半导体物理课件复合理论.pptVIP

§5.4 复合理论 复合过程有两种： 1、直接复合：电子在导带和价带之间的直接跃迁，引起电子和空穴的直接复合。 2、间接复合：电子和空穴通过禁带的能级（复合中心）复合。 有体内复合和表面复合。 放出能量的方式有：1、发射光子，辐射复合。2、发射声子；3、将能量传给其它载流子，俄歇复合。 一.带间直接复合-产生机制（Radiation recombination) 假定复合率R 正比于载流子浓度n、p 为： R = rnp， 其中r 为复合系数。 热平衡(n0 、p0)时应该有：R0 = r n0p0， 且有G0 = R0； 当处于非平衡(n,p)时，有：U =R-R0=rnp - rn0p0 = r (np - n0p0) ， 过剩载流子的寿命和净复合率的关系： 在小注入情况下（?n、?p 多子浓度）的近似 在大注入情况下（ ?n、?p 多子浓度）的近似 小注入情况下,当温度和掺杂一定时,寿命是一个常数.寿命与多数载流子浓度成反比.半导体电导率越高,寿命就越短. 大注入情况下,寿命随非平衡载流子浓度而改变,复合过程中,寿命不再是常数 二.通过复合中心的复合－间接复合 各过程的载流子产生或俘获率 甲 电子俘获率 乙 电子产生率 丙 空穴俘获率 丁 空穴产生率 各比例系数的含义 rn电子俘获系数 s-电子产生概率 rp空穴俘获系数 s+空穴产生概率 热平衡状态下的关系 引入 甲 电子俘获率 乙 电子产生率 丙 空穴俘获率 丁 空穴产生率= 稳态下，复合中心能级上由甲、丁过程造成的电荷积累与乙、丙过程造成的电荷减少应维持不变； 解得 通过对此产生-复合机构中的产生率和复合率的分析，可以得出这种复合机构所决定的过剩载流子寿命的具体形式 Et为复合中心能级, Nt为其浓度 rn, rp分别是它对电子和空穴的俘获系数. 寿命值取决于n0，p0，n1，p1及Δp的大小，小注入情况下，分别由EC-EF，EF-EV，EC-Et，Et-EV决定。 讨论： 小注入（?n、?p 多子浓度）时，有如下近似： 强N 型半导体在小注入的 情况下，有n0 p1 、n1 p0 ， 代入上式，得：?n=?p= ?p0＝1/rpNt； 费米能级更靠近Ec，复合中心能级Et上被电子全部占满，此时由Et对空穴（少子）的俘获能力决定。 Ec Ev EF Et 强P 型半导体在小注入的情况下，有p0 p1 、n1 n0 ，代入上式，得： ?n=?p= ?n0 ＝1/rnNt ； Ec Ev EF E t 假定Et位于禁带下半部， E’t 与Et 关于Ei对称，若Ef在Ei和E’t之间，为 n型高阻区， n0，p0，p1，n1 中p1n0 , p0 ,n1 ?＝p1/rnNtn0 同样，p型样品高阻区也有： ?＝p1/rpNtp0 高阻样品中，寿命与多数载流子浓度成反比，与电导率成反比。 若Et能级位于禁带的上半部，更接近导带底，则公式中的分子应为n1 Ec Ev EF E’t Et Ei 三、影响过剩载流子寿命的几个因素： 复合中心能级的位置对寿命的影响 可见，当复合中心位置处于禁带中央时（位于禁带中央附近的深能级），其寿命最小、复合效率最大，是最有效的复合中心。 也表明：浅能级杂质不能起到复合中心的作用。 载流子浓度（费米能级位置）对寿命影响 同前面的过程一样， 等号在n0 = p0 = ni时成立（本征情况）。可见，当n0 = p0 = ni 、EF = Ei 时，过剩载流子的寿命最长、复合效率最低。 温度对过剩载流子寿命的影响 以N 型半导体为例，假定Et 位于禁带中央的上部；当温度改变时，费米能级EF 的位置要发生变化： a段：当温度较低时， EF处于Et 之上，处于强N 型区，有 n0 n1 p1 p0 ，故有： 此时，τ的温度系数由rp 的温度 系数确定。 b段：当温度升高， EF 变到Et 以下，处于弱N 型区，有n1 n0 p0 p1 ，故有： 在载流子浓度不变的条件下（杂质完全电离，本征激发尚未开始）， τ 的温度系数由rp 和n1 的温度系数决定，此时，n1 温度系数占主要影响。 c段：当温度继续升高，进入本征激发范围时，则有n0= p0 = ni p1，故： 可见，由于ni随温度升高，而且增加得比n1 更快，故在此温度段内， τ 随温度升高而下降 深能级杂质的作用 深能级杂质通常不提供载流子，对导电无贡献； 深能级杂质显示的带电问题：当费米能级高于杂质能级时，杂质能级被电子填充，杂质带负电，显示为受主态；当费米能级低于杂质能级时，杂质能