第五章非平衡載流子詳解演示文稿

第五章非平衡載流子詳解演示文稿當前1頁，總共129頁。優(yōu)選第五章非平衡載流子當前2頁，總共129頁。2．電注入3．非平衡載流子濃度的表示法產(chǎn)生的非子一般都用n，p來表示。達到動態(tài)平衡后：n=n0+n

p=p0+pn0，p0為熱平衡時電子濃度和空穴濃度，

n，p為非子濃度。

當前3頁，總共129頁。對同塊材料：n=p

熱平衡時n0·p0=ni2，非平衡時n·p＞ni2

n型：

n—非平衡多子p—非平衡少子p型：p—非平衡多子n—非平衡少子當前4頁，總共129頁。注意：

n，p—非平衡載流子的濃度n0，p0—熱平衡載流子濃度n，p—非平衡時導帶電子濃度和價帶空穴濃度當前5頁，總共129頁。4．大注入、小注入●注入的非平衡載流子濃度大于平衡時的多子濃度，稱為大注入。n型：n>n0，p型：p>p0

●注入的非平衡載流子濃度大于平衡時的少子濃度，小于平衡時的多子濃度，稱為小注入。n型：p0<n<n0，或p型：n0<p<p0

當前6頁，總共129頁。例：1cm的n型硅中，n05.51015cm-3,p03.1104cm-3.注入非子n=p=1010cm-3

則n<<n0，小注入但p>>p0。非平衡少子濃度>>平衡少子濃度即使小注入，實際上，非平衡少子起重要作用。當前7頁，總共129頁。二、非平衡時的附加電導

熱平衡時：非平衡時：當前8頁，總共129頁。——附加電導率

n型：多子：少子：

當前9頁，總共129頁。光注入引起附加光電導光照R半導體三、非平衡載流子的檢測與壽命1．非平衡載流子的檢測設(shè)外接電阻R>>r(樣品的電阻)外當前10頁，總共129頁。

無光照時：有光照后：小注入當前11頁，總共129頁。當前12頁，總共129頁。2．非平衡載流子隨時間的變化規(guī)律

(1)隨光照時間的變化

t=0，無光照，Vr=0△Vrt0t>0，加光照↑有凈產(chǎn)生當前13頁，總共129頁。(2)取消光照在t=0時，取消光照，復合>產(chǎn)生?！鱒rt0非平衡載流子在半導體中的生存時間稱為非子壽命。

↓有凈復合當前14頁，總共129頁。3．非子的平均壽命

假設(shè)t=0時，停止光照

t=t時，非子濃度為p(t)

t=t+t時，非子濃度為p(t+t)

在t時間間隔中，非子的減少量：p(t)—p(t+t)

單位時間、單位體積中非子的減少為：當前15頁，總共129頁。當t0時，t時刻單位時間單位體積被復合掉的非子數(shù)，為：假設(shè)復合幾率為當前16頁，總共129頁。

C為積分常數(shù)t=0時，當前17頁，總共129頁。0τt當前18頁，總共129頁。非子的平均壽命：

t=時，非子濃度減到：

τ為非平衡載流子的壽命當前19頁，總共129頁?！?.2準費米能級和非平衡載流子濃度

一、非平衡態(tài)時的準費米能級

當前20頁，總共129頁。熱平衡狀態(tài)的標志－－統(tǒng)一的費米能級來描述電子和空穴濃度非平衡狀態(tài)－－導帶準費米能級價帶準費米能級二、非平衡態(tài)時的載流子濃度1．表達式當前21頁，總共129頁。熱平衡態(tài)時：

非平衡時：

當前22頁，總共129頁。2．準費米能級的位置

當前23頁，總共129頁。N型材料：

略高于EF,遠低于EF

P型材料：

略低于EF,遠高于EF

n略大于n0p遠大于p0p略大于p0n遠大于n0當前24頁，總共129頁。N型EcEvEFEFnEFpP型EcEvEFEFpEFn當前25頁，總共129頁。3．非平衡態(tài)的濃度積與平衡態(tài)時的濃度積當前26頁，總共129頁。EFn和EFp偏離的大小反映np

和ni2相差的程度，即半導體偏離熱平衡態(tài)的程度當前27頁，總共129頁。§5.3非平衡載流子的復合

產(chǎn)生非子的外部作用撤除后，由于半導體的內(nèi)部作用，使它由非平衡態(tài)恢復到平衡態(tài)，非子逐漸消失，這一過程叫。當前28頁，總共129頁。一、復合類型

