半導(dǎo)體物理學(xué)第五章0608

第四章非平衡載流子§1非平衡載流子的注入與復(fù)合

§2非平衡載流子的壽命

§3準(zhǔn)費米能級

§4復(fù)合理論

§6載流子的擴散運動§7載流子的漂移運動愛因斯坦關(guān)系式

§8連續(xù)性方程2023/2/61熱平衡狀態(tài)下的載流子稱為平衡載流子非簡并半導(dǎo)體處于熱平衡狀態(tài)的判據(jù)式（只受溫度T影響）§1非平衡載流子的注入與復(fù)合由于受外界因素如光、電的作用，半導(dǎo)體中載流子的分布偏離了平衡態(tài)分布，稱這些偏離平衡分布的載流子為過剩載流子，也稱為非平衡載流子①引入非平衡載流子(過剩載流子)的過程---非平衡載流子的注入(injection)最常用的注入方式:光注入,電注入.非平衡載流子的光注入平衡時過剩載流子電中性：平衡載流子滿足費米－狄拉克統(tǒng)計分布過剩載流子不滿足費米－狄拉克統(tǒng)計分布且公式不成立小注入條件：注入的非平衡載流子濃度比平衡時的多數(shù)載流子濃度小的多N型材料P型材料例：室溫下一受到微擾的摻雜硅，判斷其是否滿足小注入條件？解：滿足小注入條件?。ǎ┳ⅲ海?）即使在小注入的情況下，非平衡少數(shù)載流子濃度還是可以比平衡少數(shù)載流子濃度大的多（2）非平衡少數(shù)載流子起重要作用，非平衡載流子都指非平衡少數(shù)載流子②非平衡載流子的復(fù)合:當(dāng)外界因素撤除,非平衡載流子逐漸消失,(電子-空穴復(fù)合),體系由非平衡態(tài)回到平衡態(tài).熱平衡是動態(tài)平衡.當(dāng)存在外界因素,產(chǎn)生非平衡載流子,熱平衡被破壞.穩(wěn)態(tài)—當(dāng)外界因素保持恒定,非平衡載流子的數(shù)目宏觀上保持不變.

2023/2/672023/2/68假定光照產(chǎn)生和，如果光突然關(guān)閉，和將隨時間逐漸衰減直至0，衰減的時間常數(shù)，即非平衡子的平均存在時間稱為壽命

，也常稱為少數(shù)載流子壽命

在單位時間內(nèi)一個非平衡載流子發(fā)生復(fù)合的次數(shù)，即非平衡載流子的復(fù)合概率單位時間內(nèi)復(fù)合掉的非平衡子濃度，即非平衡載流子的復(fù)合率§2非平衡載流子的壽命當(dāng)時，，故壽命標(biāo)志著非平衡載流子濃度減小到原值的1/e所經(jīng)歷的時間；壽命越短，衰減越快n型材料中的空穴（1）熱平衡電子系統(tǒng)的費米能級熱平衡電子系統(tǒng)有統(tǒng)一的費米能級；統(tǒng)一的費米能級是熱平衡狀態(tài)的標(biāo)志2023/2/611§3準(zhǔn)費米能級（2）準(zhǔn)費米能級的引入①準(zhǔn)平衡態(tài):非平衡態(tài)體系中,通過載流子與晶格的相互作用,導(dǎo)帶電子子系和價帶空穴子系分別很快與晶格達到平衡.

可以認(rèn)為:一個能帶內(nèi)實現(xiàn)熱平衡.

②導(dǎo)帶和價帶之間并不平衡(電子和空穴的數(shù)值均偏離平衡值)，它們各自處于平衡態(tài)，因此存在導(dǎo)帶費米能級和價帶費米能級，稱其為“準(zhǔn)費米能級”2023/2/612準(zhǔn)費米能級

注：非平衡載流子越多，準(zhǔn)費米能級偏離就越遠(yuǎn)。在非平衡態(tài)時，一般情況下，少數(shù)載流子的準(zhǔn)費米能級偏離費米能級較大準(zhǔn)費米能級

