半导体物理学第五章.ppt

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1、现在学习的是第1页，共37页 热平衡状态下的载流子称为平衡载流子热平衡状态下的载流子称为平衡载流子非简并半导体处于热平衡状态的判据式非简并半导体处于热平衡状态的判据式（只受温度（只受温度T影响）影响）1 非平衡载流子的注入与复合非平衡载流子的注入与复合200gEkTicvn pnN N e现在学习的是第2页，共37页n由于受外界因素如光、电的作用，半导体中载流子的分布偏由于受外界因素如光、电的作用，半导体中载流子的分布偏离了平衡态分布，称这些偏离平衡分布的载流子为离了平衡态分布，称这些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子过剩载流子，也称为，也称为非平衡载流子非平衡载流子引入非平衡载流子引入非平衡载

2、流子( (过剩载流子过剩载流子) )的过程的过程-非平衡载流子的注非平衡载流子的注入入(injection)(injection) 最常用的注入方式最常用的注入方式: :光注入光注入, ,电注入电注入. .非平衡载流子的光注入非平衡载流子的光注入平衡时平衡时 过剩载流子过剩载流子电中性：电中性：现在学习的是第3页，共37页平衡载流子满足费米狄拉克统计分布平衡载流子满足费米狄拉克统计分布过剩载流子过剩载流子不满足不满足费米狄拉克统计分布费米狄拉克统计分布2innp 且公式且公式不成立不成立现在学习的是第4页，共37页0000,pn nnnppp小注入条件小注入条件：注入的非平衡载流子浓度比平：注

3、入的非平衡载流子浓度比平衡时的多数载流子浓度小的多衡时的多数载流子浓度小的多N型材料P型材料现在学习的是第5页，共37页9310 /npcm14310/,DNcm例：室温下一受到微扰的掺杂硅， 判断其是否满足小注入条件？1432630010 /,/10 /DiDnNcmpnNcm93143000,10 /10/nnnnpcmncm 解：满足小注入条件！满足小注入条件！（ ）0pp注：（注：（1）即使在小注入的情况下，）即使在小注入的情况下，非平衡少数载流子浓度还是可以比平衡少非平衡少数载流子浓度还是可以比平衡少数载流子浓度大的多数载流子浓度大的多（2）非平衡少数载流子起重要作用，）非平衡少数载

4、流子起重要作用，非平衡载流子都指非平衡少数载流子非平衡载流子都指非平衡少数载流子现在学习的是第6页，共37页 非平衡载流子的复合非平衡载流子的复合: :当外界因素撤除当外界因素撤除, ,非平衡载非平衡载流子逐渐消失流子逐渐消失,(,(电子电子- -空穴复合空穴复合),),体系由非平衡体系由非平衡态回到平衡态态回到平衡态. . 热平衡是动态平衡热平衡是动态平衡. . 当存在外界因素当存在外界因素, ,产生非平衡载流子产生非平衡载流子, ,热平衡被破热平衡被破坏坏. . 稳态稳态当外界因素保持恒定当外界因素保持恒定, ,非平衡载流子的数目非平衡载流子的数目宏观上保持不变宏观上保持不变. . 现在学

5、习的是第7页，共37页现在学习的是第8页，共37页假定光照产生假定光照产生 和和 ，如果光突然关闭，如果光突然关闭， 和和 将随时间将随时间逐渐衰减直至逐渐衰减直至0 0，衰减的时间常数，衰减的时间常数，即即非平衡子的非平衡子的平均存在时间平均存在时间称为称为寿命寿命 ，也常称为也常称为少数载流子寿命少数载流子寿命 在单位时间内一个非平衡在单位时间内一个非平衡载流载流子发生复合的次数子发生复合的次数，即，即非平衡载流子的非平衡载流子的复合概率复合概率 单位时间内复合掉的非平衡子浓度，即单位时间内复合掉的非平衡子浓度，即非平衡载流子的非平衡载流子的复合率复合率1/Pnpnp/p2 2 非平衡载流

6、子的寿命非平衡载流子的寿命现在学习的是第9页，共37页当当 时，时， ，故寿命标志着非平衡载流子浓度，故寿命标志着非平衡载流子浓度减小到原值的减小到原值的1/e1/e所经历的时间；寿命越短，衰减越快所经历的时间；寿命越短，衰减越快( )pd ppP p tdt pt0( )()ptp tp e n型材料中的空穴型材料中的空穴0( )() /ppe 现在学习的是第10页，共37页（1 1）热平衡电子系统的费米能级）热平衡电子系统的费米能级热平衡电子系统有统一的费米能级；热平衡电子系统有统一的费米能级；统一的费米能级是热平衡统一的费米能级是热平衡状态的标志状态的标志2gEkTicvnpnN N e