按復合機構(gòu)分直接復合：?°EcEv間接復合：EcEv?°Et當前29頁，總共129頁。按復合發(fā)生的位置分表面復合

體內(nèi)復合

按放出能量的形式分

發(fā)射光子

俄歇復合

發(fā)射聲子

→輻射復合

→無輻射復合

能量給予其它載流子

當前30頁，總共129頁。二、非子的直接復合

1．復合率和產(chǎn)生率(1)復合率：單位時間、單位體積中被復合的載流子對（電子、空穴對），量綱為：對(個)/s·cm3

用R表示

Rnp

R=rnp

r：比例系數(shù)，它表示單位時間一個電子與一個空穴相遇的幾率，稱為電子-空穴復合概率

當前31頁，總共129頁。當n=n0，p=p0時，rn0p0=熱平衡態(tài)時單位時間、單位體積被復合掉的電子、空穴對數(shù)對直接復合，用Rd表示復合率Rd=rdnp—非平衡

Rd=rdn0p0—熱平衡

rd為直接復合的復合概率

當前32頁，總共129頁。Q在所有非簡并情況下，基本相同，與溫度有關(guān)，與n,p

無關(guān)當前33頁，總共129頁。非平衡態(tài)下的產(chǎn)生率當前34頁，總共129頁。當前35頁，總共129頁。當前36頁，總共129頁。當前37頁，總共129頁。EcEvEt?(一)(二)當前38頁，總共129頁。電子由Ec→Et??(甲)(乙)(丙)(丁)當前39頁，總共129頁。當前40頁，總共129頁。導帶的電子濃度→n復合中心上的空態(tài)→Nt-nt(甲)當前41頁，總共129頁。復合中心上的電子濃度→

nt導帶中的空態(tài)s－為比例系數(shù),稱為電子激發(fā)概率當前42頁，總共129頁。熱平衡時，電子的產(chǎn)生率＝電子的復合率當前43頁，總共129頁。(乙)當前44頁，總共129頁?！鷾\能級雜質(zhì)→深能級雜質(zhì)（復合中心）當前45頁，總共129頁。對復合中心：當前46頁，總共129頁。(丙)(丁)當前47頁，總共129頁。當前48頁，總共129頁。2．復合穩(wěn)態(tài)時復合中心的電子濃度

在穩(wěn)定時，甲、乙、丙、丁四個過程必須保持復合中心的電子數(shù)不變

甲+丁=乙+丙??(甲)(乙)(丙)(丁)當前49頁，總共129頁。甲丁丙乙當前50頁，總共129頁。3．間接復合的復合率ui和壽命i

當復合達到穩(wěn)態(tài)時un=up

甲乙un電子的凈復合率電子凈俘獲率空穴凈俘獲率當前51頁，總共129頁。當前52頁，總共129頁。

熱平衡時

上式為通過復合中心復合的普遍理論公式當前53頁，總共129頁。非平衡態(tài)時

當nt很小時，近似地認為

當前54頁，總共129頁。當前55頁，總共129頁。(1)小注入的N型材料為深能級，接近Ei

當前56頁，總共129頁。EcEvEFEt同樣n0>>p1當前57頁，總共129頁。N型材料的非子的間接復合壽命決定于空穴的壽命N型材料中,對壽命起決定作用的是復合中心對少子空穴的俘獲系數(shù)rp當前58頁，總共129頁。(2)小注入的p型材料EcEvEFEt非子的壽命決定于電子的壽命

小注入時非子的壽命決定于少子的壽命。當前59頁，總共129頁。(3)大注入當前60頁，總共129頁。4．有效復合中心當前61頁，總共129頁。若：電子俘獲系數(shù)空穴俘獲系數(shù)當前62頁，總共129頁。當前63頁，總共129頁。當時，最小,復合率ui

極大位于禁帶中央的深能級是最有效的復合中心當前64頁，總共129頁?！袢绻鸈tEc，那么由Ec—Et決定的n1大，

n1決定發(fā)射電子的產(chǎn)生率Qn=rnntn1大，電子容易從Et能級上發(fā)射出去，進入導帶，un=Rn—Qn，

●如果EtEV，那么p1，Et能級向價帶發(fā)射的空穴數(shù)，Et上凈俘獲的空穴幾率up。淺能級不能起有效的復合中心的作用當前65頁，總共129頁。四、表面復合