注：兩種載流子的準(zhǔn)費米能級偏離的情況反映了半導(dǎo)體偏離熱平衡狀態(tài)的程度2023/2/615物理過程2023/2/616物理過程(1)

復(fù)合機制

(2)

直接復(fù)合

(3)

間接復(fù)合

(4)表面復(fù)合

(5)Auger復(fù)合

(6)半導(dǎo)體類型

2023/2/617§4復(fù)合理論復(fù)合過程:

直接復(fù)合—導(dǎo)帶電子直接躍遷到價帶

間接復(fù)合--導(dǎo)帶電子躍遷到價帶之前,要經(jīng)歷某一(或某些)中間狀態(tài).?這些中間狀態(tài)是禁帶中的一些能級—復(fù)合中心.復(fù)合中心可以位于體內(nèi),也可以與表面有關(guān).2023/2/618(1)

復(fù)合機制2023/2/619圖5-5三種釋放能量的方式:

發(fā)射光子(以光子的形式釋放能量)—輻射復(fù)合(光躍遷)

發(fā)射聲子(將多余的能量傳給晶格)—無輻射復(fù)合(熱躍遷)Auger復(fù)合(將多余的能量給予第三者)--無輻射復(fù)合(三粒子過程)2023/2/620直接復(fù)合間接復(fù)合Auger復(fù)合（禁帶寬度小的半導(dǎo)體材料）（窄禁帶半導(dǎo)體及高溫情況下）（具有深能級雜質(zhì)的半導(dǎo)體材料）（2）直接復(fù)合(直接輻射復(fù)合)①復(fù)合率(單位時間,單位體積內(nèi)復(fù)合掉的電子-空穴對數(shù)):

-直接復(fù)合系數(shù)單位：R-

1/(cm3·

S),γ-(cm3/S)?對非簡并半導(dǎo)體,

?這里的”復(fù)合”,不是凈復(fù)合.2023/2/6222023/2/623②產(chǎn)生率(單位時間,單位體積內(nèi)產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)):，溫度不變時，應(yīng)該是一個常數(shù)

熱平衡時，應(yīng)有

③凈復(fù)合率:

2023/2/624④壽命:

?小注入條件下:2023/2/625（3）間接復(fù)合間接復(fù)合

—非平衡子通過復(fù)合中心的復(fù)合①

四個基本躍遷過程：

A.電子俘獲

B.電子產(chǎn)生

C.空穴俘獲

D.空穴產(chǎn)生2023/2/6262023/2/627NtA.電子俘獲率①B.電子產(chǎn)生率

②C.空穴俘獲率③D.空穴產(chǎn)生率④電子俘獲系數(shù)，

電子激發(fā)幾率

空穴俘獲系數(shù)，

空穴激發(fā)幾率單位:產(chǎn)生率，俘獲率(1/cm3?s)

俘獲系數(shù)(cm3/s),激發(fā)幾率(1/s)2023/2/628熱平衡時：熱平衡時：非簡并條件下，定義：A.電子俘獲率

B.電子產(chǎn)生率

C.空穴俘獲率D.空穴產(chǎn)生率簡化參數(shù)：②求非平衡載流子的凈復(fù)合率穩(wěn)定情況下:nt=常數(shù)即A+D=B+C,由此方程可求出nt

非平衡載流子的凈復(fù)合率：

U=A-B=C-D.得到:2023/2/631非平衡載流子的壽命:小注入條件下：--小注入條件下,非平衡子壽命與非平衡子濃度無關(guān).2023/2/632小注入情況下,討論τ隨載流子濃度及復(fù)合中心能級Et的變化:?強n型(EC-EF)<(Et-EV)

起決定作用的是:復(fù)合中心對少子空穴的俘獲系數(shù)2023/2/6332023/2/634?弱n型(EC-EF)>(Et-EV)(高阻型）

?強p型(EF-EV)<(Et-EV)

?弱p型(EF-EV)>(Et-EV)(高阻型）2023/2/635對間接復(fù)合討論的主要結(jié)果:a.τ∝1/Ntb.有效復(fù)合中心—深能級雜質(zhì)

c.一般情況下(強n型材料,強p型材料),壽命與多子濃度無關(guān),限制復(fù)合速率的是少子的俘獲