7、cFFiFviFEEEEkTkTciEEE EkTkTvinN enepN ene3 准费米能级准费米能级 现在学习的是第11页，共37页（2 2）准费米能级的引入）准费米能级的引入 准平衡态准平衡态: :非平衡态体系中非平衡态体系中, ,通过载流子与晶格的通过载流子与晶格的相互作用相互作用, ,导带电子子系和价带空穴子系导带电子子系和价带空穴子系分别分别很快很快与晶格达到平衡与晶格达到平衡. . 可以认为可以认为: :一个能带内实现热平衡一个能带内实现热平衡. . 导带和价带之间并不平衡导带和价带之间并不平衡( (电子和空穴的数值均电子和空穴的数值均偏离平衡值偏离平衡值) )，它们，它们各自

8、处于平衡态，因此存在导带各自处于平衡态，因此存在导带费米能级费米能级 和价带费米能级和价带费米能级 ，称其为，称其为“准费米准费米能级能级”00FpVCFnEEEEk Tk TCVnN epN eFnEFpE现在学习的是第12页，共37页准费米能级准费米能级 注：注： 非平衡载流子越多，准费米能级偏离非平衡载流子越多，准费米能级偏离 就越远就越远。 在非平衡态时，一般情况下，在非平衡态时，一般情况下，少数载流子的准少数载流子的准费米能级偏离费米能级较大费米能级偏离费米能级较大00000000CFnFnFFniFpVFFpiFpEEEEEEk Tk Tk TCiEEEEEEk Tk Tk TVi

9、nN en enepN ep eneFE现在学习的是第13页，共37页准费米能级准费米能级00200FnFpFnFpEEEEk Tk Tinpn p en eCEVE 注：注： 两种载流子的准费米能级偏离的情况反映了半两种载流子的准费米能级偏离的情况反映了半导体偏离热平衡状态的程度导体偏离热平衡状态的程度FnEFpEFE现在学习的是第14页，共37页物理过程物理过程现在学习的是第15页，共37页物理过程物理过程现在学习的是第16页，共37页 (1) (1) 复合机制复合机制 (2)(2) 直接复合直接复合 (3)(3) 间接复合间接复合 (4) (4) 表面复合表面复合 (5) Auger(5

10、) Auger复合复合 (6) (6) 半导体类型半导体类型 4 复合理论复合理论 现在学习的是第17页，共37页 复合过程复合过程: : 直接复合直接复合导带电子直接跃迁到价带导带电子直接跃迁到价带 间接复合间接复合-导带电子跃迁到价带之前导带电子跃迁到价带之前, ,要经历某一要经历某一( (或某些或某些) )中间状态中间状态. . 这些中间状态是禁带中的一些能级这些中间状态是禁带中的一些能级复合复合中心中心. .复合中心可以位于体内复合中心可以位于体内, ,也可以与表面有关也可以与表面有关. .(1)(1) 复合机制复合机制现在学习的是第18页，共37页图5-5现在学习的是第19页，共37

11、页 三种释放能量的方式三种释放能量的方式: : 发射光子发射光子 ( (以光子的形式释放能量以光子的形式释放能量) ) 辐射复合辐射复合( (光跃迁光跃迁) ) 发射声子发射声子( (将多余的能量传给晶格将多余的能量传给晶格) ) 无辐射复合无辐射复合( (热跃迁热跃迁) ) Auger Auger复合复合( (将多余的能量给予第三者将多余的能量给予第三者) ) - -无辐射复合无辐射复合( (三粒子过程三粒子过程) )现在学习的是第20页，共37页直接复合直接复合 间接复合间接复合 Auger复合复合Rrnp（禁带宽度小的半导体材（禁带宽度小的半导体材料）料）（窄禁带半导（窄禁带半导体及高温

12、情况体及高温情况下）下）（具有深能级杂质的半导体（具有深能级杂质的半导体材料）材料）现在学习的是第21页，共37页（2 2）直接复合）直接复合( (直接辐射复合直接辐射复合) )复合率复合率( (单位时间单位时间, ,单位体积内复合掉的电子单位体积内复合掉的电子- -空穴空穴对数对数): ): - -直接复合系数直接复合系数 单位：单位：R-R- 1/(cm1/(cm3 3 S), S), -(-(cmcm3 3/S/S) ) 对非简并半导体对非简并半导体, , 这里的这里的”复合复合”, ,不是净复合不是净复合. .Rnp T现在学习的是第22页，共37页现在学习的是第23页，共37页产生率

