版權說明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內(nèi)容提供方,若內(nèi)容存在侵權,請進行舉報或認領
文檔簡介
5.1非平衡載流子的注入與復合5.2非平衡載流子的壽命5.3準費米能級5.4復合理論5.5陷阱效應
5.6載流子的擴散運動5.7漂移運動5.8連續(xù)性方程第五章非平衡載流子
對N型半導體,無光照時,n0》p0用一定波長的光照射半導體,若光子能量hEg,吸收光子能量,電子被激發(fā)到導帶,產(chǎn)生電子-空穴對。即產(chǎn)生非平衡載流子n、p,n稱為非平衡多子,p稱為非平衡少子。p型半導體剛好相反。應用光照產(chǎn)生非平衡載流子的方法,稱為光注入。光注入時
n=p
舉例:n型硅材料(1·cm),n0=5.5×1015cm-3,p0=3.1×104cm-3,
注入非平衡載流子:n=p=1010cm-3,顯然,n《n0,稱為小注入p幾乎是p0的106倍。p》p0,影響十分顯著。因此,非平衡少數(shù)載流子起主要作用,所以非平衡載流子通常指非平衡少數(shù)載流子。3.小注入時,0+0非平衡載流子的電注入:給pn結(jié)加正向電場。外作用撤銷后,如光照停止后,V
在毫秒或微秒量級內(nèi)很快趨于0,說明注入的非平衡載流子不能一致存在下去。外部作用撤銷后,導帶電子回到價帶,電子-空穴對成對消失。載流子濃度恢復到平衡態(tài)載流子濃度非平衡載流子的復合:非平衡態(tài)恢復到平衡態(tài),過剩載流子消失,這一過程為非平衡載流子的復合。熱平衡是一種相對靜止狀態(tài)。電子和空穴總是不斷產(chǎn)生與復合。熱平衡下,產(chǎn)生與復合達到相對平衡。5.2非平衡載流子的壽命非平衡載流子的壽命:非平衡載流子的平均生存時間。也稱為少數(shù)載流子的壽命,1/為復合概率設n型硅材料內(nèi)產(chǎn)生非平衡載流子:n,p顯然,光照停止后,p(t)隨時間減少,單位時間內(nèi)減少-d(p(t))/dt,應等于單位時間內(nèi)的復合率小注時,為一個衡量t=0時,p(0)=(p)0,代入,得非平衡載流子的衰減規(guī)律非平衡載流子的平均生存時間當t=時,
壽命表示非平衡載流子的濃度減小到原值的1/e所經(jīng)歷的時間。壽命不同,非平衡載流子衰減的快慢不同;壽命越短,衰減越快。測量方法:光注入或電注入5.3準費米能級統(tǒng)一費米能級是熱平衡狀態(tài)的標志。外場作用下,半導體處于非平衡狀態(tài),就不存在統(tǒng)一的費米能級。非平衡的含義:-指數(shù)量上的非平衡,而在能量分布上還是平衡的(嚴格地說,準平衡)。在一個能帶范圍內(nèi),熱躍遷十分頻繁,極短時間就能達到帶內(nèi)平衡。所以分別就導帶和價帶,各自很快處于熱平衡。費米能級和統(tǒng)計分布函數(shù)各自仍適用。準費米能級:導帶費米能級和價帶費米能級都是局部的費米能級,稱為準費米能級。導帶費米能級稱為電子費米能寄,EFn,價帶費米能級稱為空穴費米能寄,EFp,導帶和價帶的不平衡就表現(xiàn)為它們費米能級不重合。非平衡載流子濃度為n、n0,p、p0間的關系為:無論是電子還是空穴,非平衡載流子越多,準費米能級偏離EF就越遠。但兩者的偏離是有差別的。有n>n0,nn0EFn
比EF更靠近導帶,偏離EF較小??昭舛萷》p0,p》p0,EFp
比EF更靠近價帶,并較大地偏離EF所以,在非平衡狀態(tài)時,多數(shù)載流子和平衡費米能級的偏離不多;而少數(shù)載流子的準費米能級則偏離較大EFn、EFp的差反映了np和ni2的偏離程度,偏離越大,不平衡越顯著。兩者偏離越小,越接近平衡態(tài);重合時,半導體處于平衡態(tài)。5.41.電子的導帶和價帶之間的直接躍遷。1).發(fā)射光子:
稱為發(fā)光復合或輻射復合;2).發(fā)射聲子:載流子將多余的能量傳遞給晶格;3).俄歇復合:將能量傳給其他載流子。載流子復合時,要放出能量,釋放能量的三種方法:產(chǎn)生率G:單位時間、單位體積內(nèi)產(chǎn)生的電子-空穴對。復合率R:單位時間、單位體積內(nèi)復合掉的電子-空穴對。單位體積內(nèi),每一個電子在單位時間都有一定的概率(r)和空穴相復合,顯然,與空穴濃度成正比。
R=rnpr為比例系數(shù),稱為電子-空穴的復合概率.通常,復合概率與電子、空穴的運動速率有關。產(chǎn)生率=G一定溫度下,價帶中的電子都有一定的概率被激發(fā)到導帶,產(chǎn)生一對電子-空穴對熱平衡下,產(chǎn)生率G
=復合率R
G=R=rnp=rn0p0=rni2n=n0,p=p0,
