晶体管第5章.ppt

第5章 非平衡载流子 5.1非平衡载流子的注入与复合 热平衡状态 产生：非平衡载流子（过剩载流子） 特点： ；非平衡少子的浓度通常高于平衡态少子浓度。 附加电导率 小注入时 电阻变化 产生非平衡载流子的方法：光注入、电注入。 非平衡载流子的复合 5.2非平衡载流子的寿命 小注入情况 基本参数 寿命：非平衡载流子的平均生存时间。 复合几率：单位时间内非平衡载流子的复合几率。 复合率：单位时间单位体积内净复合消失的电子—空穴对数。 寿命 锗：104μs 硅：103μs 砷化镓：10-8~10-9s 5.3准费米能级 非简并情况下 统一的费米能级是热平衡的标志 准费米能级 非平衡状态下 多子准费米能级偏离平衡费米能级不大； 少子准费米能级远离平衡费米能级。 5.4复合理论 微观机构 直接复合：直接跃迁 间接复合：通过复合中心 发生位置 体内复合 表面符合 复合释放能量的方法 发射光子 发射声子 将能量给予其它载流子，如俄歇复合 5.4.1直接复合 产生率：单位时间单位体积内产生的电子-空穴对数，用G表示，为温度的函数，与载流子浓度无关。 复合率：单位时间单位体积内复合掉的电子-空穴对数， 。其中r复合概率，代表不同热运动速度的电子和空穴复合几率的平均值，是温度的函数，与载流子浓度无关 。 对于非简并情况，热平衡时 非平衡载流子的净复合率 非平衡载流子寿命 平衡载流子浓度有关 与非平衡载流子浓度有关。 小注入条件下 对于n型材料，若 若 根据直接复合理论，硅、锗非平衡载流子寿命的计算结果与测量结果差距较大。 一般而言，禁带宽度越小，直接复合的概率越大。 5.4.2间接复合 复合中心：促进复合作用的杂质和缺陷。 讨论只有一种复合中心能级的情况，复合过程分4步： 俘获电子 发射电子 俘获空穴 发射空穴 电子俘获率： 单位时间单位体积被复合中心俘获的电子数。 电子俘获率=rnn(Nt-nt)。n：导带电子浓度；nt ：复合中心能级上的电子浓度；(Nt-nt)空复合中心浓度；rn电子俘获系数。 电子产生率： 单位时间单位体积向导带发射的电子数。 电子产生率=s-nt 平衡态：电子产生率等于复合率 忽略分布函数的简并因子 非简并情况下 可得 n1为费米能级与复合中心能级重合时导带的平衡电子浓度。 电子产生率=rnn1nt 同理 空穴俘获率=rppnt 空穴产生率=s+（Nt-nt） 平衡态 求得 其中p1为费米能级与复合中心能级重合时价带的平衡空穴浓度。 空穴产生率=rpp1(Nt-nt) 稳定的情况下，上述四个过程必须保持复合中心上的电子数不变，因此稳态条件可以表示为 电子俘获率+空穴产生率=电子产生率+空穴俘获率 即 求得 此外稳态条件还可以表示为 电子俘获率-电子产生率=空穴俘获率-空穴产生率 上式正表示电子-空穴对的净复合率 当半导体注入非平衡载流子后 代入 求得 非平衡载流子寿命 对于小注入的情况， 相差不大 对于n型半导体，假设复合中心能级Et更接近价带，其相对于禁带中心对称的能级位置为Et’ 若EF比Et’更接近Ec，此时n0最大，称为强n型区 若EF在Et’与Ei之间，则p1最大，称为高阻区 对于p型半导体也有类似的讨论 强p型区 高阻区 代入可得 根据 同时假设rn=rp=r，那么 上式化简可得 当复合中心能级趋向于禁带中央的时候，U趋向于无穷大，所以禁带中央附近的深能级是最有效的复合中心。 5.4.3表面复合 实验表明：半导体表面有促进复合的作用，表面出的杂质与缺陷形成在禁带形成复合中心能级 同时考虑体内和表面的情况，则 实验发现表面复合率 ，s称为表面复合速度。 对于锗，s约为102~106cm/s； 对于硅，s约为103~5×103cm/s。 非平衡载流子的寿命与材料的完整性，某些杂质的含量以及样品的表面状态有极密切的关系。 寿命 是“结构灵敏”的参数。 5.4.4俄歇复合 载流子从高能级向低能级跃迁，发生电子-空穴复合，把多余的能量传递个另一个载流子，使这个载流子被激发到能量更高的能级上，当它重新跃迁回到低能级，多余的能量以声子形势放出，这种复合成为俄歇复合。 带间俄歇复合在窄禁带半导体及高温情况下起重要作用。而与杂质和缺陷有关的俄歇复合过程，则常常是影响半导体发光器件的发光效率的重要原因。 5.5陷阱效应 当半导体处于热平衡态，施主、受主、复合中心或其他杂质能级上，都具有一定数目的电子，且能级上的电子通过载流子的俘获和产生保