國(guó)家信息安全應(yīng)急響應(yīng)計(jì)劃標(biāo)準(zhǔn)制定

第一章光電材料與器件基礎(chǔ)第一章主要內(nèi)容

半導(dǎo)體基礎(chǔ)

非平衡載流子

PN結(jié)、金屬-半導(dǎo)體結(jié)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)主要內(nèi)容半導(dǎo)體基礎(chǔ)1.電子波函數(shù)、布洛赫定理

(1-2)(1-1)一、半導(dǎo)體基礎(chǔ)1.電子波函數(shù)、布洛赫定理(1-2)(1-1)一、半導(dǎo)體基(1-2)(1-3)(1-4)(1-5)(1-5)(1-5)(1-2)(1-3)(1-4)(1-5)(1-5)(1-5)(1-6)k(1-6)k7.在有限大小的實(shí)際晶體中，采用波恩-卡門周期性邊界條件，波矢量k具有如下性質(zhì)：波矢量k標(biāo)志著晶體中電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，每個(gè)波矢量k代表電子在晶體中的一個(gè)空間運(yùn)動(dòng)量子態(tài)；

k限制在第一布里淵區(qū)；在第一布里淵區(qū)k取分立值；每個(gè)k的代表點(diǎn)所占的體積為；單位k空間狀態(tài)密度為；每個(gè)倒原胞中k的代表點(diǎn)數(shù)等于晶體的總原胞數(shù)N。7.在有限大小的實(shí)際晶體中，采用波恩-卡門周期性邊界條件，2.能帶kkk2.能帶kkk

kkkk3.有效質(zhì)量k空間中具有9個(gè)分量的三維二階張量3.有效質(zhì)量k空間中具有9個(gè)分量的三維二階張量

4.電子、空穴1.能帶理論指出，如果一個(gè)晶體具有不滿的能帶存在，則該晶體具有導(dǎo)電性。2.在熱平衡情況下，由于電子在狀態(tài)中的對(duì)稱分布，諸電子對(duì)電流的貢獻(xiàn)彼此兩兩抵消，無(wú)論是滿帶電子還是不滿帶中的電子都不能引起電導(dǎo)。3.在有電場(chǎng)的情況下，滿帶中的電子也不能起導(dǎo)電作用，不滿帶中的電子有導(dǎo)電作用。4.半導(dǎo)體和絕緣體的差別僅在于半導(dǎo)體禁帶寬度比較窄。5.空穴處于波矢量k描述的狀態(tài)，攜帶電荷+q，具有正的有效質(zhì)量。4.電子、空穴1.能帶理論指出，如果一個(gè)晶體具有不滿的能帶

5.雜質(zhì)和缺陷能級(jí)5.雜質(zhì)和缺陷能級(jí)

