半导体材料物理 Chapter5 额外载流子

Chapterⅴ：非平衡载流子平衡载流子：处于热平衡态的半导体，在一定温度下，载流子浓度是恒定的。本章用n0和p0分别 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示平衡电子浓度和平衡空穴浓度。非简并热平衡半导体判据：n0p0=NcNvexp(-Eg/k0T)=ni2G0=R0EvEcG0R0n0p0EiG0载流子的产生率；R0载流子的复合率§5.1非平衡载流子的注入与复合一、平衡载流子和非平衡载流子Chapter4半导体中的导电性SemiconductorPhysics&Materials非平衡载流子：对半导体施加外界作用，可使其处于非平衡状态，此时比平衡态多出来的载流子称为非平衡载流子，也称为过剩载流子。n型半导体，电子称为多数载流子，空穴称为少数载流子：n>p对于P型材料则相反。外界作用通常为局部的光，电，太空射线等EvEcGRG>R§5.1非平衡载流子的注入与复合Chapter4半导体中的导电性SemiconductorPhysics&Materials§5.1非平衡载流子的注入与复合二、非平衡载流子的注入EvEcGRG>Rhv>EgΔnΔp设想有一个N型半导体，用光照射，光子的能量大于禁带宽度时,则可将该半导体价带的电子激发到导带，使导带比平衡时多出一部分电子Δn,价带比平衡时多出一部分空穴Δp。在这种情况下称为载流子的光注入。电子浓度和空穴浓度分别为:且Δn=ΔpΔn和Δp就是非平衡载流子浓度，Δn为非平衡多数载流子浓度，简称非平衡多子；Δp为非平衡少数载流子浓度，简称非平衡少子。Chapter4半导体中的导电性SemiconductorPhysics&Materials小注入：如果非平衡少数载流子的浓度远小于平衡多数载流子的浓度，则称为小注入。小注入判据：n型半导体Δp<<n0；p型半导体Δn<<p0例如：在室温下，N型硅，ρ=1Ω•cmn0=5.5×1015cm-3；p0=3.1×104cm-3注入非平衡载流子Δn=Δp=1010cm-3则Δp<<n0；但Δp>>p0由此说明，即使在小注入情况下，虽然多子浓度变化很小，可以忽略。但非平衡少子浓度还是比平衡少子浓度大很多，因而它的影响是十分重要。非平衡少子起着主要作用。通常所说的非平衡载流子都是指非平衡少数载流子§5.1非平衡载流子的注入与复合Chapter4半导体中的导电性SemiconductorPhysics&Materials电导调制效应：注入的非平衡载流子可以引起半导体的电导率由平衡值σ0增加为σ0+Δσ，附加电导率Δσ可表示为：Δn=Δp通过附加电导率的测量可以直接检验非平衡载流子的存在！半导体附加光电导实验hvR>>r,V=Ir,小注入ΔV=IΔr,ΔV∝Δσ、Δp§5.1非平衡载流子的注入与复合Chapter4半导体中的导电性SemiconductorPhysics&Materials§5.1非平衡载流子的注入与复合载流子注入方法：即能量传递方式，有多种产生非平衡载流子的方法：光注入：用光照产生非平衡载流子的方法电注入：用电场产生非平衡载流子的方法。如，P-N结加正向电压，在接触面附近产生非平衡载流子。另外，当金属与半导体接触时，加上适当极性的电压，也可以注入非平衡载流子。Chapter4半导体中的导电性SemiconductorPhysics&Materials§5.1非平衡载流子的注入与复合三、非平衡载流子的复合非平衡载流子是在外界作用下产生的,当外界作用撤除后，由于半导体的内部作用,非平衡载流子将逐渐消失,也就是导带中的非平衡载流子落入到价带的空状态中,使电子和空穴成对地消失,这个过程称为非平衡载流子的复合。Chapter4半导体中的导电性SemiconductorPhysics&Materials非平衡载流子的复合是半导体由非平衡态趋向平衡态的一种驰豫过程此过程。载流子的复合率S大于产生率G，有净复合。载流子的产生率G：把单位时间单位体积内产生的载流子数称为载流子的产生率载流子数的复合率S：单位时间单位体积内复合的载流子数称为载流子的复合率。