半導(dǎo)體物理課件復(fù)合理論

§5.4復(fù)合理論復(fù)合過程有兩種：1、直接復(fù)合：電子在導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的直接躍遷，引起電子和空穴的直接復(fù)合。2、間接復(fù)合：電子和空穴通過禁帶的能級（復(fù)合中心）復(fù)合。有體內(nèi)復(fù)合和表面復(fù)合。放出能量的方式有：1、發(fā)射光子，輻射復(fù)合。2、發(fā)射聲子；3、將能量傳給其它載流子，俄歇復(fù)合。一.帶間直接復(fù)合-產(chǎn)生機(jī)制（Radiationrecombination)假定復(fù)合率R正比于載流子濃度n、p為：

R=rnp，其中r為復(fù)合系數(shù)。熱平衡(n0

、p0)時應(yīng)該有：R0

=rn0p0，且有G0

=R0；當(dāng)處于非平衡(n,p)時，有：U=R-R0=rnp-rn0p0

=r(np-n0p0)，過剩載流子的壽命和凈復(fù)合率的關(guān)系：在小注入情況下（

n、

p<<多子濃度）的近似在大注入情況下（

n、

p>>多子濃度）的近似小注入情況下,當(dāng)溫度和摻雜一定時,壽命是一個常數(shù).壽命與多數(shù)載流子濃度成反比.半導(dǎo)體電導(dǎo)率越高,壽命就越短.大注入情況下,壽命隨非平衡載流子濃度而改變,復(fù)合過程中,壽命不再是常數(shù)二.通過復(fù)合中心的復(fù)合－間接復(fù)合各過程的載流子產(chǎn)生或俘獲率甲電子俘獲率乙電子產(chǎn)生率丙空穴俘獲率丁空穴產(chǎn)生率各比例系數(shù)的含義rn電子俘獲系數(shù)s-電子產(chǎn)生概率rp空穴俘獲系數(shù)s+空穴產(chǎn)生概率熱平衡狀態(tài)下的關(guān)系引入甲電子俘獲率乙電子產(chǎn)生率丙空穴俘獲率丁空穴產(chǎn)生率=穩(wěn)態(tài)下，復(fù)合中心能級上由甲、丁過程造成的電荷積累與乙、丙過程造成的電荷減少應(yīng)維持不變；解得

通過對此產(chǎn)生-復(fù)合機(jī)構(gòu)中的產(chǎn)生率和復(fù)合率的分析，可以得出這種復(fù)合機(jī)構(gòu)所決定的過剩載流子壽命的具體形式Et為復(fù)合中心能級,Nt為其濃度rn,rp分別是它對電子和空穴的俘獲系數(shù).壽命值取決于n0，p0，n1，p1及Δp的大小，小注入情況下，分別由EC-EF，EF-EV，EC-Et，Et-EV決定。討論：小注入（

n、

p<<多子濃度）時，有如下近似：強(qiáng)N型半導(dǎo)體在小注入的情況下，有n0

>>p1

、n1

>>p0

，代入上式，得：

n=

p=

p0＝1/rpNt；費(fèi)米能級更靠近Ec，復(fù)合中心能級Et上被電子全部占滿，此時由Et對空穴（少子）的俘獲能力決定。EcEvEFEt強(qiáng)P型半導(dǎo)體在小注入的情況下，有p0

>>p1

、n1

>>n0

，代入上式，得：

n=

p=

n0＝1/rnNt

；EcEvEFEt假定Et位于禁帶下半部，E’t

與Et

關(guān)于Ei對稱，若Ef在Ei和E’t之間，為n型高阻區(qū)，n0，p0，p1，n1

中p1>>n0,p0,n1

＝p1/rnNtn0同樣，p型樣品高阻區(qū)也有：

＝p1/rpNtp0高阻樣品中，壽命與多數(shù)載流子濃度成反比，與電導(dǎo)率成反比。若Et能級位于禁帶的上半部，更接近導(dǎo)帶底，則公式中的分子應(yīng)為n1EcEvEFE’tEtEi

三、影響過剩載流子壽命的幾個因素：

復(fù)合中心能級的位置對壽命的影響可見，當(dāng)復(fù)合中心位置處于禁帶中央時（位于禁帶中央附近的深能級），其壽命最小、復(fù)合效率最大，是最有效的復(fù)合中心。也表明：淺能級雜質(zhì)不能起到復(fù)合中心的作用。載流子濃度（費(fèi)米能級位置）對壽命影響同前面的過程一樣，等號在n0