6.載流子的統(tǒng)計(jì)分布6.載流子的統(tǒng)計(jì)分布

國(guó)家信息安全應(yīng)急響應(yīng)計(jì)劃標(biāo)準(zhǔn)制定國(guó)家信息安全應(yīng)急響應(yīng)計(jì)劃標(biāo)準(zhǔn)制定多子少子*施主濃度增加，EF靠近導(dǎo)帶底。導(dǎo)帶之下本征費(fèi)米能級(jí)之上多子施主濃度增加，EF靠近導(dǎo)帶底。導(dǎo)帶之下本征費(fèi)米能級(jí)之上國(guó)家信息安全應(yīng)急響應(yīng)計(jì)劃標(biāo)準(zhǔn)制定國(guó)家信息安全應(yīng)急響應(yīng)計(jì)劃標(biāo)準(zhǔn)制定國(guó)家信息安全應(yīng)急響應(yīng)計(jì)劃標(biāo)準(zhǔn)制定簡(jiǎn)并半導(dǎo)體在重?fù)诫s半導(dǎo)體中費(fèi)米能級(jí)可以接近或進(jìn)入能帶，這種現(xiàn)象稱為載流子的簡(jiǎn)并化，這種半導(dǎo)體為簡(jiǎn)并半導(dǎo)體。使用費(fèi)米分布函數(shù)來(lái)分析能帶中載流子的統(tǒng)計(jì)分布。簡(jiǎn)并半導(dǎo)體中，雜質(zhì)濃度增加到一定程度會(huì)使雜質(zhì)能級(jí)形成雜質(zhì)帶并形成能帶的帶尾。帶尾使n型半導(dǎo)體的禁帶變窄，p型半導(dǎo)體的禁帶變寬。隧道結(jié)器件和半導(dǎo)體激光器都是使用重?fù)诫s的簡(jiǎn)并半導(dǎo)體。簡(jiǎn)并半導(dǎo)體7.載流子的散射和輸運(yùn)7.載流子的散射和輸運(yùn)國(guó)家信息安全應(yīng)急響應(yīng)計(jì)劃標(biāo)準(zhǔn)制定國(guó)家信息安全應(yīng)急響應(yīng)計(jì)劃標(biāo)準(zhǔn)制定4.處于Ec以上能級(jí)的電子和Ev以下能級(jí)的空穴都具有一部分動(dòng)能。當(dāng)有外電場(chǎng)加于半導(dǎo)體時(shí)，能帶圖會(huì)傾斜，給電子和空穴以動(dòng)能。5.有時(shí)由于偶然或需要的原因，會(huì)在半導(dǎo)體中引入非均勻的雜質(zhì)分布。非均勻的雜質(zhì)分布會(huì)在半導(dǎo)體中形成電場(chǎng)，成為自建電場(chǎng)，這種自建電場(chǎng)往往被應(yīng)用來(lái)改進(jìn)器件的性能。4.處于Ec以上能級(jí)的電子和Ev以下能級(jí)的空穴都具有一部分二、非平衡載流子非平衡態(tài)：對(duì)半導(dǎo)體施加外界作用，破壞了熱平衡的條件，使系統(tǒng)處于對(duì)平衡態(tài)的相偏離的狀態(tài)。相應(yīng)的：n=n0+?np=p0+?p且?n=?p非平衡載流子：?n和?p（過(guò)剩載流子）1、非平衡載流子的注入與復(fù)合二、非平衡載流子非平衡態(tài)：對(duì)半導(dǎo)體施加外界作用，破壞了熱平衡

載流子的光注入：用光照射半導(dǎo)體產(chǎn)生非平衡載流子的方法。小注入大注入：注入的過(guò)量載流子濃度?n可以和熱平衡多子濃度n0相比較。So，非平衡少數(shù)載流子在器件中起重要作用非平衡少數(shù)載流子非平衡載流子載流子的光注入：用光照射半導(dǎo)體產(chǎn)生非平衡載流子的方法。小注

載流子的電注入：PN結(jié)加正向偏壓金屬和半導(dǎo)體接觸載流子的電注入：PN結(jié)加正向偏壓金屬和半導(dǎo)體接觸

非平衡載流子的復(fù)合：當(dāng)外界作用撤除后，即停止注入，系統(tǒng)從非平衡態(tài)回到平衡態(tài)，電子-空穴對(duì)成對(duì)消失的過(guò)程。載流子的產(chǎn)生率：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位體積內(nèi)產(chǎn)生的載流子數(shù)目；載流子的復(fù)合率：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位體積內(nèi)復(fù)合的載流子數(shù)目；產(chǎn)生率vs復(fù)合率非平衡載流子的復(fù)合：當(dāng)外界作用撤除后，即停止注入，系統(tǒng)從國(guó)家信息安全應(yīng)急響應(yīng)計(jì)劃標(biāo)準(zhǔn)制定國(guó)家信息安全應(yīng)急響應(yīng)計(jì)劃標(biāo)準(zhǔn)制定

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(shí)間。壽命不同，衰減的快慢不同。討論：非平衡載流子平均生存時(shí)間（等于壽命）：

不同的材料壽命不同。一般，鍺比硅容易獲得較高壽命，而GaAs的壽命很短（10-8～10-9s）。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(shí)間。光照時(shí)，R>>r

，電阻變化很小，I

不變。直流光電導(dǎo)衰減法測(cè)壽命

電路中，半導(dǎo)體的電阻為r，串聯(lián)電阻為R，R>>r

。外加電壓為V光照時(shí)，R>>r，電阻變化很小，I不變。直流光電在非平衡狀態(tài)下費(fèi)米能級(jí)失去了意義。非平衡態(tài)的電子與空穴各自處于熱平衡態(tài)--準(zhǔn)平衡態(tài)，但具有相同的晶格溫度：2、準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)在非平衡狀態(tài)下費(fèi)米能級(jí)失去了意義。非平衡態(tài)的電子與空穴各自