—-半導體表面發(fā)生的復合過程1．表面復合率us

us：單位時間流過單位表面積的非平衡載流子，單位：個/s·cm2

：為樣品表面處單位體積的非子數(shù)(表面處的非子濃度1/cm3)少子的壽命受半導體的形狀和表面狀態(tài)的影響當前66頁，總共129頁。個/s

cm2個/cm3cm/sS比例系數(shù)，表征表面復合的強弱，具有速度的量綱，稱為表面復合速度。當前67頁，總共129頁。2．影響表面復合的因素及壽命表示式(1)表面粗糙度(2)表面積與總體積的比例(3)與表面的清潔度、化學氣氛有關(guān)

在考慮表面復合后，總的復合幾率為：當前68頁，總共129頁。五、俄歇復合－－非輻射復合

載流子從高能級向低能級躍遷，發(fā)生電子－－空穴復合時，將多余的能量傳給另一載流子，使此載流子被激發(fā)到能量更高的能級上去，當它重新躍遷回低能級時，多余的能量以聲子形式放出。當前69頁，總共129頁。n型p型俄歇復合雜質(zhì)帶當前70頁，總共129頁?！?.4陷阱效應

陷阱效應：雜質(zhì)能級積累非平衡載流子的作用。所有雜質(zhì)能級都有一定的陷阱作用。陷阱：有顯著陷阱效應的雜質(zhì)能級。陷阱中心：相應的雜質(zhì)和缺陷稱為陷阱中心。當前71頁，總共129頁。對于的雜質(zhì)，電子的俘獲能力遠大于俘獲空穴的能力，稱為電子陷阱?！瘛駥τ?/p>

的雜質(zhì)，

俘獲空穴的能力遠大于俘獲電子的能力，稱為空穴陷阱。一、陷阱效應的類型當前72頁，總共129頁。二、陷阱效應的分析1．陷阱效應中的載流子濃度陷阱上的電子濃度nt復合中心理論可用來分析有關(guān)陷阱效應的問題當前73頁，總共129頁。為陷阱上的非子濃度為俘獲電子，電子陷阱為俘獲空穴，

空穴陷阱

nt0

穩(wěn)定時陷阱上的電子濃度當前74頁，總共129頁。當前75頁，總共129頁。2．陷阱上的電子對電導的間接貢獻

沒有陷阱時：

有電子陷阱后：

當前76頁，總共129頁。當前77頁，總共129頁。三、有效陷阱效應假設(shè)電子陷阱，rn>>rp

當前78頁，總共129頁。當：俘獲的電子最多當前79頁，總共129頁。最大時，電子陷阱最有效當前80頁，總共129頁。●當Et>EF時，Ec－Et小，n1大，電子從Et激發(fā)到Ec的幾率大；

●當Et<EF時，在熱平衡態(tài)時，Nt中大部分已被電子占有，空穴很少，nt小，不起陷阱作用對電子陷阱，EF

以上的能級，越接近EF,

陷阱效應越顯著。

EF

以下的能級，不起陷阱作用。當前81頁，總共129頁。電子陷阱是存在于P型材料中空穴陷阱是存在于N型材料中實際上遇到的常是少數(shù)載流子的陷阱效應電子落入陷阱后，基本不直接與空穴復合，它們必須首先被激發(fā)至導帶，再通過復合中心而復合陷阱增長了從非平衡態(tài)恢復到平衡態(tài)的時間當前82頁，總共129頁。四、飽和陷阱

以電子陷阱為例：達到平衡時：電子俘獲率=電子產(chǎn)生率當前83頁，總共129頁。要達到飽和：當前84頁，總共129頁。

●n很大，可以忽略n1

∵n=n0+n，n很大，說明n很大，大注入

●n1很小，說明陷阱中心的位置遠離導帶

深陷阱和淺陷阱EcEvEt1Et2當前85頁，總共129頁。t△p(△p)o/eττ’↓淺陷阱↓深陷阱陷阱的存在影響對壽命的測量電子落入陷阱后，基本不直接與空穴復合，它們必須首先被激發(fā)至導帶，再通過復合中心而復合當前86頁，總共129頁?！?.5非平衡態(tài)下載流子的運動

