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文檔簡(jiǎn)介
第四章非平衡載流子§1非平衡載流子的注入與復(fù)合
§2非平衡載流子的壽命
§3準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)
§4復(fù)合理論
§6載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)§7載流子的漂移運(yùn)動(dòng)愛(ài)因斯坦關(guān)系式
§8連續(xù)性方程2023/2/61熱平衡狀態(tài)下的載流子稱(chēng)為平衡載流子非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體處于熱平衡狀態(tài)的判據(jù)式(只受溫度T影響)§1非平衡載流子的注入與復(fù)合由于受外界因素如光、電的作用,半導(dǎo)體中載流子的分布偏離了平衡態(tài)分布,稱(chēng)這些偏離平衡分布的載流子為過(guò)剩載流子,也稱(chēng)為非平衡載流子①引入非平衡載流子(過(guò)剩載流子)的過(guò)程---非平衡載流子的注入(injection)最常用的注入方式:光注入,電注入.非平衡載流子的光注入平衡時(shí)過(guò)剩載流子電中性:平衡載流子滿足費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)分布過(guò)剩載流子不滿足費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)分布且公式不成立小注入條件:注入的非平衡載流子濃度比平衡時(shí)的多數(shù)載流子濃度小的多N型材料P型材料例:室溫下一受到微擾的摻雜硅,判斷其是否滿足小注入條件?解:滿足小注入條件!()注:(1)即使在小注入的情況下,非平衡少數(shù)載流子濃度還是可以比平衡少數(shù)載流子濃度大的多(2)非平衡少數(shù)載流子起重要作用,非平衡載流子都指非平衡少數(shù)載流子②非平衡載流子的復(fù)合:當(dāng)外界因素撤除,非平衡載流子逐漸消失,(電子-空穴復(fù)合),體系由非平衡態(tài)回到平衡態(tài).熱平衡是動(dòng)態(tài)平衡.當(dāng)存在外界因素,產(chǎn)生非平衡載流子,熱平衡被破壞.穩(wěn)態(tài)—當(dāng)外界因素保持恒定,非平衡載流子的數(shù)目宏觀上保持不變.
2023/2/672023/2/68假定光照產(chǎn)生和,如果光突然關(guān)閉,和將隨時(shí)間逐漸衰減直至0,衰減的時(shí)間常數(shù),即非平衡子的平均存在時(shí)間稱(chēng)為壽命
,也常稱(chēng)為少數(shù)載流子壽命
在單位時(shí)間內(nèi)一個(gè)非平衡載流子發(fā)生復(fù)合的次數(shù),即非平衡載流子的復(fù)合概率單位時(shí)間內(nèi)復(fù)合掉的非平衡子濃度,即非平衡載流子的復(fù)合率§2非平衡載流子的壽命當(dāng)時(shí),,故壽命標(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;壽命越短,衰減越快n型材料中的空穴(1)熱平衡電子系統(tǒng)的費(fèi)米能級(jí)熱平衡電子系統(tǒng)有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí);統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)是熱平衡狀態(tài)的標(biāo)志2023/2/611§3準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)(2)準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)的引入①準(zhǔn)平衡態(tài):非平衡態(tài)體系中,通過(guò)載流子與晶格的相互作用,導(dǎo)帶電子子系和價(jià)帶空穴子系分別很快與晶格達(dá)到平衡.
可以認(rèn)為:一個(gè)能帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)熱平衡.