半导体载流子复合实验t=0时，外界作用停止，Δp、Δσ将随时间变化，衰减Δp、Δσ→0§5.1非平衡载流子的注入与复合Chapter4半导体中的导电性SemiconductorPhysics&Materials§5.1非平衡载流子的注入与复合——小结①在热平衡情况下，由于半导体的内部作用，产生率和复合率相等，使载流子浓度维持一定。②当有外界作用时(如光照)，破坏了产生和复合之间的相对平衡，产生率将大于复合率，使半导体中载流子的数目增多,即产生非平衡载流子。③随着非平衡载流子数目的增多，复合率增大。当产生和复合这两个过程的速率相等时，非平衡载流子数目不再增加,达到稳定值。④在外界作用撤除以后，复合率超过产生率，结果使非平衡载流子逐渐减少，最后恢复到热平衡状态。Chapter4半导体中的导电性SemiconductorPhysics&Materials§5.2非平衡载流子的寿命一、少子寿命实验证明：n型半导体，Δp<<n0，t=0时，外界作用停止，Δp将随时间变化，则在单位时间内，由于少子与多子的复合而引起非平衡载流子浓度的变化dΔp/dt，与它们的浓度Δp成比例，即：引入比例系数：Chapter4半导体中的导电性SemiconductorPhysics&Materials§5.2非平衡载流子的寿命1/τ表示在单位时间内复合掉的非平衡载流子在现存的非平衡载流子中所占的比例。换言之，1/τ是单位时间内每个非平衡载流子被复合掉的几率；Δp/τ是非平衡载流子的复合率。解方程,得：t=0：Δp(0)=Δp0,C=Δp00tΔp0Δp0/eΔpττ是反映Δp衰减快慢的时间常数,τ越大,Δp衰减的越慢；Chapter4半导体中的导电性SemiconductorPhysics&Materials§5.2非平衡载流子的寿命非平衡载流子寿命：就是非平衡载流子在复合前平均存在的时间τ就是非平衡载流子的寿命，又称少子寿命！Chapter4半导体中的导电性SemiconductorPhysics&Materials§5.2非平衡载流子的寿命二、少子寿命实验1、直流光电导衰减法半导体小注入：光脉冲照在半导体样品上，在样品中产生非平衡载流子，使样品的电导发生改变，测量光照结束后，附加电导Δσ衰减。选择串联电阻RL的阻值远大于半导体样品电阻R.当样品的电阻因光照而改变时,流过样品的电流I基本不变.Chapter4半导体中的导电性SemiconductorPhysics&Materials§5.2非平衡载流子的寿命半导体rIVD=Dt/tepV-µDµD即上式表明，示波器上显示出的样品两端的电压变化，直接反映了样品电导的改变。附加电导Δσ和非平衡载流子浓度Δp成正比。光照停止以后，由电压变化的时间常数，可以求出非平衡载流子的寿命。Chapter4半导体中的导电性SemiconductorPhysics&Materials各种测量方法都包含非平衡载流子的注入和检测两方面内容。常用方法：直流光电导衰退法；高频光电导衰退法；扩散长度法；光磁电法等寿命是标志半导体材料质量的主要参数之一，依据半导体材料的种类、纯度和结构完整性的不同,它可以在10-2～10-9s的范围内变化。2、少子寿命的其他测量方法§5.2非平衡载流子的寿命Chapter4半导体中的导电性SemiconductorPhysics&Materials§5.2非平衡载流子的寿命三、小结非平衡载流子寿命又称少子寿命，是非平衡少子在复合前的平均存在时间；小注入少子寿命是常数，是非平衡少子衰减到初始值1/e的时间；试验可以直接测量少子寿命，如直流光电导衰减法；少子寿命是标志半导体材料质量的主要参数之一，同种材料的半导体寿命越长，晶体越完整；不同材料半导体的寿命不同。Chapter4半导体中的导电性SemiconductorPhysics&Materials§5.3准费米能级在热平衡情况下可以用统一的费米能级EF描述半导体中电子和空穴在能级之间的分布。