東南大學(xué)微電子考研的資料半導(dǎo)體物理3半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)教學(xué)課件

5.1nonequilibriumcarriersG-R

（非平衡載流子的產(chǎn)生與復(fù)合）如果在外界作用下，平衡條件破壞，偏離了熱平衡的狀態(tài)--非平衡狀態(tài)。n,p載流子濃度：外界作用光照射半導(dǎo)體表面對(duì)p-n結(jié)施加偏壓光注入電注入外界作用使半導(dǎo)體中產(chǎn)生非平衡載流子的過(guò)程叫非平衡載流子的注入（injection）

。外部條件拆除后，非平衡載流子逐漸消失，這一過(guò)程稱為非平衡載流子的復(fù)合。光照引起的附加光電導(dǎo)：通過(guò)附加電導(dǎo)率測(cè)量可計(jì)算非平衡載流子。excesscarries(過(guò)剩載流子)也稱n型半導(dǎo)體：Δn=Δp《n0，p型半導(dǎo)體Δn=Δp《p0

n型半導(dǎo)體：n—Majoritycarriers（多數(shù)載流子）Δn—非平衡多數(shù)載流子；p—Minoritycarriers（少數(shù)載流子），Δp—非平衡少數(shù)載流子。非平衡少數(shù)載流子在器件中起著極其重要的作用。小注入熱平衡時(shí)：導(dǎo)帶電子增加，意味著EF更靠近EC。外界作用價(jià)帶空穴增加，意味著EF更靠近EV。5.2.非平衡載流子濃度的表達(dá)式引入準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)：非平衡態(tài)時(shí)，5.3.非平衡載流子的衰減壽命若外界條件撤除（如光照停止），經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，系統(tǒng)才會(huì)恢復(fù)到原來(lái)的熱平衡狀態(tài)。有的非子生存時(shí)間長(zhǎng)、有的短。非子的平均生存時(shí)間——非子的壽命τ。光照剛停止，復(fù)合>產(chǎn)生n、p復(fù)合復(fù)合=產(chǎn)生（恢復(fù)熱平衡）單位時(shí)間內(nèi)非子被復(fù)合掉的可能性復(fù)合幾率單位時(shí)間、單位體積凈復(fù)合消失的電子-空穴對(duì)

