【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ???????? ??TkEEnp tii01 e xp??58 ?????????????? ????????????????? ????TkEEnnTkEEnpnnpUititiii0p0n2e x pe x p ??rrr pn ??rN tpn1?? ?? 對(duì)于一般的復(fù)合中心，令： ? ??????????????? ?????????? ?????TkEETkEEnpnnnprNUittiiit002e x pe x p 可得： 所以得： 59 ?當(dāng) Et=Ei時(shí)， U取極大值； ?故位于禁帶中央附近的 深能級(jí) 是最有效的復(fù)合中心； ?例如： Au、 Cu、 Fe等雜質(zhì)在 Si中形成深能級(jí)，是有效的復(fù) 合中心； ?遠(yuǎn)離禁帶中央的淺能級(jí)不能起有效的復(fù)合中心的作用。 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。 截面積越大 ， 載流子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程 中 碰上復(fù)合中心而被俘獲的概率就越大 。 因而 ， 可以用 σ代表復(fù)合 中心 俘獲載 流子 的本 領(lǐng)，稱為 俘獲截面 。 ?復(fù)合 中 心俘獲電子和 空穴 的本領(lǐng)不同，電子俘獲截 面 和空 穴 俘獲截面 分別 表示 為 σ和 σ+； ?載流子熱運(yùn)動(dòng)速度 vT越大，其碰上復(fù)合中心而被俘獲的概率 也越大，因此，俘獲截面與俘獲系數(shù)存在如下關(guān)系： TpTn vrvr ?? ?? ?? ， 利用該關(guān)系，可用俘獲截面表示本節(jié)各有關(guān)公式。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(jí)雜質(zhì)，在 Si中形成雙重能級(jí) (受主 EtA、施主 EtD)。但是這兩個(gè)能級(jí)并不是同時(shí)起作用的： ?在 n型 Si中，電子基本上填滿了 Au的能級(jí)， Au接受電子成為 Au，只有受主能級(jí) EtA起作用 ； 1. 金在 Si中的能級(jí) 63 ?在 p型 Si中， Au能級(jí)基本上是空的， Au施放電子成為 Au+， 只存在施主能級(jí) EtD； 2. 金對(duì)少子壽命的影響 金在 n型 Si或 p型 Si中都是有效的復(fù)合中心，對(duì)少數(shù)載流子的壽命產(chǎn)生極大影響： ?在 n型 Si中， Au對(duì)空穴的俘獲系數(shù) rp決定了少子的壽命；在 p型 Si中， Au+對(duì)電子的俘獲系數(shù) rn決定了少子的壽命； ?由實(shí)驗(yàn)方法確定的室溫下的俘獲系數(shù)為： scmrscmr pn /?? ???? ，?若 Si中 Au的濃度為 5 1015cm3/s， 則 n型 Si和 p型 Si的少子壽 命分別為： 64 srNsrN ntptp9n9 ?? ?????? ?? ， 表明：對(duì)于相同的 Au濃度 ， p型 Si中的少子壽命是 n型 Si的 。 ?在摻 Au的 Si中 ， 少子壽命與 Au的濃度 Nt成反比 。 少量的有 效復(fù)合中心能大大縮短少子壽命 ， 因此可通過(guò)控制 Au濃 度 ， 在較大的范圍內(nèi)改變少子的壽命 。 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(kāi)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。 65 例題 1：某 p型半導(dǎo)體摻雜濃度為 ，少子壽 命為 ，在均勻光的照射下產(chǎn)生非平衡載流 子，其產(chǎn)生率 ，試計(jì)算室溫時(shí)光照 情況下的費(fèi)米能級(jí)，并和原來(lái)無(wú)光照時(shí)的費(fèi)米能級(jí) 比較。 (設(shè)本征載流子濃度 ， ) 316 /101 cmN A ??sn ?? 10?)/(10 318 scmg ??310 /10 cmn i ? eVTk 0 2 ?66 解 ：（ 1）無(wú)光照時(shí)，空穴濃度為： 所以： 即： 說(shuō)明無(wú)光照時(shí)，費(fèi)米能級(jí)在禁帶中線下面 。 TkEEiAFienNp 00??? 101600 ???????? iiiAiF ETkEnNTkEE)( eVEE iF ??67 （ 2）光照后，產(chǎn)生的非平衡載流子為： 所以可得： 由 可得： 由 可得： 上兩式說(shuō)明， 在 之下 ，而 在 之上 eV處。即非平衡態(tài)時(shí)空穴的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)和原來(lái)的費(fèi)米能級(jí)幾 乎重合，而電子的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)卻偏離原來(lái)的費(fèi)米能級(jí)很遠(yuǎn)。 )(101010 313518 ?? ??????? cmgpn n?)(101010 31613160 ??????? cmppp)(101010 31313420?????????? cmnNnnnnDiTkEEiFpienp 0?? )(1010160 eVnpTkEEiFpi ????TkEEiiFnenn 0?? )( 10130 eVnnTkEEiiFn ????FpE iE FnE iE68 五、表面復(fù)合 表面復(fù)合 是指在半導(dǎo)體表面發(fā)生的復(fù)合過(guò)程。表面處的雜質(zhì)和表面特有的缺陷在禁帶形成 復(fù)合中心能級(jí) ，因而，表面復(fù)合是間接復(fù)合。所以，間接復(fù)合理論完全可用來(lái)處理表面復(fù)合問(wèn)題。 69 ?表面復(fù)合具有重要的實(shí)際意義 。 任何半導(dǎo)體器件總有它的表 面 ， 較高的表面復(fù)合速度 ， 會(huì)使更多注入的載流子在表面 復(fù)合消失 ， 以致嚴(yán)重地影響器件的性能 。 因而在大多數(shù)器 件生產(chǎn)中 ， 總是希望獲得良好而穩(wěn)定的表面 ， 以盡量降低 表面復(fù)合速度，從而改善器件的性能； ?另一方面 ， 在某些物理測(cè)量中 ， 為了消除金屬探針注入效應(yīng) 的影響 ， 要設(shè)法增大表面復(fù)合 ， 以獲得較為準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié) 果。 70 半導(dǎo)體樣品的形狀和表面狀態(tài)在很大程度上影響著少數(shù)載流子壽命。影響因素包括： ?表面粗糙度。表面越粗糙，其壽命越短； ?表面積與總體積的比例。同樣的表面情況，樣品越小，壽命 越短； ?與表面的清潔度、化學(xué)氣氛有關(guān)。 考慮表面復(fù)合后，壽命是體內(nèi)復(fù)合和表面復(fù)合的綜合結(jié)果： (一 ) 表面復(fù)合對(duì)壽命的影響 表面復(fù)合概率表面復(fù)合壽命；體內(nèi)復(fù)合概率體內(nèi)復(fù)合壽命；有效壽命:/1::/1::ssvv?????71 (二 ) 表面復(fù)合率 Us ss psU )( ???sstTs pNvU )( ?? ??ss psU )( ????表面復(fù)合率 Us與 表面處 非平衡載流子濃度 (Δp)s成正比； ?s稱為表面 復(fù)合速度 ， 具有速度的量綱 ， 表示表面復(fù)合的強(qiáng) 弱 、 快慢 。 定義為：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)單位表面積復(fù)合掉的電 子 空穴對(duì)數(shù) 。 直觀而形象的意義是：由于表面復(fù)合而失去 的非平衡載流子數(shù)目 ， 如同表面處的非平衡載流子 (Δp)s都 以大小為 s的垂直速度流出了表面。 ?s的表達(dá)式 (以 n型半導(dǎo)體為例 )： ? stTp Nvs ?? ?單位表面積的復(fù)合中心總數(shù) 空穴表面復(fù)合速度 72 ?表面復(fù)合速度在很大程度上受到晶體表面 物理性質(zhì) 和 外界 氣氛 的影響： scmsscms /1010/10510 6233 ??? ：鍺：硅?可將表面復(fù)合當(dāng)作靠近表面的一個(gè)非常薄的區(qū)域內(nèi)的 體內(nèi)復(fù) 合 來(lái)處理，所不同的是該區(qū)域的復(fù)合中心密度很高。 73 (三 ) 壽命 τ 是“結(jié)構(gòu)靈敏”的參數(shù) ?非平衡載流子的壽命與材料種類有關(guān)； ?有些雜質(zhì)作為半導(dǎo)體材料的深能級(jí)雜質(zhì) ， 能形成有效的復(fù) 合，使壽命大大降低； ?半導(dǎo)體的表面狀態(tài)對(duì)壽命也有顯著的影響； ?晶體中的位錯(cuò)等缺陷 ， 也能形成復(fù)合中心能級(jí) ， 因而嚴(yán)重地 影響少數(shù)載流子的壽命 。 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)。 總之 ， 非平衡載流子的壽命與材料的完整性 、 某些雜質(zhì)的含量以及樣品的表面狀態(tài)有極密切的關(guān)系 ， 所以 ， 稱壽命 τ 是“結(jié)構(gòu)靈敏”的參數(shù)。 74 六、俄歇復(fù)合 載流子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷，發(fā)生電子 空穴復(fù)合時(shí)，把多余的能量傳給另一個(gè)載流子，使這個(gè)載流子被激發(fā)到 能量更高的能級(jí) 上去，當(dāng)它重新躍遷回低能級(jí)時(shí)，多余的能量常以聲子形式放出，這種復(fù)合稱為 俄歇復(fù)合 。該復(fù)