EcEvEFEiChapter4半导体中的导电性SemiconductorPhysics&Materials§5.3准费米能级当有非平衡载流子存在时，不再存在统一的费米能级。电子系统的热平衡是通过热跃迁实现。在一个能带内的非平衡载流子热跃迁频繁，在比它们的寿命短得多的时间内，达到带内热平衡。在这种情况下，处于非平衡状态的电子系统和空穴系统，可以定义各自的费米能级，称为准费米能级。一、准费米能级Chapter4半导体中的导电性SemiconductorPhysics&Materials有非平衡载流子存在时，设电子和空穴的准费米能级分别为EFn和EFp，则电子和空穴占据能级E的几率fn和fp可以写为：§5.3准费米能级对于非简并半导体,电子和空穴浓度的表示式为：EcEvEFEFpEFnChapter4半导体中的导电性SemiconductorPhysics&Materials二、半导体偏离平衡态的程度§5.3准费米能级电子和空穴浓度的乘积为：Chapter4半导体中的导电性SemiconductorPhysics&Materials与n0p0=ni2比较，可以看出EFn和EFp之间距离的大小，直接反映了半导体偏离平衡态的程度：①两者的距离越大，偏离平衡态越显著；②两者的距离越小，就越接近平衡态；③当两者重合时，有统一的费米能级，半导体处于平衡态。二、半导体偏离平衡态的程度§5.3准费米能级Chapter4半导体中的导电性SemiconductorPhysics&Materials由上可知，在有非平衡载流子存在时,由于n>n0和p>p0，所以，无论是EFn还是EFp都偏离EF，EFn偏向导带底Ec；而EFp则偏向价带顶Ev。但是，EFn和EFp偏离EF的程度是不同的。二、半导体偏离平衡态的程度§5.3准费米能级一般来说，多数载流子的准费米能级非常靠近平衡态的费米能级EF，两者基本上是重合的，而少数载流子的准费米能级则偏离EF很大。Nd=1015cm-3的N型硅，在注入水平Δp=1011cm-3时，准费米能级偏离平衡态费米能级的情况示意图Chapter4半导体中的导电性SemiconductorPhysics&Materials非平衡载流子没有统一的费米能级，统一费米能级是半导体系统处于热平衡的标志。用准费米能级定义非平衡载流子的电子系统和空穴系统各自的费米能级。|EFn-EFp|的大小，反映了半导体偏离平衡态的程度，越大偏离平衡态越严重。多子的准费米能级靠EF近，少子则反之。三、小结§5.3准费米能级Chapter4半导体中的导电性SemiconductorPhysics&Materials§5.4复合理论•°ECEV⒈直接复合:电子由导带直接跃迁到价带的空状态，使电子和空穴成对地消失。其逆过程是电子由价带激发到导带，产生电子-空穴对。ECEV•°Et⒉间接复合:是通过复合中心的复合。所谓复合中心，是指晶体中的一些杂质或缺陷，它们在禁带中引入距离导带底和价带顶都比较远的局部化能级，即复合中心能级。5.4.1复合动力学过程的种类Chapter4半导体中的导电性SemiconductorPhysics&Materials§5.4复合理论5.4.1复合动力学过程的种类表面复合：非平衡载流子通过表面复合中心能级产生的复合；体内复合：非平衡载流子通过体内复合中心能级产生的复合。Chapter4半导体中的导电性SemiconductorPhysics&Materials§5.4复合理论5.4.2载流子产生的复合的内在驱动力载流子的复合或产生是它们在能级之间的跃迁过程，必然伴随有能量的放出或吸收。根据能量转换形式的不同，引起电子和空穴复合及产生过程的内部作用，有以下三种:⒈电子与电磁波的作用在温度为T的物体内，存在着温度为T的黑体辐射。这种黑体辐射也就是电磁波,它们可以引起电子在能级之间的跃迁。这种跃迁称为电子的光跃迁或辐射跃迁。在跃迁过程中，电子以吸收或发射光子的形式同电磁波交换能量。⒉电子与晶格振动的相互作用晶格振动可以使电子在能级之间跃迁,这种跃迁称为热跃迁。在跃迁过程中，电子以吸收或发射声子的形式与晶格交换能量。