13、产生率( (单位时间单位时间, ,单位体积内产生的电子单位体积内产生的电子- -空穴对空穴对数数): ): ，温度不变时，应该是一个，温度不变时，应该是一个常数常数 热平衡时，应有热平衡时，应有 净复合率净复合率: : 200()diURGnpnnppp200iGn pnG现在学习的是第24页，共37页寿命寿命: : 小注入条件下小注入条件下: :001()dpUnpp001()np现在学习的是第25页，共37页（3）间接复合）间接复合间接复合间接复合 非平衡子通过复合中心的复合非平衡子通过复合中心的复合 四个基本跃迁过程：四个基本跃迁过程： A. A. 电子俘获电子俘获 B. B. 电子产生

14、电子产生 C. C. 空穴俘获空穴俘获 D. D. 空穴产生空穴产生现在学习的是第26页，共37页Nt现在学习的是第27页，共37页A.电子俘获率电子俘获率 B.电子产生率电子产生率 C.空穴俘获率空穴俘获率 D.空穴产生率空穴产生率 电子俘获系数，电子俘获系数， 电子激发几率电子激发几率 空穴俘获系数，空穴俘获系数， 空穴激发几率空穴激发几率 单位单位: 产生率，产生率， 俘获率俘获率 (1/cm3s) 俘获系数俘获系数 (cm3/s), 激发几率激发几率 (1/s)nttr n Nnts n000tntts nr nNnptr pnttsNnnrprss热平衡时：热平衡时：ptttr pn

15、sNn现在学习的是第28页，共37页000tntts nr nNn热平衡时：热平衡时：000ptttr p nsNn0000expexpcFcFEEnNk TEEpNk T000exp1expttFtttttFNEEnN f ENk TEEk T非简并条件下，非简并条件下，1nsr n1psr p定义：定义：1010expexpctctEEnNk TEEpNk T现在学习的是第29页，共37页A.电子俘获率电子俘获率 B.电子产生率电子产生率 C.空穴俘获率空穴俘获率 D.空穴产生率空穴产生率 nttr n Nn1tnts nr n nptr pn1ttpttsNnr pNn简化参数：简化参数

16、：1010expexpctctEEnNk TEEpNk T211in pn现在学习的是第30页，共37页 求非平衡载流子的净复合率求非平衡载流子的净复合率 稳定情况下稳定情况下: nt=常数常数 即即 A+D=B+C, 由此方程可求出由此方程可求出nt 非平衡载流子的净复合率：非平衡载流子的净复合率： U=A-B=C-D. 得到得到:211()()()t n pinpN r r npnUr nnrpp现在学习的是第31页，共37页 非平衡载流子的寿命非平衡载流子的寿命: 小注入条件下：小注入条件下： -小注入条件下小注入条件下,非平衡子寿命与非平衡子浓度无关非平衡子寿命与非平衡子浓度无关.01

17、0100()()()npt n pr nnrpppUN r r nppU00pnp 010100()()()npt n pr nnprppppUN r r npp现在学习的是第32页，共37页 小注入情况下小注入情况下, ,讨论讨论随载流子浓度及复合中心能级随载流子浓度及复合中心能级E Et t的的变化变化: :强强n n型型 (E(EC C-E-EF F)(E)(E)(Et t-E-EV V) ) ( (高阻型）高阻型） 强强p p型型 (E(EF F-E-EV V)(E)(E)(Et t-E-EV V) ) ( (高阻型）高阻型） 101t npN r n1nt nN r101t npN

18、r p现在学习的是第35页，共37页 对间接复合讨论的主要结果对间接复合讨论的主要结果: a. 1/Nt b. 有效复合中心有效复合中心深能级杂质深能级杂质 c. 一般情况下一般情况下(强强n型材料型材料,强强p型材料型材料), 寿命寿命与多子浓度无关与多子浓度无关, 限制复合速率的是少子的俘限制复合速率的是少子的俘获获.现在学习的是第36页，共37页带间俄歇复合带间俄歇复合 图图5-10 (a),(d)带间带间Auger复合复合的定性图象的定性图象俄歇复合：在重掺杂半导体中，俄歇复合是主要俄歇复合：在重掺杂半导体中，俄歇复合是主要的复合机制。的复合机制。 （5）Auger复合复合现在学习的是第37页，共37页