03-光电半导体(二).ppt

基礎半導體物理載子傳輸現象 電場及濃度梯度影響下之帶電載子的運動 傳輸過程包括： 載子飄移(carrier drift) 載子擴散(carrier diffusion) 產生與復合過程generation and recombination process) 熱離子發射過程(thermionic emission process) 穿隧過程(tunneling process) 衝擊游離(impact ionization) 3.1 載子飄移（drift） 電場ε=0: 平衡狀態下，自由電子(假設在n型半導體中）的移動受熱能的影響 電場作用下之電子運動 ε≠0時，電子整體朝電場反方向運動，此電場所貢獻的速度分量就稱為飄移速度。 飄移速率為何？ 電場作用下之電子運動(續） 定義 為電子的遷移率?n(mobility) 同理，對電洞而言： Mobility的討論：與?c有關 ?c 受電子碰撞影響，其機制有二： 晶格散射：溫度越高，晶格熱震動越劇烈，?L越小。 雜質散射：雜質濃度越高， ?I越小 溫度越高，電子速度越快，越不受離子場的影響。 合併二種散射機制： 考慮在dt時間內，發生散射的機率為dt/?c: 3.1.2 Resistivity 電場對能帶圖的影響 由能帶圖的斜率可知電場 飄移電流 半導體的電阻率 電阻率與摻雜濃度關係 導電率與溫度之關係 半導體試片電阻率的量測 3.1.3霍爾效應（Hall Effect） 可測得試片為n型或p型、載子濃度以及遷移率。 霍爾效應（續） 穩定狀態時，磁力與電力應達平衡。 利用霍爾電壓求主要載子濃度 利用霍爾電壓求遷移率 載子擴散 載子會由濃度高處往濃度低處移動。 考慮單位時間單位面積通過 x = 0 平面之淨電子流 擴散電流 用泰勒展開式展開n(-l)與n(l)，取前二項： 總電流密度方程式（低電場時） Einstein Relation 考慮一維情況，利用平均分配能量理論： 將此關係式代入擴散係數定義，可得： Einstein 關係式 3.3 產生與復合過程（非平衡狀態） 熱平衡狀態下，np=ni2。 非平衡狀態下， 非平衡狀態包括：照光，加偏壓等。 非平衡狀態會朝向平衡狀態進行，所以電子電洞，會藉由產生（generation）及復合（recombination）過程恢復至平衡狀態的電子電洞濃度。 產生與復合過程（續） 同時發生的兩個過程。平衡狀態下兩者的生成率相同，故np可維持等於ni2；非平衡狀態下兩者的生成率不同，故np不等於ni2 。 產生（generation）過程是產生新的電子電洞對。 復合過程是產生過程的相反，電子電洞對會同時消失。 過多載子注入時，復合率大於產生率，使恢復平衡；反之，產生率大於復合率，使恢復平衡。 過多載子注入（carrier injection） 半導體材料照光或pn接面接順向偏壓時，就會使得電子電洞濃度比平衡態時大，這些多出來的載子稱為過多載子（excess carriers） 產生與復合過程的分類 直接復合(direct recombination)：較易發生在直接能帶隙之半導體，例如砷化鎵。 間接復合(in direct recombination)：較易發生在間接能帶隙之半導體，例如矽。 表面復合(Surface recombination) 歐傑復合(Auger recombination) 3.3.1直接產生與復合-較易發生在直接能帶之半導體 直接產生：電子吸收熱能或光能，直接由價電帶躍升至導電帶，使得電子電洞對產生。 直接復合：電子直接由導電帶落至價電帶，消滅了電子電洞對。 直接能帶隙與間接能帶隙 直接產生與復合率 復合率R和電子電洞濃度成正比： 考慮穩態， 可得： 3.3.2 間接產生與復合 間接能帶隙之半導體材料電子由價電帶躍遷至導電帶的機率較小，所以主要的產生與復合過程為間接的，即需借助能帶隙中之局部性的能態（好像踏腳石），稱為產生復合中心(recombination centers)或陷阱(trap)。 局部性的能態由雜質或缺陷造成，位置約在能隙的中央。 共有四種過程。 間接產生與復合過程—Shockley-Read-Hall復合理論 電子捕捉：傳導帶中之電子被一原為中性的空陷阱捕獲 電子發射：電子捕獲的逆過程。 電洞捕捉：陷阱中的電子落至價電帶中，好似價電帶的電洞被移至陷阱 電洞發射：電洞捕捉的逆過程。 間接產生與復合率(見附錄I) 電子捕捉速率 Ra與電子濃度陷阱濃度及1-F(E)成正比。 所以設 電子發射速率Rb與陷阱濃度及F(E)成正比。 所以設 間接產生與復合率（續） 均勻