这种跃迁的几率很小。⒊电子间的相互作用电子之间的库仑相互作用,也可以引起电子在能级之间的跃迁。这种跃迁过程称为俄歇效应(Augereffect).Chapter4半导体中的导电性SemiconductorPhysics&Materials§5.4复合理论5.4.3直接复合导带的电子直接跃迁到价带中的空状态，实现电子-空穴对的复合,同时发射光子，这种直接复合过程，称为直接辐射复合，或称为带间辐射复合。上述直接复合过程的逆过程是电子-空穴对的产生过程，即价带中的电子向导带中空状态的跃迁。Chapter4半导体中的导电性SemiconductorPhysics&Materials§5.4复合理论5.4.3直接复合在带间辐射复合过程中，单位时间内，在单位体积中复合的电子-空穴对数，即复合率R，与电子浓度n和空穴浓度p成正比：1.复合率和产生率式中，r称为复合系数，实际上是一个平均量，它代表不同热运动速度的电子和空穴复合系数的平均值。rp为每个电子与空穴相遇而复合的几率。注意：r是半导体的固有性质，不随载流子状态的改变而改变！Chapter4半导体中的导电性SemiconductorPhysics&Materials§5.4复合理论5.4.3直接复合电子-空穴对的产生过程，即价带中的电子向导带中空状态的跃迁，在可用产生率G描述。在复合过程中，G等于热平衡时的产生率G0，与非平衡载流子无关。在热平衡时，电子和空穴的复合率R0应等于产生率G0可得出产生率Chapter4半导体中的导电性SemiconductorPhysics&Materials§5.4复合理论5.4.3直接复合2.净复合率和寿命非平衡情况下，G≠R，电子-空穴对的净复合率U为把n=n0+Δn,p=p0+Δp；Δn=Δp代入上式，净复合率U代表非平衡载流子的复合率，它与少子寿命τ的关系：Chapter4半导体中的导电性SemiconductorPhysics&Materials§5.4复合理论5.4.3直接复合在小注入条件下，，上式可改写为：对于本征半导体，有：本征半导体的少子寿命与其禁带宽度之间的关系?对于N型半导体，n0>>p0，有对于P型半导体，p0>>n0，有Chapter4半导体中的导电性SemiconductorPhysics&Materials1、在小注入条件下，当温度和掺杂一定时，寿命是一个常数。寿命与多数载流子密度成反比，或者说，半导体电导率越高，直接辐射复合寿命就越短。§5.4复合理论5.4.3直接复合——小结2、在大注入条件下，，有，此时非平衡载流子寿命不再是常数3、在Si、Ge半导体中，非平衡载流子的实际寿命比利用直接复合机制计算出来的寿命小，说明在该两种半导体中，非平衡载流子的寿命不是主要由这种复合机制控制的！为什么？一般在小禁带，直接带隙半导体中，直接复合才重要！Chapter4半导体中的导电性SemiconductorPhysics&Materials§5.4复合理论5.4.4间接复合非平衡载流子可以通过复合中心完成复合，这是一种通过复合中心能级进行的复合过程。实验证明，在大多数半导体中，它都是一种最重要的复合过程。用Et表示复合中心能级，用Nt和nt分别表示复合中心浓度和复合中心上的电子浓度。通过复合中心复合和产生的四种过程，如下图所示。1.通过复合中心的复合过程d.空穴的产生a.电子的俘获b.电子的产生c.空穴的俘获Chapter4半导体中的导电性SemiconductorPhysics&Materials5.4.4间接复合一个电子被俘获的几率与空的复合中心浓度（Nt-nt）成正比。所以，电子的俘获率Rn可以表示为：⑴电子的俘获过程（a）Cn：电子的俘获系数：复合中心浓度：复合中心上电子浓度在一定温度下，每个复合中心上的电子都有一定的几率被激发到导带中的空状态。在非简并情况下，可以认为导带基本上是空的，电子激发几率sn与导带电子浓度无关。