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半导体物理第五章2.docVIP

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半导体物理第五章2

§5.2 复合理论 额外载流子产生-复合过程的特征参数 复合率 把单位时间在单位体积内通过复合而消失的电子-空穴对数称为复合率。在一个稳定的驰豫过程中,净复合率U与额外载流子密度之间的关系 产生率 把单位时间、单位体积内产生的电子-空穴对数称为产生率。在一个稳定的非平衡状态,复合率U与产生率G相等,于是得额外载流子密度与净产生率之间的关系 一、直接辐射复合 导带电子与价带空穴不借助中间能级的复合过程叫直接复合,复合过程中伴随发射光子的直接复合即直接辐射复合。 1、直接辐射复合过程中的复合率和产生率 导带电子和价带空穴直接复合的复合率显然应与导带电子和价带空穴的密度成正比,即 比例系数r称为电子空穴复合几率。一般地说,电子和空穴的复合几率与它们的运动速度有关,因而仅是温度的函数,而与n和p无关。 热产生率 直接辐射复合的逆过程是本征激发或称热产生。一定温度下的热产生率也就是直接复合过程在热平衡状态下的复合率,即热产生率 2、直接辐射复合过程决定的少子寿命 复合率减去产生率就等于载流子额外的净复合率。直接复合过程中的净复合率Ud为 把n=n 0+?n,p=p 0+?p以及?n=?p代入上式,得到 (5-16) 由此得到载流子额外的寿命为 (5-17) 由上式可以看出,r越大,净复合率越大,τ值越小。寿命τ不仅与平衡载流子密度n 0、p 0有关,而且还与载流子额外密度有关。 1)小注入条件 即?p(n 0+ p 0),式(5-17)可近似为 (5-18) 对于n型材料,即n0p0,上式变成 (5-19) 这说明,在小注入条件下,当温度和掺杂一定时,寿命是一个常数。寿命与多数载流子密度成反比,或者说,半导体电导率越高,直接辐射复合寿命就越短。 2) 大注入条件 当?p(n 0+ p 0)时,式(5-17)近似为 (5-20) 寿命随额外载流子密度而改变,因而在复合过程中,寿命不再是常数。 3)实际半导体的直接辐射复合寿命 直接辐射复合寿命τ的大小,首先取决于该过程的复合几率r。根据本征光吸收的数据,结合理论计算可以求出r的值。理论计算得到室温时本征锗和硅的r和τ值如下。 锗 r=6.5×10-14 cm3/s, τ=0.3s 硅 r=10-11 cm3/s, τ=3.5s 然而,实际上锗、硅材料的寿命比上述数据要低一些,最大寿命值不过是几毫秒。这个事实说明,对于锗和硅,寿命主要还不是由直接复合过程所决定,一定有另外的复合机构起着主要作用,决定着材料的寿命。这就是下面要讨论的间接复合。 一般地说,禁带宽度越小,直接复合的几率越大。所以,在锑化铟(Eg=0.18eV)和碲(Eg=0.3eV)等小禁带宽度的半导体中,直接复合占优势。 实验发现,砷化镓的禁带宽度(Eg=1.428eV)虽然比较大一些,但直接复合机构对寿命有着重要的影响,这和它的具体能带结构有关。 二、间接复合 半导体中的杂质和缺陷在禁带中形成一定的能级,它们除了影响半导体的电特性以外,对载流子额外的寿命也有很大的影响。实验发现,半导体中杂质越多,晶格缺陷越多,寿命就越短。这说明杂质和缺陷有促进复合的作用。这些促进复合过程的杂质和缺陷称为复合中心。间接复合指的是额外载流子通过复合中心的复合。 1、通过单一复合中心的复合过程(SRH模型) 对能级为Et、密度为Nt的复合中心,额外载流子借以实现复合的四个微观过程及其定量描述是: ①俘获电子:复合中心Et从导带俘获电子;称单位时间在单位体积中俘获的电子数为电子俘获率Cn,其值应正比于导带电子和复合中心空状态的密度。以n和nt分别表示导带底和复合中心能级上的电子密度,则 (5-21) 比例系数rn反映复合中心俘获电子的能力,称为电子俘获系数。rn是个平均量。 ②发射电子:复合中心Et上的电子被激发到导带,是①的逆过程。用电子发射率En表示在单位体积、单位时间内复合中心向导带发射的电子数。显然,只有已被电子占据的复合中心能级才能发射电子。所以,En与nt成比例。这里仍考虑非简并情况,可以认为导带基本是空的,因而产生率与n无关。发射率可写成 比例系数s_称为电子激发几率,只要温度一定,它的值就是确定的。 利用热平衡状态下电子俘获率与发射率相等的事实,可将电子激发几率用俘获系数表示为 为了简单起见,在表示n0t的大小时忽略了分布函数中的简并因子,式中 (5-25) 它恰好等于费米能级EF与复合中心能级Et重合时导带的平衡电子密度。于是,电子发射率可用俘获系数重新表示为 ③俘获空穴: 电子由Et落人价带与空穴复合,也可看成Et从价带俘获一个空穴。称单位时

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