對非平衡載流子有兩種定向運動：●電場作用下的漂移運動；●濃度差引起的擴散運動。當前87頁，總共129頁。一、非平衡載流子的擴散運動和擴散電流1．非子的擴散運動和一維穩(wěn)態(tài)時的擴散方程

均勻摻雜的N型半導體

非子從一端沿整個表面均勻產(chǎn)生，且只在x方向形成濃度梯度，非子是沿x方向運動。當前88頁，總共129頁。光照x非平衡載流子的擴散AB0xx+Δx在x=x處，取截面A，x=x+x處取截面B，兩截面垂直于x軸，并且都為單位面積1cm2

當前89頁，總共129頁。擴散流密度Sp(x)：單位時間通過擴散的方式流過垂直的單位截面積的載流子非子濃度梯度當前90頁，總共129頁。Dp為擴散系數(shù)，量綱為cm2/s

在x+x處，擴散流密度為Sp(x+x)

在1秒鐘內(nèi)，在1x體積內(nèi)的非子數(shù)為：

Sp(x)-Sp(x+x)單位時間、單位體積中積累的非子數(shù)為：當前91頁，總共129頁。單位時間單位體積被復合掉的非子為：當前92頁，總共129頁。在穩(wěn)態(tài)時，積累的載流子應等于復合掉的載流子平均擴散長度當前93頁，總共129頁。2．典型樣品的分析(1)厚樣品W>>Lp

W＞＞Lpxhν邊擴散邊復合當前94頁，總共129頁。x△p0Lp當前95頁，總共129頁。↑↑↑表面處的空穴擴散流密度向內(nèi)擴散的空穴流的大小如同表面的空穴以Dp/Lp的速度向內(nèi)運動一樣。當前96頁，總共129頁。w注入抽出無復合，另一端將非子全部引出當前97頁，總共129頁。當前98頁，總共129頁。x△p0w常數(shù)非平衡載流子在樣品中沒有復合當前99頁，總共129頁。3．非平衡載流子的擴散電流密度

空穴擴散電流密度電子擴散電流密度當前100頁，總共129頁。(Jp)擴→(Jn)擴←二、載流子的擴散和漂移運動N型材料,

在x方向方向加光照、電場

(Jp)漂→(Jn)漂→x,E當前101頁，總共129頁。1．少子空穴電流

非平衡少子擴散電流：+x方向非平衡空穴和平衡空穴形成的漂移電流：+x方向少子電流密度：當前102頁，總共129頁。2．多子電流密度

非平衡多子形成的擴散電流：

-x方向

平衡多子與非平衡多子的漂移電流：+x方向當前103頁，總共129頁。多子電流密度：

3．總的電流密度

J=Jp+Jn當前104頁，總共129頁。三、愛因斯坦關(guān)系非簡并情況下載流子遷移率和擴散系數(shù)關(guān)系遷移率：反映載流子在電場作用下運動的難易程度擴散系數(shù)：反映存在濃度梯度時載流子運動的難易程度當前105頁，總共129頁。

考慮一塊處于熱平衡狀態(tài)的非均勻的N型半導體，其中施主雜質(zhì)濃度隨x增加而下降，電子濃度為no(x)當前106頁，總共129頁。電子擴散電流密度：漂移電流：平衡時電子的總電流等于0Jn=(Jn)漂+(Jn)擴=0當前107頁，總共129頁。導帶底的能量應為Ec－qV(x)，－qV(x)：附加的靜電勢能當前108頁，總共129頁。當前109頁，總共129頁。對于空穴：室溫時：KT=0.026eVSi中：n=1350cm2/vs

當前110頁，總共129頁。總電流密度：當前111頁，總共129頁。1．少子電流連續(xù)性方程的一般形式影響因素主要有：●由于電流的流通（載流子的擴散和漂移運動），從而使體內(nèi)的載流子。

●由于載流子復合使非子濃度。

●由于內(nèi)部有其它產(chǎn)生，使載流子。

四、電流連續(xù)性方程當前112頁，總共129頁。以N型半導體為例(1)少子流通xxx+△x取一小體積元dV，橫截面為單位面積假設(shè)流進dV的少子多，每秒鐘凈留在dV中的空穴數(shù)為：Sp(x)→→Sp(x+△x)當前113頁，總共129頁。在單位時間中凈留在單位體積中的空穴數(shù)為：當前114頁，總共129頁。當前115頁，總共129頁。(2)其它