半導體物理課件復合理論

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

R=rnp，其中r為復合系數(shù)。熱平衡(n0

、p0)時應該有：R0

=rn0p0，且有G0

=R0；當處于非平衡(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.半導體電導率越高,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,復合過程中,壽命不再是常數(shù)二.通過復合中心的復合－間接復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維持不變；解得

通過對此產(chǎn)生-復合機構(gòu)中的產(chǎn)生率和復合率的分析，可以得出這種復合機構(gòu)所決定的過剩載流子壽命的具體形式Et為復合中心能級,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N型半導體在小注入的情況下，有n0

>>p1

、n1

>>p0

，代入上式，得：

n=

p=

p0＝1/rpNt；費米能級更靠近Ec，復合中心能級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P型半導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，與電導率成反比。若Et能級位于禁帶的上半部，更接近導帶底，則公式中的分子應為n1EcEvEFE’tEtEi

三、影響過剩載流子壽命的幾個因素：

復合中心能級的位置對壽命的影響可見，當復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、復合效率最大，是最有效的復合中心。也表明：淺能級雜質(zhì)不能起到復合中心的作用。載流子濃度（費米能級位置）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）?？梢姡攏0

=p0

=ni

、EF

=Ei

時，過剩載流子的壽命最長、復合效率最低。

溫度對過剩載流子壽命的影響以N型半導體為例，假定Et位于禁帶中央的上部；當溫度改變時，費米能級EF

的位置要發(fā)生變化：a段：當溫度較低時，EF處于Et之上，處于強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：當溫度繼續(xù)升高，進入本征激發(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，對導電無貢獻；深能級雜質(zhì)顯示的帶電問題：當費米能級高于雜質(zhì)能級時，雜質(zhì)能級被電子填充，雜質(zhì)帶負電，顯示為受主態(tài)；當費米能級低于雜質(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、表面復合樣品表面粗糙、尺寸小也都會降低少子壽命，相當于在表面引入復合中心，促使載流子在表面進行復合,表面復合率為：表示單位時間通過單位表面積復合而消失的空穴-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，應用壽命長的材料，生產(chǎn)中獲得光滑表面以減少載流子復合。半導體測量中，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合來進行測量。材料中的（某些）雜質(zhì)、缺陷、表面狀態(tài)均會促進復合，導致非平衡載流子壽命降低。

四.帶間俄歇（Auger）產(chǎn)生-復合機制（Non-Radiationrecombination）帶間俄歇復合是一個“三粒子”過程。復合率與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為俄歇復合系數(shù)。與俄歇復合過程相反的電子空穴對的產(chǎn)生過程是碰撞電離。足夠高的電子與價帶中的電子碰撞使電子激發(fā)到導帶產(chǎn)生電子空穴對。Gee＝gen；Ghh＝ghp

ge，gh

是相應的產(chǎn)生系數(shù)。熱平衡時，

Ree0＝Gee0，Rhh0＝Ghh0

ge＝

ren0p0=reni2

，gh＝

rhn0p0=rh

ni2凈復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？什么準費米能級？2、半導體中非平衡載