無(wú)論是電子還是空穴，非平衡載流子越多，準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)偏離EF就越遠(yuǎn)，但EFn、EFp偏離EF的程度不同。對(duì)于n型半導(dǎo)體，小注入條件下，?n<<

n0，有n>n0，因而EFn比EF更靠近導(dǎo)帶，但偏離EF甚?。欢鳨Fp比EF更靠近價(jià)帶，且比EFn更顯著的偏離EF。

一般在非平衡態(tài)時(shí)，往往總是多數(shù)載流子的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)和平衡時(shí)的費(fèi)米能級(jí)偏離不多，而少數(shù)載流子的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)則偏離很大。討論：無(wú)論是電子還是空穴，非平衡載流子越多，準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)偏離EF就國(guó)家信息安全應(yīng)急響應(yīng)計(jì)劃標(biāo)準(zhǔn)制定

直接復(fù)合電子-空穴對(duì)的復(fù)合3、復(fù)合機(jī)制aba：電子-空穴對(duì)的復(fù)合b：電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生復(fù)合率：R=rnp

r為復(fù)合系數(shù)

在一定溫度下，r有完全確定的值，與電子濃度n和空穴濃度p無(wú)關(guān)。直接復(fù)合電子-空穴對(duì)的復(fù)合3、復(fù)合機(jī)制aba：

對(duì)于非簡(jiǎn)并情況，產(chǎn)生率基本相同，就等于熱平衡的產(chǎn)生率G0，即

G=G0=R0=rn0p0

在非平衡情況下，電子-空穴對(duì)的凈復(fù)合率：

U=R–G=r(np-n0p0)

≈r(n0+p0)

+r(?p)2

過(guò)剩載流子的壽命：

對(duì)于非簡(jiǎn)并情況，產(chǎn)生率基本相同，就等于熱平衡的產(chǎn)生率G0討論：小注入條件，?p<<n0+p0非平衡載流子的壽命為常數(shù)（a）對(duì)于n+型，n0>>p0（b）對(duì)于p+型，n0<<p0（c）對(duì)于本征半導(dǎo)體，在摻雜半導(dǎo)體中，非平衡少子的壽命比在本征半導(dǎo)體中的短非平衡少子壽命和多子濃度成反比，即和雜質(zhì)濃度成反比討論：非平衡載流子的壽命為常數(shù)（a）對(duì)于n+型，n0>>

間接復(fù)合通過(guò)復(fù)合中心（雜質(zhì)和缺陷能級(jí)）abcda：電子被復(fù)合中心俘獲；b：復(fù)合中心上的電子激發(fā)到導(dǎo)帶；c：空穴被復(fù)合中心俘獲；d：空穴的產(chǎn)生間接復(fù)合通過(guò)復(fù)合中心（雜質(zhì)和缺陷能級(jí)）abcda：a、電子的俘獲過(guò)程：Nt

：復(fù)合中心的濃度nt：復(fù)合中心能級(jí)Et上的電子濃度Nt-nt

：未被電子占據(jù)的復(fù)合中心的濃度

電子的俘獲率RnRn=Cnn(Nt-nt)Cn為電子的俘獲系數(shù)a、電子的俘獲過(guò)程：Nt：復(fù)合中心的濃度在非簡(jiǎn)并情況下，可以認(rèn)為導(dǎo)帶基本上是空的，電子被激發(fā)到導(dǎo)帶的激發(fā)概率Sn與導(dǎo)帶電子濃度無(wú)關(guān)。電子的產(chǎn)生率為：Gn=Snntb、電子的產(chǎn)生過(guò)程：在熱平衡情況下，電子的產(chǎn)生率和俘獲率相等：Snnt=Cnn0(Nt-nt0)在非簡(jiǎn)并情況下，可以認(rèn)為導(dǎo)帶基本上是空的，電子被激發(fā)到導(dǎo)帶的c、空穴的俘獲過(guò)程：只有被電子占據(jù)的復(fù)合中心才能從價(jià)帶俘獲空穴，所以電子的俘獲率RpRp=Cppnt