与复合中心上的电子浓度nt成正比，则电子的产生率Gn可写成：⑵电子的产生过程（b）Chapter4半导体中的导电性SemiconductorPhysics&Materials5.4.4间接复合在热平衡情况下，电子的产生率和俘获率相等，即：这里，n0和nt0分别是热平衡时的导带电子浓度和复合中心上的电子浓度：忽略简并因子有：Chapter4半导体中的导电性SemiconductorPhysics&Materials只有已经被电子占据的复合中心才能从价带俘获空穴，所以每个空穴被俘获的几率与nt成正比。于是，空穴的俘获率Rp可写成5.4.4间接复合⑶空穴的俘获过程（c）cp：空穴的俘获系数价带中的电子只能激发到空着的复合中心上去。在非简并情况下，价带基本上充满电子，复合中心上的空穴激发到价带的几率sp与价带的空穴浓度无关。因此，空穴的产生率Gp可以表示为⑷空穴的产生过程（d）Chapter4半导体中的导电性SemiconductorPhysics&Materials在热平衡情况下，空穴的产生率和俘获率相等，即5.4.4间接复合Chapter4半导体中的导电性SemiconductorPhysics&Materials5.4.4间接复合a,b,c,d,空穴的净俘获率电子的净俘获率（5）寿命Chapter4半导体中的导电性SemiconductorPhysics&Materials5.4.4间接复合稳态时,复合中心上的电子数保持不变：必须有复合中心对电子的净俘获率Un等于空穴的净俘获率Up，也就是等于电子-空穴对的净复合率U，利用n1p1=ni2，并将nt代入，有：（5）寿命Chapter4半导体中的导电性SemiconductorPhysics&Materials引入5.4.4间接复合（5）寿命Chapter4半导体中的导电性SemiconductorPhysics&Materials5.4.4间接复合间接复合非平衡载流子寿命可见，小注入时，间接复合机制下非平衡载流子的寿命只取决于n0，p0，n1和p1的值，而与非平衡载流子的浓度无关。实际情况常常只需考虑浓度最大者！（5）寿命费米能级EF与复合中心能级Et重合时的平衡电子浓度费米能级EF与复合中心能级Et重合时的平衡空穴浓度Chapter4半导体中的导电性SemiconductorPhysics&Materials5.4.4间接复合（6）寿命随载流子浓度的变化强N弱P弱N强P（分四个区域）寿命随EF的变化规律Chapter4半导体中的导电性SemiconductorPhysics&Materials5.4.5表面复合发生在半导体表面的复合过程。表面处的杂质和表面的特有缺陷也在能在禁带之中形成复合中心能级，因此表面复合仍然是间接复合，前面所讲的复合理论仍然适用。考虑了表面复合，则非平衡载流子的寿命是体内复合与表面复合的综合结果。两种复合可以看做单独发生的过程，用和分别表示体内复合与表面复合的寿命，那么总的复合概率为：其中，称为有效寿命Chapter4半导体中的导电性SemiconductorPhysics&Materials5.4.5俄歇复合定义：载流子从高能级向低能级跃迁，发生电子-空穴对复合过程释放的能量传递给另外一个载流子，使其激发到能量更高的能级上去，而当它再跃迁回至低能级时，将以声子形式释放能量，则这种电子-空穴对的复合称为俄歇复合。这种复合形式是非辐射复合。分类：带间复合与杂质、缺陷有关的复合。俄歇复合：Chapter4半导体中的导电性SemiconductorPhysics&Materials带间俄歇复合与杂质和缺陷有关的俄歇复合5.4.5俄歇复合Chapter4半导体中的导电性SemiconductorPhysics&Materials当半导体处于热平衡态，施主、受主、复合中心或其他杂质能级上，都具有一定数目的电子，且能级上的电子通过载流子的俘获和产生保持平衡。处于非平衡态，杂质能级上电子数目的改变表明杂质能级具有收容载流子的能力。杂质能级积累非平衡载流子的作用称为陷阱效应。具有显著积累非平衡载流子作用的杂质能级称为陷阱，相应的杂质和缺陷称为陷阱中心。5.5陷阱效应Chapter4半导体中的导电性SemiconductorPhysics&Materials