舉例:室溫時本征鍺、硅的復合概率r和壽命鍺:r=6.510-15cm3/s,=0.3s硅:r=10-11cm3/s,=3.5s實際上,鍺、硅材料的壽命更低,最大不過幾毫秒。理論與實際偏離,說明鍺、硅材料的壽命不是由直接復合過程決定的。由其他復合機構(gòu)起主要作用。一般地,禁帶越窄,直接復合概率越大,如銻化銦,Eg=0.18eV,直接復合占優(yōu)勢。5.4.2半導體中的雜質(zhì)和缺陷在禁帶中引入能級,具有促進復合的作用。雜質(zhì)和缺陷越多,壽命越短。復合中心:促進復合過程的雜質(zhì)和缺陷中心。間接復合:非平衡載流子通過復合中心的復合電子-空穴的復合分兩步:1)導帶電子落入復合中心能級;2)電子再落入價帶與空穴復合。
同樣存在以上兩個過程的逆過程。甲:復合中心俘獲電子過程;乙:復合中心發(fā)射電子過程;丙:復合中心俘獲空穴(Et上電子落入價帶)過程;?。簭秃现行陌l(fā)射空穴(價帶電子發(fā)射到Et)過程;設導帶、價帶電子、空穴濃度為n,p復合中心濃度Nt,nt為Et能級上的電子數(shù),Nt-nt為未被電子占據(jù)的復合中心濃度。顯然,導帶電子越多,空的復合中心越多,越容易俘獲電子。電子俘獲率:單位時間、單位體積被復合中心俘獲的電子數(shù)。平衡時,電子的產(chǎn)生率=電子的俘獲率,兩過程相互抵消。空穴的產(chǎn)生率=空穴的俘獲率n1
剛好等于EF與復合中心能級Et重合時導帶的平衡電子濃度。穩(wěn)定情況下,四個過程必須保持復合中心上的電子數(shù)nt保持不變。其中,甲、丁過程使復合中心能級上積累電子,而乙、丙過程使復合中心能級上電子數(shù)減少,則維持nt不變的條件穩(wěn)定條件還可以寫為:即單位體積、單位時間導帶減少的電子數(shù)=價帶空穴減少數(shù)。電子和空穴通過復合中心成對消失熱平衡下,np=n0p0=ni2,所以U=0當半導體中注入非平衡載流子:np>ni2,U>0代入U表達式小注入,n、p可忽略小注入時只與n0、p0、n1、p1有關,與非平衡載流子濃度無關。
對強n型半導體(Et在EF之下):n0、p0、n1、p1中n0最大,即n0>>p0壽命簡化為
對n型較重摻雜半導體,對壽命起主要作用的是復合中心對少數(shù)載流子空穴的俘獲系數(shù)rp,而與電子俘獲系數(shù)rn無關。對高阻半導體,EF在Et與Ei之間,n0、p0、n1、p1中p1最大,即p1>>n0,p0、n1,
并且
n0>>p0強n型、強p型、及高阻區(qū)是相對的,與復合中心能級Et的位置有關。一般地,禁帶中央附近的深能級Et是最有效的復合中心。如CU,Fe,Au等雜質(zhì)在Si中形成深能級,是有效的復合中心淺能級,不是有效的復合中心總結(jié)假設復合中心是具有一定半徑的球體,其截面積為,截面積越大,俘獲載流子的概率越大。描述了復合中心俘獲載流子的本領。-描述電子俘獲截面,T載流子熱運動速度+描述空穴俘獲截面電子、空穴的俘獲系數(shù)深能級復合中心舉例Au在Si中為深能級,雙重能級:受主能級EAt,距導帶0.54eV;
施主能級EDt,距價帶0.35eV;兩能級其主要作用不同N型Si:若淺施主不少,EF接近EC,Au接受電子成為Au-,只有受主能級EAt起作用.p型Si:Au基本上為空,釋放電子為Au+,只存在施能級EDt起作用.N或p型Si,Au為有效復合中心,對少數(shù)載流子壽命產(chǎn)生極大的影響。室溫下,若rp=1.15x10-7cm3/s;
rn=6.3x10-8cm3/sSi中金濃度為:5x1015cm3/s;n、pSi中少數(shù)載流子壽命;=1.7x10-9s=3.2x10-9spSi中少數(shù)載流子壽命是nSi中少子壽命的1.9倍。摻金的Si中,少數(shù)載流子壽命與金濃度Nt成反比,當Nt
從1014cm-3增加到1017cm-3,少子壽命從10-7s減小到10-10s5.4.3少數(shù)載流子壽命還受樣品形狀和表面態(tài)的影響:樣品表面經(jīng)金剛砂粗磨,壽命很短。細磨后再經(jīng)化學腐蝕,壽命變長;樣品表面相同,樣品越小,壽命越短,說明表面有復合的作用,表面復合:半導體表面發(fā)生的復合。表面復合仍是間接復合。有效壽命=體內(nèi)復合壽命v+表面復合s總的復合概率為表面復合率Us:單位時間內(nèi)通過單位面積復合掉的電子-空穴對數(shù).實驗發(fā)現(xiàn),Us表面非平衡載流子濃度(p)s直觀意義:非平衡載流子濃度(p)s以速率s從表面逸出。對n型半導體,若單位比表面積的復合中心為Nst,
則Us=+TNst
(p)s(5-49)(5-47)Us=s(p)ss為表面復合速度,具有速度量綱(5-48)空穴表面復合速度為s=+TNst