Cp為空穴的俘獲系數(shù)c、空穴的俘獲過(guò)程：只有被電子占據(jù)的復(fù)合中心才能從價(jià)帶俘獲d、空穴的產(chǎn)生過(guò)程：在非簡(jiǎn)并情況下，空穴的產(chǎn)生率為：

Gp=Sp(Nt–nt)d、空穴的產(chǎn)生過(guò)程：在非簡(jiǎn)并情況下，空穴的產(chǎn)生率為：

從電子的產(chǎn)生和俘獲過(guò)程，可以得到電子的凈俘獲率：

Un=Rn–Gn=Cn[n(Nt-nt)-n1nt]

從空穴的產(chǎn)生和俘獲過(guò)程，可以得到空穴的凈俘獲率：

Up=Rp–Gp=Cp[pnt–n1(Nt-nt)]從電子的產(chǎn)生和俘獲過(guò)程，可以得到電子的凈俘獲率：細(xì)致平衡原理：在穩(wěn)態(tài)下，各種能級(jí)上的電子和空穴數(shù)目應(yīng)該保持不變。復(fù)合中心能級(jí)上的電子濃度不變的條件是，復(fù)合中心電子的凈俘獲率等于對(duì)空穴的凈俘獲率，也等于電子-空穴對(duì)的凈復(fù)合率：

U=Un=UpCn[n(Nt-nt)-n1nt]=Cp[pnt–n1(Nt-nt)]細(xì)致平衡原理：在穩(wěn)態(tài)下，各種能級(jí)上的電子和空穴數(shù)目應(yīng)該保持不引入表示復(fù)合中心充滿電子時(shí)對(duì)每個(gè)空穴的俘獲概率表示復(fù)合中心充滿空穴時(shí)對(duì)每個(gè)電子的俘獲概率由在小注入條件下

?p<<n0+p0引入表示復(fù)合中心充滿電子時(shí)對(duì)每個(gè)空穴的俘獲概率表示復(fù)合中心肖克萊-瑞德公式（小信號(hào)注入壽命公式）討論若假設(shè)復(fù)合中心對(duì)電子和空穴的俘獲系數(shù)相等，則肖克萊-瑞德公式（小信號(hào)注入壽命公式）討論代入n1、p1的公式，得：

當(dāng)Et=Ei時(shí)，U值最大當(dāng)復(fù)合中心能級(jí)與本征費(fèi)米能級(jí)重合時(shí)，復(fù)合中心的復(fù)合作用最強(qiáng)，壽命最小。

當(dāng)Et≠Ei時(shí)，復(fù)合中心能級(jí)Et與Ei的距離越大，復(fù)合中心的復(fù)合作用越弱，壽命越大。代入n1、p1的公式，得：當(dāng)Et=Ei時(shí)，U值最大國(guó)家信息安全應(yīng)急響應(yīng)計(jì)劃標(biāo)準(zhǔn)制定國(guó)家信息安全應(yīng)急響應(yīng)計(jì)劃標(biāo)準(zhǔn)制定國(guó)家信息安全應(yīng)急響應(yīng)計(jì)劃標(biāo)準(zhǔn)制定國(guó)家信息安全應(yīng)急響應(yīng)計(jì)劃標(biāo)準(zhǔn)制定國(guó)家信息安全應(yīng)急響應(yīng)計(jì)劃標(biāo)準(zhǔn)制定國(guó)家信息安全應(yīng)急響應(yīng)計(jì)劃標(biāo)準(zhǔn)制定表面處的雜質(zhì)和表面的缺陷在禁帶形成復(fù)合中心能級(jí)間接復(fù)合用間接復(fù)合理論處理

表面復(fù)合表面復(fù)合通常用表面速度S來(lái)描述，它表示：由于表面復(fù)合而失去的非平衡載流子的數(shù)目，就等于在表面處以大小為S的垂直速度流出表面的非平衡載流子的數(shù)量。表面處的雜質(zhì)和表面的缺陷在禁帶形成復(fù)合中心能級(jí)間表面復(fù)合的意義較高的表面復(fù)合