复合与寿命研讨.doc

复合与寿命 在热平衡状态下，半导体中的电子空穴对处于平衡状态。当有外部激发时，平衡被打破，产生超量载流子，当撤出外部激发，超量载流子浓度逐渐减少，最后回到平衡值。复合的速度受少子寿命的大小决定。复合机制包括：带间复合；深能级复合（导带中的电子和价带中的空穴通过禁带中的复合能级复合）；表面陷阱复合（导带中的电子和价带中的空穴通过表面陷阱复合）。在复合过程中，载流子能量的耗散机理如图1所示，包括：通过发射光子耗散能量（属于辐射复合）；以声子的形式将能量耗散于晶格中（属于多声子复合）。在载流子恢复平衡状态的过程中，这三种机制同时发生作用促使载流子恢复平衡状态。 单晶硅为间接带隙半导体材料，带间复合几率很小，辐射复合寿命为s的数量级。比较而言，复合中心的密度较高，即使是制作功率半导体器件的高纯单晶硅，深能级复合中心寿命也在100μs以下。因此深能级复合寿命在绝大多数器件的工作条件下起主导作用。俄歇复合在重掺杂区和工作在大注入下的双极型功率器件的漂移区才有所体现。 图1 1、复合中心复合 半导体中电子和空穴复合的统计工作最早由Shockley和Read 及Hall独立进行的，分析表明：单深能级复合中心静态复合率由（1）式给出 （1） 式中，和分别是由激发产生的过剩电子和空穴浓度；和分别为平衡电子和空穴浓度；和分别为N型重掺杂和P型重掺杂的少子寿命；和分别为复合能级与费米能级相等时的电子浓度和空穴浓度，表达式为 (2) (3) 式中为复合能级。 复合寿命定义如下 (4) 对于N型单晶硅，，有（2）、（3）、（4）可得 (5) (6) (7) 为注入比。N型重掺杂和P型重掺杂的少子寿命取决于复合中心对空穴和电子的俘获截面，表示为 (8) (9) 分别为电子和空穴的热速度；分别是复合中心对电子和空穴的俘获截面；是复合中心得的浓度。利用（7）、（8）、（9）可得 (10) 与复合中心浓度无关，也与温度关系不大。 对于掺杂浓度为的N型单晶硅，室温下少子寿命与注入比之间的关系如图2所示。 由图2可知，在小注入下（），少子寿命趋于常数，用表示小注入少子寿命， 图2 根据(5)式可得 (11) 通过表达式（11）和图2可知，小注入少子寿命仅依赖于复合能级的位置和的大小。当复合中心从禁带中央（）分别向价带（）和导带（）靠近时，少子寿命变大。这是因为，当复合中心低于禁带中心（）时，复合中心对电子的俘获率较小；而当复合中心高于于禁带中心（）时，复合中心对空穴的俘获率较小。当复合中心低于禁带中心（）时，少子寿命还依赖于。 在大注入情况下（），少子寿命趋于恒定。用表示大注入寿命，由（5）式可得： (12) 从（12）式和图2可知，大注入寿命与复合中心的位置无关，只与有关，虽然复合中心的位置不同（，，），只要（，见图2）相同，随着注入比的增加，最终寿命趋于一致。从图2可知，寿命可能随注入比的增加而增加，也可能随注入比的增加而减小，对于双极功率器件，理想状态是寿命随注入水平的增加而增加，同时拥有较大的值。 2、小注入寿命 如（11）式所描述，小注入寿命依赖于复合中心的位置和对电子和空穴的俘获截面的比例。图3给出了掺杂浓度为N型单晶硅中小注入寿命随复合能级位置的变化关系。当复合中心的位置处于禁带中央时，小注入寿命最小，随着复合中心位置向导带侧移动，俘获空穴的概率下降导致小注入寿命增大。类似地，当复合中心位置向价带一侧移动，复合中心对电子的俘获概率降低导致小注入寿命增大。 图3 当复合中心的位置在禁带中心以上时，（11）式中第二项中方括号内的值变小，因此小注入寿命开始脱离受的影响，而且当复合中心的位置超过费米能级时，小注入寿命迅速增大（因为（11）式中的第一项迅速增大）。如果复合中心位置低于禁带中心，（11）式中的第二项的变大并占据支配地位，所以小注入寿命又开始变得与有关。对于双极型功率半导体器件来说，为了提高开关速度，需要通过引入复合中心加快复合速度，进而提高非平衡载流子消失的速度。由图3可知，处于禁带中心位置的复合中心，对减小小注入寿命最有效。 3、空间