載流子的產生與復合PPT精品文檔

1、半導體物理學半導體物理學1第第6章章非平衡過剩載流子非平衡過剩載流子非平衡狀態(tài)，載流子的產生與復合非平衡狀態(tài)，載流子的產生與復合連續(xù)性方程連續(xù)性方程雙極輸運雙極輸運準費米能級準費米能級*過剩載流子的壽命過剩載流子的壽命*表面效應表面效應半導體物理學半導體物理學2本章討論非平衡狀態(tài)下本章討論非平衡狀態(tài)下,半導體中載流子的半導體中載流子的產生產生、復合復合以及它們的運動規(guī)律。以及它們的運動規(guī)律。l 許多重要的半導體效應都是和許多重要的半導體效應都是和非平衡態(tài)非平衡態(tài)密切相關密切相關的的,許多器件就是利用非平衡載流子工作的許多器件就是利用非平衡載流子工作的,l 這些器件在不工作時這些器件在不工作時,

2、內部處于熱平衡狀態(tài)；內部處于熱平衡狀態(tài)；l 工作時工作時,就要打破平衡就要打破平衡,產生非平衡載流子產生非平衡載流子, 例如例如PN 結結、晶體管晶體管等皆是如此等皆是如此;l 所以所以,我們要研究我們要研究非平衡載流子非平衡載流子的性質的性質,了解它在了解它在電場下的運動特點電場下的運動特點,幫助深入了解材料的電學性質幫助深入了解材料的電學性質從而把握器件的工作原理。從而把握器件的工作原理。半導體物理學半導體物理學36.1載流子的產生與復合載流子的產生與復合產生：電子和空穴的生成過程產生：電子和空穴的生成過程復合：電子和空穴消失的過程復合：電子和空穴消失的過程熱平衡：產生過程與復合過程動態(tài)平

3、衡熱平衡：產生過程與復合過程動態(tài)平衡6.1.1平衡狀態(tài)半導體平衡狀態(tài)半導體如前所述，實際晶體中存在著如前所述，實際晶體中存在著雜質雜質和和缺陷缺陷，而且晶格，而且晶格原子也在不停地進行原子也在不停地進行熱振動熱振動，這樣，對晶體中運動著的電，這樣，對晶體中運動著的電子產生了子產生了散射散射作用，這種散射的頻率非常頻繁，大約每秒作用，這種散射的頻率非常頻繁，大約每秒發(fā)生發(fā)生1012 1013 次。次。頻繁的散射，使得電子在晶體能帶的各個電子態(tài)之間頻繁的散射，使得電子在晶體能帶的各個電子態(tài)之間不停地躍遷。但是大量的電子在宏觀上卻表現(xiàn)出了一定的不停地躍遷。但是大量的電子在宏觀上卻表現(xiàn)出了一定的規(guī)律性

4、，規(guī)律性，費米一狄拉克費米一狄拉克分布描述了這種規(guī)律性。分布描述了這種規(guī)律性。半導體物理學半導體物理學4電子電子-空穴對的帶間產生與復合空穴對的帶間產生與復合導帶和價帶之間的躍遷如下：導帶和價帶之間的躍遷如下： 一方面，不斷地有價電子一方面，不斷地有價電子躍遷躍遷到導到導帶，形成導帶電子，同時形成價帶帶，形成導帶電子，同時形成價帶空穴；空穴； 稱為電子一空穴對的稱為電子一空穴對的產生產生 另一方面，也不斷地有導帶電子另一方面，也不斷地有導帶電子落落回回到價帶的空位上，使得導帶中電到價帶的空位上，使得導帶中電子數(shù)減少一個，價帶中空穴數(shù)減少子數(shù)減少一個，價帶中空穴數(shù)減少一個；一個； 稱為電子一空穴

