 復(fù) 合中心成對地復(fù)合。 對于 一般的復(fù)合中心 ， rn、 rp 相差不大。 之間與在 39。為相對于禁帶中心與 Et對稱的能級位置。 60 (六 ) 俘獲截面 設(shè)想復(fù)合中心是具有一定半徑的球體 ， 其截面積為 σ。例如： 61 ?????????????? ????????????????? ????TkEEnnTkEEnpnnpUititiii0p0n2e x pe x p ??? ??????????????? ????????????????? ????????TkEEnnTkEEnpnnpNvUititiiitT002e x pe x p ?????復(fù)合中心的俘獲截面約為 1013～ 1017cm2 62 (七 ) 金在 Si中的復(fù)合作用 (實(shí)例 ) 金是 Si中的深能級雜質(zhì)，在 Si中形成雙重能級 (受主 EtA、施主 EtD)。 而且復(fù)合中心的引 入不會(huì)嚴(yán)重影響其它性能 (如電阻率 )； ?由于 Au在 Si中的復(fù)合作用有上述特點(diǎn) ， 因此在開關(guān)器件及 其相關(guān)的電路制造中 ， 摻 Au工藝已作為縮短少子壽命的有 效手段而廣泛應(yīng)用。即非平衡態(tài)時(shí)空穴的準(zhǔn)費(fèi)米能級和原來的費(fèi)米能級幾 乎重合，而電子的準(zhǔn)費(fèi)米能級卻偏離原來的費(fèi)米能級很遠(yuǎn)。 69 ?表面復(fù)合具有重要的實(shí)際意義 。影響因素包括： ?表面粗糙度。 定義為：單位時(shí)間內(nèi)通過單位表面積復(fù)合掉的電 子 空穴對數(shù) 。 所以 ， 壽命值的大小在很大程度上 反映了晶格的完整性，是衡量材料質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。此外，電子和空穴復(fù)合時(shí)，也可以將能量轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц裾駝?dòng)能量，這就是伴隨著發(fā)射聲子的 無輻射復(fù)合過程 。 77 (三 ) 帶間俄歇復(fù)合 (如上圖 a、 d所示 ) 1. 復(fù)合率 對于圖 (a)：表示 n型半導(dǎo)體導(dǎo)帶內(nèi)一個(gè)電子和價(jià)帶內(nèi)一個(gè)空穴復(fù)合時(shí)，其多余能量被導(dǎo)帶中另一個(gè)電子獲得后，被激發(fā)到能量更高的能級上，其電子 空穴對的復(fù)合率表示為 Ree. 對于圖 (d)：表示 p型半導(dǎo)體價(jià)帶內(nèi)一個(gè)空穴和導(dǎo)帶內(nèi)一個(gè)電子復(fù)合時(shí)，其多余能量被價(jià)帶中另一個(gè)空穴獲得后，被激發(fā)到能量更高的能級上 (對于空穴，能級愈低，能量愈高 )，其電子 空穴對的復(fù)合率表示為 Rhh。 對于圖 (b)：表示價(jià)帶中一個(gè)電子躍遷至導(dǎo)帶中產(chǎn)生電子 空穴對的同時(shí)，價(jià)帶中另一個(gè)空穴從其能量較高的能級躍遷至價(jià)帶頂，或者說價(jià)帶空穴 1與導(dǎo)帶空穴 2碰撞 產(chǎn)生電子 空穴對，其電子 空穴對的產(chǎn)生率表示為 Ghh。 把雜質(zhì)能級積累非 平衡 載流子的作用稱為陷阱效應(yīng) ： ?是在有非平衡載流子的情況下發(fā)生的一種效應(yīng)； ? 所