必威体育精装版半导体物理学第章.ppt

Prof.LEI 半导体物理学 雷天民 西Ⅱ-206 leitianmin@163.com 第三章 非热平衡状态下的半导体 半导体的非热平衡状态 复合理论 额外载流子的运动 电流连续性方程及其应用 半导体的光吸收 半导体的光电导和光致发光 复合理论 四、通过单一复合中心的间接复合寿命 当半导体中注入了额外载流子后，额外载流子寿命为 1、小注入状态 对有效复合中心p1≈n1n0，可以忽略，即 对于不是特别有效的复合中心（能级位于费米能级附近而远离禁带中线），n1?n0，因而不能忽略，少子寿命 复合理论 对于p 型材料，类似有 上式说明：有效复合中心总是基本上被多数载流子填满，少数载流子的小注入寿命决定于它们对少数载流子的俘获能力。 2、大注入状态 少子寿命在小注入寿命的基础上逐渐延长，成为一个与额外载流子密度有关的量。但在?pn0时趋于极限值 当rn≈rp时，其极限值是小注入寿命的2倍！（双极寿命） 复合理论 五、俘获系数与俘获截面 复合中心的俘获系数与载流子的热速度成正比，即 比例系数?具有面积的量纲，反映了复合中心俘获载流子的能力大小，称为俘获截面。 复合理论 3.2.3 表面复合 把单位时间通过单位面积表面复合掉的电子空穴对数定义为表面复合率。即 一、表面复合速度 S=??TNST具有速度量纲，称为表面复合速度. 二、考虑表面复合的有效寿命 复合理论 2.3.4 俄歇复合 在小注入情况下 对n型和p型半导体 复合理论 在大注入情况下，俄歇复合寿命与注入水平有关！ 式中，AH＝An+Ap是大注入条件下的等效俄歇复合系数。 复合理论 2.3.5 陷阱效应及其对复合的影响 杂质或缺陷能级俘获并积累额外载流子的作用称为陷阱效应。一般将有显著陷阱效应的杂质或缺陷能级称为陷阱，而将产生这些能级的杂质或缺陷称为陷阱中心。 一、陷阱条件 在状态稳定的情况下，能级ET上的电子密度为 nt作为n和p的函数，在小注入条件下的微小积累为 复合理论 若只考虑导带电子密度变化对ET累积电子的影响。由 可得 如果rp＝rn，则上式简化为 通常 即：能级ET累积的电子比导带累积的电子少，表明它是复合中心而非陷阱中心。 复合理论 二、陷阱中心的有效性 若一个能级的rnrp，则其很难俘获空穴而容易俘获并累积电子，因而是电子陷阱，相反则为空穴陷阱。 当rprn，则上式简化为 欲使dnt/dn=1 若n0≥n1，ET仍然要在密度很高时才会积累电子起陷阱作用。 复合理论 有效电子陷阱的能级ET应该远在费米能级EF之上，以使n0n1，才能使NT在取极小值n1时即有明显的陷阱作用。 对n 型半导体而言，ET在EF之上就意味着n1很高，仍不能算是有效陷阱。 但 p 型半导体而言，非常容易满足该条件！只要杂质比少数载流子多就有显著的陷阱效应。 即：少子陷阱才是有效陷阱（陷阱只对少数载流子有明显作用）。 复合理论 三、陷阱对复合过程的影响 1、延缓复合过程 图3-6 受陷阱影响的光电导衰减曲线 2、提高光电导的灵敏度 如在 n 型半导体中除复合中心外还存在空穴陷阱，则光生空穴将大部分被陷阱俘获，这在效果上等于夺取了一部分复合中心上的空穴，使电子-空穴对的复合率降低！ 材料中存在陷阱时，每有一个落入陷阱的非平衡少数载流子，同时必须有一个多数载流子与之保持电中性。这些多数载流子必将引起相应的附加电导率。 复合理论 附加电导率则为 以p型半导体为例，电中性条件为： 说明：这个增量虽然是用?nt来表示的，但并非陷阱中的电子直接参与了导电。?nt在这里只是从数量上反映价带中额外空穴的增加。 额外载流子的运动 3.3.1 额外载流子的扩散与扩散方程 一、扩散运动概念 描述粒子的扩散运动，可分别用菲克第一定律和菲克第二定律描述，其一维形式分别为 二、局部注入额外载流子的扩散 在小注入条件下，多子分布基本不变，但会形成少子的密度梯度dp/dx。这样，n型样品中就会出现空穴扩散电流， p型样品中就会出现电子扩散电流。 额外载流子的运动 由于p0?p且均匀分布，额外少子的密度梯度就是少子的密度梯度，即dp/dx=d?p/dx。 1、额外载流子的扩散流密度 2、复合对额外载流子扩散的影响 额外载流子边扩散边复合。n 型半导体中任意一点额外载流子密度随时间的变化率为 额外载流子的运动 三、一维稳态扩散方程 恒定光照下,额外载流子密度在半导体内的分布不随时间变化，积累的粒子数等