5、對的稱為電子一空穴對的復合復合半導體物理學半導體物理學5在一定溫度下，處于熱平衡在一定溫度下，處于熱平衡狀態(tài)下的半導體，電子狀態(tài)下的半導體，電子-空空穴對的產生和復合保持一種穴對的產生和復合保持一種動態(tài)平衡動態(tài)平衡，使得導帶中電子，使得導帶中電子數(shù)目、價帶空穴數(shù)目保持不數(shù)目、價帶空穴數(shù)目保持不變。變。這里，無論是導帶電子還是這里，無論是導帶電子還是價帶空穴，都是借助于價帶空穴，都是借助于熱激熱激發(fā)發(fā)產生的，就是說雜質電離產生的，就是說雜質電離或本征激發(fā)所需的能量都是或本征激發(fā)所需的能量都是來自熱運動的能量，這種載來自熱運動的能量，這種載流子我們稱為流子我們稱為平衡載流子平衡載流子，用用n n0

6、 0、p p0 0表示。表示。熱平衡狀態(tài)的特征：熱平衡狀態(tài)的特征：200in pn半導體物理學半導體物理學66.1.2 非平衡載流子非平衡載流子 然而，除去熱激發(fā)以外，我們尚可借助于其它方法產然而，除去熱激發(fā)以外，我們尚可借助于其它方法產生載流子，生載流子，從而使得電子和空穴濃度偏離熱平衡時的從而使得電子和空穴濃度偏離熱平衡時的載流子濃度載流子濃度n0、p0，我們稱此時的載流子為我們稱此時的載流子為非平衡載非平衡載流子流子，用，用n和和p表示，表示，多于平衡值的那部分載流子稱為多于平衡值的那部分載流子稱為過剩載流子過剩載流子n和和p0nnn0ppp產生非平衡載流子的方法可以是電注入產生非平衡載

7、流子的方法可以是電注入（如（如PN PN 結）、光注入（如光探測器）等。結）、光注入（如光探測器）等。Excess electrons and excess holes200inpnnp半導體物理學半導體物理學7基本方程基本方程G：電子一空穴對的產生率，單位：電子一空穴對的產生率，單位時間時間，單位，單位體積體積內激發(fā)產生的導帶電子和價帶空穴內激發(fā)產生的導帶電子和價帶空穴數(shù)數(shù)。R：電子一空穴對的復合率，單位：電子一空穴對的復合率，單位時間時間，單位，單位體積體積內復合消失的導帶電子和價帶空穴內復合消失的導帶電子和價帶空穴數(shù)數(shù)。在一塊載流子均勻分布的半導體中，載流子在一塊載流子均勻分布的半導體中

8、，載流子數(shù)目隨時間的變化率為：數(shù)目隨時間的變化率為：dnGRdtdpGRdt半導體物理學半導體物理學8產生率：與導帶中的產生率：與導帶中的空狀態(tài)空狀態(tài)密度密度以及價帶中相應的以及價帶中相應的占據狀態(tài)占據狀態(tài)密度密度有關；有關；復合率：與導帶中的復合率：與導帶中的占據狀態(tài)占據狀態(tài)密密度（電子）以及價帶中的度（電子）以及價帶中的空狀態(tài)空狀態(tài)密度（空穴）有關；密度（空穴）有關；aaE0顯然，復合率和電子以及空穴的濃度有關顯然，復合率和電子以及空穴的濃度有關對于產生率來講，由于導帶中幾乎全部是對于產生率來講，由于導帶中幾乎全部是空狀態(tài)；對于本征材料（空狀態(tài)；對于本征材料（Si），），ni/Nv0.00

9、00000005；相應的價帶，則；相應的價帶，則幾乎是全滿的，因而小的電子和空穴濃度幾乎是全滿的，因而小的電子和空穴濃度幾乎不影響和產生率有關的占據幾率。幾乎不影響和產生率有關的占據幾率。半導體物理學半導體物理學9以光注入非平衡載流子為例以光注入非平衡載流子為例光照光照 hvEghvEgEghvnpEcEv一塊載流子均勻分布的半導體：一塊載流子均勻分布的半導體：在在t t 0 t t1 1時，經歷一段時，經歷一段時間時間后，樣品重新回到熱平衡態(tài)。后，樣品重新回到熱平衡態(tài)。半導體物理學半導體物理學10qt0時，由于由于時，由于由于G R，故載流子濃度提高，故載流子濃度提高n、p ，由此，由此將引