=p0

=ni時成立（本征情況）。可見，當(dāng)n0

=p0

=ni

、EF

=Ei

時，過剩載流子的壽命最長、復(fù)合效率最低。

溫度對過剩載流子壽命的影響以N型半導(dǎo)體為例，假定Et位于禁帶中央的上部；當(dāng)溫度改變時，費(fèi)米能級EF

的位置要發(fā)生變化：a段：當(dāng)溫度較低時，EF處于Et之上，處于強(qiáng)N型區(qū)，有n0>>n1>>p1>>p0

，故有：此時，τ的溫度系數(shù)由rp

的溫度系數(shù)確定。

b段：當(dāng)溫度升高，EF

變到Et

以下，處于弱N型區(qū)，有n1>n0>>

p0>>p1

，故有：在載流子濃度不變的條件下（雜質(zhì)完全電離，本征激發(fā)尚未開始），τ的溫度系數(shù)由rp

和n1

的溫度系數(shù)決定，此時，n1

溫度系數(shù)占主要影響。c段：當(dāng)溫度繼續(xù)升高，進(jìn)入本征激發(fā)范圍時，則有n0=p0=ni>>p1，故：可見，由于ni隨溫度升高，而且增加得比n1

更快，故在此溫度段內(nèi)，τ隨溫度升高而下降深能級雜質(zhì)的作用深能級雜質(zhì)通常不提供載流子，對導(dǎo)電無貢獻(xiàn)；深能級雜質(zhì)顯示的帶電問題：當(dāng)費(fèi)米能級高于雜質(zhì)能級時，雜質(zhì)能級被電子填充，雜質(zhì)帶負(fù)電，顯示為受主態(tài)；當(dāng)費(fèi)米能級低于雜質(zhì)能級時，雜質(zhì)能級無電子，顯示施主態(tài)，雜質(zhì)帶正電；可做為有效的復(fù)合中心，縮短非平衡載流子的壽命。金摻入硅中引入2個深能級，可做為n,p型硅開關(guān)器件的摻雜雜質(zhì)。三、表面復(fù)合樣品表面粗糙、尺寸小也都會降低少子壽命，相當(dāng)于在表面引入復(fù)合中心，促使載流子在表面進(jìn)行復(fù)合,表面復(fù)合率為：表示單位時間通過單位表面積復(fù)合而消失的空穴-電子對的數(shù)目。S具有速度量綱，由于表面復(fù)合而消失的非平衡載流子如同以垂直表面的速度S流出了表面。少子壽命值是結(jié)構(gòu)靈敏參數(shù)雙極型器件為少子器件，應(yīng)用壽命長的材料，生產(chǎn)中獲得光滑表面以減少載流子復(fù)合。半導(dǎo)體測量中，為消除探針注入所帶來的誤差影響，須用粗糙表面以增大表面復(fù)合來進(jìn)行測量。材料中的（某些）雜質(zhì)、缺陷、表面狀態(tài)均會促進(jìn)復(fù)合，導(dǎo)致非平衡載流子壽命降低。

四.帶間俄歇（Auger）產(chǎn)生-復(fù)合機(jī)制（Non-Radiationrecombination）帶間俄歇復(fù)合是一個“三粒子”過程。復(fù)合率與n2p或np2成正比。對于兩個電子和一個空穴過程：Ree＝ren2p對于兩個空穴和一個電子過程：Rhh＝rhnp2

re，rh為俄歇復(fù)合系數(shù)。與俄歇復(fù)合過程相反的電子空穴對的產(chǎn)生過程是碰撞電離。足夠高的電子與價(jià)帶中的電子碰撞使電子激發(fā)到導(dǎo)帶產(chǎn)生電子空穴對。Gee＝gen；Ghh＝ghp

ge，gh

是相應(yīng)的產(chǎn)生系數(shù)。熱平衡時，

Ree0＝Gee0，Rhh0＝Ghh0

ge＝

ren0p0=reni2

，gh＝

rhn0p0=rh

ni2凈復(fù)合率過剩載流子壽命：作業(yè)1、什么是過剩載流子？什么是小注入和大注入條件？什么準(zhǔn)費(fèi)米能級？2、半導(dǎo)體中非平衡載