復(fù)合率在小注入時(shí)，τ與ΔP無(wú)關(guān)，則設(shè)t=0時(shí)，ΔP(t)=ΔP(0)=(ΔP)0,那么C=(ΔP)0，于是非平衡載流子的壽命主要與復(fù)合有關(guān)。t=0時(shí)，光照停止，非子濃度的減少率為5.4.非平衡載流子的復(fù)合機(jī)制復(fù)合直接復(fù)合(directrecombination):導(dǎo)帶電子與價(jià)帶空穴直接復(fù)合.間接復(fù)合(indirectrecombination):通過(guò)位于禁帶中的雜質(zhì)或缺陷能級(jí)的中間過(guò)渡。表面復(fù)合(surfacerecombination)：在半導(dǎo)體表面發(fā)生的復(fù)合過(guò)程。將能量給予其它載流子,增加它們的動(dòng)能量。從釋放能量的方法分:Radiativerecombination(輻射復(fù)合)Non-radiativerecombination(非輻射復(fù)合)Augerrecombination(俄歇復(fù)合)1.direct/band-to-bandrecombination（直接復(fù)合）非平衡載流子的直接凈復(fù)合凈復(fù)合率=復(fù)合率-產(chǎn)生率U=R-GGR非平衡載流子壽命：小注入：n型材料2間接復(fù)合(indirectrecombination)半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷在禁帶中形成一定的能級(jí)，它們有促進(jìn)復(fù)合的作用。這些雜質(zhì)和缺陷稱為復(fù)合中心。nt：復(fù)合中心能級(jí)上的電子濃度Nt：復(fù)合中心濃度pt：復(fù)合中心能級(jí)上的空穴濃度*俘獲電子Electroncapture*發(fā)射電子Electronemission*俘獲空穴Holecapture*發(fā)射空穴Holeemission電子俘獲(capture)率：空穴俘獲率：電子產(chǎn)生(emission)率：空穴產(chǎn)生率：ntNt：復(fù)合中心濃度pt電子的凈俘獲率：Un=俘獲電子-發(fā)射電子=空穴的凈俘獲率：Up=俘獲空穴-發(fā)射空穴=--熱平衡時(shí)：Un=0，Up=0復(fù)合中心達(dá)到穩(wěn)定時(shí)：Un=UpEF與Et重合時(shí)導(dǎo)帶的平衡電子濃度。熱平衡時(shí)：=Un=0同理，得空穴俘獲率=空穴產(chǎn)生率,Up=0其中表示EF與Et重合時(shí)價(jià)帶的平衡空穴濃度。=復(fù)合中心達(dá)到穩(wěn)定時(shí)：俘獲電子-發(fā)射電子=俘獲空穴-發(fā)射空穴-=-和又凈復(fù)合率：U=俘獲電子-發(fā)射電子=通過(guò)復(fù)合中心復(fù)合的普遍公式-注意到：非平衡載流子的壽命為小注入條件下設(shè)Cn~Cp分析討論:(設(shè)Et>Ei)強(qiáng)n型區(qū)弱n型區(qū)弱p型區(qū)強(qiáng)p型區(qū)(1)強(qiáng)n型區(qū)Cn~Cp(2)弱n型區(qū)(3)弱p型區(qū)(4)強(qiáng)p型區(qū)若Et靠近EC：俘獲電子的能力增強(qiáng)不利于復(fù)合Et處禁帶中央，復(fù)合率最大。Et=Ei最有效的復(fù)合中心俘獲空穴的能力減弱大注入3其它復(fù)合半導(dǎo)體表面狀態(tài)對(duì)非平衡載流子也有很大影響，表面處的雜質(zhì)和表面特有的缺陷也在禁帶形成復(fù)合中心。（1）表面復(fù)合表面氧化層、水汽、雜質(zhì)的污染、表面缺陷或損傷。（2）俄歇復(fù)合（3）陷阱效應(yīng)一些雜質(zhì)缺陷能級(jí)能夠俘獲載流子并長(zhǎng)時(shí)間的把載流子束縛在這些能級(jí)上。俘獲電子和俘獲空穴的能力相差太大產(chǎn)生原因：電子陷阱空穴陷阱例題1解:溫度改變時(shí),費(fèi)米能級(jí)位置要發(fā)生變化,則與Et的相對(duì)位置也發(fā)生變化.例2在一塊p型半導(dǎo)體中，有一種復(fù)合-產(chǎn)生中心，小注入時(shí)被這些中心俘獲的電子發(fā)射回導(dǎo)帶的過(guò)程和它與空穴復(fù)合的過(guò)程有相同的幾率。試求這種復(fù)合-產(chǎn)生中心的位置，并說(shuō)明它能否成為有效的復(fù)合中心？5.5非平衡載流子的擴(kuò)散（Diffusion）運(yùn)動(dòng)（1）擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與擴(kuò)散電流（diffusioncurrent）考察p型半導(dǎo)體的非少子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)沿x方向的濃度梯度電子的擴(kuò)散流密度（單位時(shí)間通過(guò)單位截面積的電子數(shù)）Dn---電子擴(kuò)散系數(shù)（electrondiffusioncoefficients）——單位時(shí)間在小體積Δx·1中積累的電子數(shù)擴(kuò)散定律在x附近，單位時(shí)間、單位體積中積累的電子數(shù)——積累率穩(wěn)態(tài)時(shí)，積累=損失穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散方程三維球坐標(biāo)一維求解（1）若樣品足夠厚（2）若樣品厚為W（W∞)并設(shè)非平衡少子被全部引出則邊界條件為：?n(W)=0?n(0)=(?n)0得當(dāng)W<<Ln時(shí)，相應(yīng)的Sn=常數(shù)空穴的擴(kuò)散電流密度電子的擴(kuò)散電流密度擴(kuò)散電流密度若樣品足夠厚在光照和外場(chǎng)同時(shí)存在的情況下:（2）總電流密度（3）EinsteinRelationship（愛(ài)因斯坦關(guān)系）平衡條件下：最后得同理5.6連續(xù)性方程指擴(kuò)散和漂移運(yùn)動(dòng)同時(shí)存在時(shí)，少數(shù)載流子所遵守的運(yùn)動(dòng)方程以一維p型為例來(lái)討論：ε光照在外加條件下，載流子未達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，少子濃度不僅是x的函數(shù)，而且隨時(shí)間t變化：積累率復(fù)合率其它產(chǎn)生率*電子積累率：電子的擴(kuò)散和漂移流密度------連續(xù)性方程討論（1）光照恒定（2）材料摻雜均勻（3）外加電場(chǎng)均勻（4）光照恒定，且被半導(dǎo)體均勻吸收對(duì)于p型半導(dǎo)體：應(yīng)用舉例1用光照射n型半導(dǎo)體，并被表面均勻吸收，且gp=0

。假定材料是均勻的，且無(wú)外場(chǎng)作用，試寫(xiě)出少數(shù)載流子滿足的運(yùn)動(dòng)方程。非平衡少數(shù)載流子的擴(kuò)散方程恒定光照下——穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散方程2用恒定光照射n型半導(dǎo)體，并被表面均勻吸收,且gp=0。假定材料是均勻的，且外場(chǎng)均勻，試寫(xiě)出少數(shù)載流子滿足的運(yùn)動(dòng)方程，并求解。解此時(shí)連續(xù)性方程變?yōu)榉匠痰耐ń鉃椋嚎紤]到非平衡載流子是隨x衰減的又其中——空穴的牽引長(zhǎng)度空穴在壽命時(shí)間內(nèi)所漂移的距離最后得：其中電場(chǎng)很強(qiáng)電場(chǎng)很弱結(jié)論：由表面注入的非平衡載流子深入樣品的平均距離，在電場(chǎng)很強(qiáng)時(shí)為牽引長(zhǎng)度，而電場(chǎng)很弱時(shí)為擴(kuò)散長(zhǎng)度。3在一塊均勻的半導(dǎo)體材料中，用適當(dāng)頻率的光脈沖照射其局部區(qū)域，請(qǐng)分別寫(xiě)出沒(méi)有外場(chǎng)和加外場(chǎng)時(shí)，非平衡載流子在光脈沖停止后的運(yùn)動(dòng)方程。沒(méi)有外場(chǎng)：0x?pt=0t=t1t=t2有外場(chǎng)：0x?pt=0t=t1At=t24穩(wěn)態(tài)下的表面復(fù)合穩(wěn)定光照射在一塊均勻摻雜的n型半導(dǎo)體中均勻產(chǎn)生非平衡載流子，產(chǎn)生率為gp。如果在半導(dǎo)體一側(cè)存在