10、起復合率將引起復合率R 的上升。的上升。凈復合率凈復合率0RRR顯然，凈復合率是由于過剩載流子的存在而導致的，顯然，凈復合率是由于過剩載流子的存在而導致的，因而其值與過剩載流子濃度因而其值與過剩載流子濃度nn、pp有關。隨著過有關。隨著過剩載流子濃度的增加，凈復合率也在增加并最終與剩載流子濃度的增加，凈復合率也在增加并最終與附加產生率相等而達到穩(wěn)態(tài)。（為什么？）附加產生率相等而達到穩(wěn)態(tài)。（為什么？） 00dnGRGGRRGR tdt過剩載流子濃度增加直至復合率過剩載流子濃度增加直至復合率R重新等于產生率重新等于產生率G半導體物理學半導體物理學12qt=t1時，光照撤除，附加產生率時，光照撤除，

11、附加產生率G消失，此時消失，此時，qt tt1t1時，時，由于由于G t1tt1時，時，00rrRnpnnpp由于電子和空穴是成對產生的，因而過剩多數(shù)載流子和少數(shù)由于電子和空穴是成對產生的，因而過剩多數(shù)載流子和少數(shù)載流子的濃度相同，即：載流子的濃度相同，即：np復合系數(shù)復合系數(shù)半導體物理學半導體物理學14方程：方程： 20ridnGRGRann t p tdt可簡化為：可簡化為： 20000rirdn tdnnnn tpp tdtdtn tnpn t 注意注意n(t)n(t)既表示過剩多數(shù)載流子也表示過剩少數(shù)載流子既表示過剩多數(shù)載流子也表示過剩少數(shù)載流子002pnninntn0)(半導體物理學

12、半導體物理學15在小注入時是一個常數(shù)在小注入時是一個常數(shù)在某種注入下，在某種注入下，產生的過剩載流子的數(shù)量顯著低于熱平衡時的產生的過剩載流子的數(shù)量顯著低于熱平衡時的多子濃度，此時稱小注入多子濃度，此時稱小注入。在小注入下，半導體的導電性仍然由自身的摻雜條件所決定。在小注入下，半導體的導電性仍然由自身的摻雜條件所決定。小注入條件：小注入條件：在小注入條件下，公式可簡化為（以在小注入條件下，公式可簡化為（以p p型半導體為例）：型半導體為例）： 0rdn tpn tdt 00/00rnp ttn tnene100nrp過剩過剩少數(shù)少數(shù)載流子的壽命載流子的壽命半導體物理學半導體物理學16討論：討論：

13、過剩載流子由外界的附加激發(fā)產生，而且對其有一響應過剩載流子由外界的附加激發(fā)產生，而且對其有一響應過程過程; ;（過剩少數(shù)載流子壽命）的意義（過剩少數(shù)載流子壽命）的意義: :載載流流子子濃濃度度p+n(0)p+n(0)t=0t=0n+n(0)n+n(0)n()= n()= 1/e1/e* *n(0)n(0)d dn n(t) (t) 表示在衰減過程表示在衰減過程中從中從dt dt 時間內復合掉的過時間內復合掉的過剩電子數(shù)目，也就是說當外剩電子數(shù)目，也就是說當外界激發(fā)在界激發(fā)在t=0t=0時刻去除后，時刻去除后，(n n) ) 個過剩載流子并不是個過剩載流子并不是瞬間即消失的，其中瞬間即消失的，其

14、中d dn n() () 個載流子是個載流子是“生存生存”了了這么長時間后這么長時間后才消失的才消失的半導體物理學半導體物理學17過剩少數(shù)載流子的復合率過剩少數(shù)載流子的復合率 00nrndn tn tRpn tdt由于電子和空穴為成對復合，因而由于電子和空穴為成對復合，因而 0npnn tRR對于對于n n型半導體的小注入條件型半導體的小注入條件過剩少數(shù)載流子空穴的壽命為過剩少數(shù)載流子空穴的壽命為100prn 0nppn tRR注意過剩少數(shù)載注意過剩少數(shù)載流子壽命和多數(shù)流子壽命和多數(shù)載流子濃度有關載流子濃度有關半導體物理學半導體物理學18Generation and recombination