②導(dǎo)帶和價(jià)帶之間并不平衡(電子和空穴的數(shù)值均偏離平衡值),它們各自處于平衡態(tài),因此存在導(dǎo)帶費(fèi)米能級(jí)和價(jià)帶費(fèi)米能級(jí),稱(chēng)其為“準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)”2023/2/612準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)
注:非平衡載流子越多,準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)偏離就越遠(yuǎn)。在非平衡態(tài)時(shí),一般情況下,少數(shù)載流子的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)偏離費(fèi)米能級(jí)較大準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)
注:兩種載流子的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)偏離的情況反映了半導(dǎo)體偏離熱平衡狀態(tài)的程度2023/2/615物理過(guò)程2023/2/616物理過(guò)程(1)
復(fù)合機(jī)制
(2)
直接復(fù)合
(3)
間接復(fù)合
(4)表面復(fù)合
(5)Auger復(fù)合
(6)半導(dǎo)體類(lèi)型
2023/2/617§4復(fù)合理論復(fù)合過(guò)程:
直接復(fù)合—導(dǎo)帶電子直接躍遷到價(jià)帶
間接復(fù)合--導(dǎo)帶電子躍遷到價(jià)帶之前,要經(jīng)歷某一(或某些)中間狀態(tài).?這些中間狀態(tài)是禁帶中的一些能級(jí)—復(fù)合中心.復(fù)合中心可以位于體內(nèi),也可以與表面有關(guān).2023/2/618(1)
復(fù)合機(jī)制2023/2/619圖5-5三種釋放能量的方式:
發(fā)射光子(以光子的形式釋放能量)—輻射復(fù)合(光躍遷)
發(fā)射聲子(將多余的能量傳給晶格)—無(wú)輻射復(fù)合(熱躍遷)Auger復(fù)合(將多余的能量給予第三者)--無(wú)輻射復(fù)合(三粒子過(guò)程)2023/2/620直接復(fù)合間接復(fù)合Auger復(fù)合(禁帶寬度小的半導(dǎo)體材料)(窄禁帶半導(dǎo)體及高溫情況下)(具有深能級(jí)雜質(zhì)的半導(dǎo)體材料)(2)直接復(fù)合(直接輻射復(fù)合)①?gòu)?fù)合率(單位時(shí)間,單位體積內(nèi)復(fù)合掉的電子-空穴對(duì)數(shù)):
-直接復(fù)合系數(shù)單位:R-
1/(cm3·
S),γ-(cm3/S)?對(duì)非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體,
?這里的”復(fù)合”,不是凈復(fù)合.2023/2/6222023/2/623②產(chǎn)生率(單位時(shí)間,單位體積內(nèi)產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)數(shù)):,溫度不變時(shí),應(yīng)該是一個(gè)常數(shù)
熱平衡時(shí),應(yīng)有
③凈復(fù)合率:
2023/2/624④壽命:
?小注入條件下:2023/2/625(3)間接復(fù)合間接復(fù)合
—非平衡子通過(guò)復(fù)合中心的復(fù)合①
四個(gè)基本躍遷過(guò)程:
A.電子俘獲
B.電子產(chǎn)生
C.空穴俘獲
D.空穴產(chǎn)生2023/2/6262023/2/627NtA.電子俘獲率①B.電子產(chǎn)生率
②C.空穴俘獲率③D.空穴產(chǎn)生率④電子俘獲系數(shù),
電子激發(fā)幾率
空穴俘獲系數(shù),
空穴激發(fā)幾率單位:產(chǎn)生率,俘獲率(1/cm3?s)
俘獲系數(shù)(cm3/s),激發(fā)幾率(1/s)2023/2/628熱平衡時(shí):熱平衡時(shí):非簡(jiǎn)并條件下,定義:A.電子俘獲率
B.電子產(chǎn)生率
C.空穴俘獲率D.空穴產(chǎn)生率簡(jiǎn)化參數(shù):②求非平衡載流子的凈復(fù)合率穩(wěn)定情況下:nt=常數(shù)即A+D=B+C,由此方程可求出nt
非平衡載流子的凈復(fù)合率:
U=A-B=C-D.得到:2023/2/631非平衡載流子的壽命:小注入條件下:--小注入條件下,非平衡子壽命與非平衡子濃度無(wú)關(guān).2023/2/632小注入情況下,討論τ隨載流子濃度及復(fù)合中心能級(jí)Et的變化:?強(qiáng)n型(EC-EF)<(Et-EV)
起決定作用的是:復(fù)合中心對(duì)少子空穴的俘獲系數(shù)2023/2/6332023/2/634?弱n型(EC-EF)>(Et-EV)(高阻型)
?強(qiáng)p型(EF-EV)<(Et-EV)
?弱p型(EF-EV)>(Et-EV)(高阻型)2023/2/635對(duì)間接復(fù)合討論的主要結(jié)果:a.τ∝1/Ntb.有效復(fù)合中心—深能級(jí)雜質(zhì)
c.一般情況下(強(qiáng)n型材料,強(qiáng)p型材料),壽命與多子濃度無(wú)關(guān),限制復(fù)合速率的是少子的俘獲
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