(5-50)影響表面復合速度的因素:受表面物理性質(zhì)和外界氣氛的影響。Ge:s大約為102-106cm/sSi:
為103-5103cm/s表面復合的實際意義:表面復合速度高,注入的載流子在表面很快復合掉,嚴重影響器件性能;降低Us,可改善器件性能。在金屬探針注入時,較大的表面復合會減小探針效應,測量更準確。非平衡載流子壽命小結(jié):1)與材料種類有關;2)與深能級雜質(zhì)的有效復合中心有關;3)與表面狀態(tài)有關;4)與晶體中的缺陷也有關(形成復合中心能級)。5.5陷阱效應:雜質(zhì)能級上具有積聚非平衡載流子的效應。實際中,陷阱對電子、空穴的俘獲概率差別很大。若rn>>rp,俘獲電子后很難俘獲空穴。俘獲的電子在復合前已激發(fā)到導帶,稱為電子陷阱。若rp>>rn,稱為空穴陷阱小注入時,雜質(zhì)能級上的電子數(shù)為若rn=rp,以電子陷阱為例陷阱效應小結(jié):1)與雜質(zhì)能級位置有關,EF以上能級,越接近EF,陷阱效應越顯著;2)通常對少數(shù)載流子起陷阱作用。使n最大的n1值是n1=n0若電子是多數(shù)載流子,當Nt與n0差不多或更大,陷阱效應不明顯。不能成為多數(shù)載流子效應。單位時間通過單位面積的粒子數(shù)稱為擴散流密度擴散定律:非平衡少數(shù)載流子的擴散規(guī)律穩(wěn)定擴散:恒定(光)注入條件下,表面保持(p)0,內(nèi)部各點濃度均保持不變應等于單位時間單位體積內(nèi)由于復合而消失的空穴數(shù)一維穩(wěn)態(tài)擴散情況下非平衡少數(shù)載流子的擴散方
溫馨提示
- 1. 本站所有資源如無特殊說明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請下載最新的WinRAR軟件解壓。
- 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請聯(lián)系上傳者。文件的所有權益歸上傳用戶所有。
- 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁內(nèi)容里面會有圖紙預覽,若沒有圖紙預覽就沒有圖紙。
- 4. 未經(jīng)權益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
- 5. 人人文庫網(wǎng)僅提供信息存儲空間,僅對用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護處理,對用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對任何下載內(nèi)容負責。
- 6. 下載文件中如有侵權或不適當內(nèi)容,請與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
- 7. 本站不保證下載資源的準確性、安全性和完整性, 同時也不承擔用戶因使用這些下載資源對自己和他人造成任何形式的傷害或損失。
最新文檔
- 家庭健康管理AI在醫(yī)療領域的應用與前景
- 2025年度鋼筋工程設計合同10篇
- 小學生情感教育在數(shù)學與科學課堂中的融合實踐
- 教育游戲與學習心理學的結(jié)合案例
- 2025年房屋買賣定金支付協(xié)議2篇
- 2025年房產(chǎn)投資咨詢與購買協(xié)議3篇
- 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺推動制造業(yè)的智能化升級
- 教育行業(yè)中的技術趨勢與創(chuàng)新方向
- Unit 5 Working the Land Assessing Your Progress 說課稿-2024-2025學年高中英語人教版(2019)選擇性必修第一冊
- 7納米技術就在我們身邊說課稿-2023-2024學年四年級下冊語文統(tǒng)編版
- 手機歸屬地表格
- GB/T 24479-2023火災情況下的電梯特性
- 鼻空腸管的護理
- ICH Q3D元素雜質(zhì)指導原則
- 五年級解方程計算題100道
- 漢語教學 《成功之路+進步篇+2》第16課課件
- GB/T 20028-2005硫化橡膠或熱塑性橡膠應用阿累尼烏斯圖推算壽命和最高使用溫度
- 廣州新版四年級英語下冊-復習計劃
- 小學語文三年級下冊生字偏旁、拼音、組詞
- 2022年寧波開發(fā)投資集團有限公司招聘筆試題庫及答案解析
- 論財務共享服務模式下財務稽核體系
評論
0/150
提交評論