15、 mechanismsBand-to-band G&R, b) Auger generation and recombination, involving a third carrierc) Trap-assisted generation and recombinationd) Other generation mechanismsNotes: recombination from 3 paths : direct recombinationindirect recombination (including bulk recombination and surface recombi

16、nation)Auger recombination半導體物理學半導體物理學19 thermal G&R: very unlikely in Si, need too many phonons simultaneously(about 20) optical G&R: unlikely in Si, ”indirect” bandgap material, need a phonon to conserve momentuma) Band-to-band G&R, by means of: phonons (thermal G&R) photons (optic

17、al G&R)半導體物理學半導體物理學20b) Auger generation and recombination, involving a third carrier產生：導帶產生：導帶電子電子2 2與價與價帶電子帶電子1 1碰碰撞產生電子撞產生電子空穴對；空穴對；或者：價帶或者：價帶中一個電子中一個電子躍遷至導帶躍遷至導帶產生電子產生電子空穴對的同空穴對的同時，導帶中時，導帶中高能級上的高能級上的一個電子躍一個電子躍遷回導帶底遷回導帶底復合：電子復合：電子空穴復合時，空穴復合時，把多于的能量把多于的能量傳遞給另一個傳遞給另一個電子，使得這電子，使得這個電子被激發(fā)個電子被激發(fā)到更到

18、能級上到更到能級上去，當它重新去，當它重新躍遷回低能級躍遷回低能級時，多與的能時，多與的能量常常以聲子量常常以聲子形式放出：形式放出：非非輻射復合輻射復合半導體物理學半導體物理學21 Auger generation: energy provided by ”hot” carrier Auger recombination: energy given to third carrier; needs lots of carriers; important only in heavily-doped semiconductors半導體物理學半導體物理學22c) Trap-assisted gene

19、ration and recombination, relying on electronic states in middle of gap (”deep levels” or ”traps”) that arise from: crystalline defects impurities半導體物理學半導體物理學23d) Trap-assisted G/R is: dominant in Si engineerable: can introduce deep levels to Si to enhance it半導體物理學半導體物理學24d) Other generation mechani

20、sms Impact ionization: Auger generation event triggered by electric-field-heated carrier Zener tunneling or field ionization: direct tunneling of electron from VB to CB in presence of strong electric field半導體物理學半導體物理學25 Energetic particles Energetic electrons incident from outside: electron microsco

21、pe characterization techniques半導體物理學半導體物理學26影響載流子壽命的產生與復合機制影響載流子壽命的產生與復合機制直接帶隙材料主要的復合機制直接帶隙材料主要的復合機制（GaAsGaAs）輻射復合輻射復合運動著的電子和空穴相遇，電子由導帶某一狀態(tài)，躍遷運動著的電子和空穴相遇，電子由導帶某一狀態(tài)，躍遷到價帶空穴所占據的一個狀態(tài)，同時以一定形式（光于到價帶空穴所占據的一個狀態(tài)，同時以一定形式（光于或聲子）釋放能量?；蚵曌樱┽尫拍芰俊０雽w物理學半導體物理學27m通過產生復合中心的間接產生與復合過程：通過產生復合中心的間接產生與復合過程：間接帶隙材料主要的復合機制間接帶隙材料主要的復合機制非輻射復合非輻射復合載流子運動，經過某一缺陷或雜質中心時，被其俘獲，載流子運動，經過某一缺陷或雜質中心時，被其俘獲，然后這一中心再俘獲另一相反類型的載流子，完成復合。然后這一中心再俘獲另一相反類型的載流子，完成復合。半導體物理學半導體物理學28帶間俄歇產生帶間