半導(dǎo)體物理非熱平衡狀態(tài)下的半導(dǎo)體

第3章非熱平衡狀態(tài)下的半導(dǎo)體§3.1半導(dǎo)體的非平衡狀態(tài)一、非平衡狀態(tài)的建立和馳豫2、額外載流子的注入1、非平衡狀態(tài)下的載流子密度

n和p表示額外載流子的密度

1）光注入?ω1

?ω2

?ω3

光照可能引起的載流子躍遷過程2）電注入：正偏pn結(jié)&金屬探針與半導(dǎo)體的接觸。3）大注入和小注入：以熱平衡多子密度為參考標(biāo)準(zhǔn)?n<<n0

?n≈或＞n0

4)額外載流子導(dǎo)電：額外載流子的注入必然導(dǎo)致半導(dǎo)體電導(dǎo)率增大，相應(yīng)的電導(dǎo)率增量為光電導(dǎo)

光照使半導(dǎo)體電導(dǎo)率增大的現(xiàn)象。額外載流子就是非平衡少子2、額外載流子的復(fù)合產(chǎn)生和復(fù)合是半導(dǎo)體的載流子系統(tǒng)恢復(fù)熱平衡態(tài)的動力1）恢復(fù)熱平衡狀態(tài)的三種途徑表面復(fù)合（產(chǎn)生）速度少子壽命差別在于復(fù)合中心的來源及其空間分布2）額外載流子在復(fù)合過程中釋放能量的三種形式

(1)發(fā)射光子，即所謂輻射復(fù)合；

(2)發(fā)射聲子，即把能量傳遞給晶格振動，多聲子復(fù)合

(3)激發(fā)另外的電子或空穴，即所謂俄歇（Auger）復(fù)合。3）四對復(fù)合

產(chǎn)生過程

直接輻射復(fù)合

本征激發(fā)（含熱激發(fā)）直接俄歇復(fù)合

碰撞電離通過體內(nèi)復(fù)合中心的間接復(fù)合

間接激發(fā)通過表面復(fù)合中心的間接復(fù)合

間接激發(fā)。直接輻射復(fù)合和直接俄歇復(fù)合通過單一復(fù)合中心的間接復(fù)合表面復(fù)合二、馳豫過程的時間規(guī)律1、額外載流子壽命實驗表明，光照停止后，額外載流子的消失有一個過程，它們在導(dǎo)帶和價帶中有一定的生存時間。額外載流子的平均生存時間稱為壽命，用τ表示。2、復(fù)合率1/τ表示單位時間內(nèi)額外載流子的復(fù)合幾率。U＝?p/τ就表示單位時間單位體積通過復(fù)合消失的額外載流子數(shù)，稱為額外載流子的復(fù)合率。產(chǎn)生率G，熱平衡時G=U3、額外載流子隨時間衰減的規(guī)律一束光在一塊n型半導(dǎo)體內(nèi)均勻產(chǎn)生額外載流子?n和?p。在t＝0時刻，光照突然停止?？紤]?p隨時間衰減的過程。單位時間內(nèi)額外載流子密度的減少應(yīng)等于復(fù)合率，即設(shè)壽命τ是與?p(t)無關(guān)的恒量，則此方程的通解為按初始條件?p(0)＝?p，知常數(shù)C＝?p，于是得衰減式全部額外載流子的平均生存時間即額外載流子壽命三、壽命測量

p

p/

不同材料的少子壽命相差很大。直接禁帶半導(dǎo)體的少子壽命較短，間接禁帶半導(dǎo)體的少子壽命較長。鍺、硅、砷化鎵相比，鍺的少子壽命最長，硅次之，砷化鎵少子壽命最短。同種材料的少子壽命在不同狀況下變化范圍也很大。一塊n型半導(dǎo)體樣品的少子壽命

=10

s，今用光照在其中均勻注入額外載流子，產(chǎn)生率為1016cm-3

s-1。問光照撤銷后20

s時刻其額外載流子密度衰減到原值的百分之幾？還有多大？四、非平衡狀態(tài)下的載流子統(tǒng)計1、準(zhǔn)平衡狀態(tài)在整個系統(tǒng)處于非平衡態(tài)的情況下，價帶和導(dǎo)帶子系統(tǒng)中的空穴與電子各自仍基本處于平衡態(tài)，有各自的費米能級，稱之為子系統(tǒng)的“準(zhǔn)費米能級”，分別用EFn和EFp表示。這樣，統(tǒng)計分布函數(shù)分別對子系統(tǒng)仍然適用。2、準(zhǔn)費米能級利用準(zhǔn)費米能級分別計算非平衡狀態(tài)下的電子和空穴密度。準(zhǔn)費米能級偏離EF的程度是額外載流子密度高低的標(biāo)志。但是EFn和EFp的偏離程度不同。一般情況下，非平衡態(tài)中多數(shù)載流子的準(zhǔn)費米能級偏離不多，少數(shù)載流子的準(zhǔn)費米能級則偏離很大。圖3-4平衡態(tài)費米能級與非平衡態(tài)準(zhǔn)費米能級對比圖（a）熱平衡態(tài)（b）

n=

p的非平衡態(tài)EFEFnEFpEi即便是小注入，額外載流子密度也很容易超過本征載流子密度，一般空穴的準(zhǔn)費米能級在本征費米能級之下。對n型半導(dǎo)體，在?n<<n0的小注入條件下對p型半導(dǎo)體，小注入條件…EFn和EFp的距離直接反映乘積np和ni2的差距，即反映了半導(dǎo)體偏離熱平衡態(tài)的程度。準(zhǔn)費米能級的意義:決定非平衡狀態(tài)下的載流子密度是電子在各子系統(tǒng)中的能量分布保持平衡或近平衡的標(biāo)志，雖然其數(shù)量分配上確已偏離平衡。若額外載流子在能量分布上是近平衡的，描述載流子近平衡輸運(yùn)性質(zhì)的參數(shù)適合于額外載流子，例如弱場遷移率和后面即將用到的載流子擴(kuò)散系數(shù)。額外載流子在能量分布上究竟是不是平衡或近平衡的呢？作業(yè):3－1、2、3§3.2復(fù)合理論一、直接輻射復(fù)合

1、直接輻射復(fù)合過程中的復(fù)合率和產(chǎn)生率由熱平衡狀態(tài)下復(fù)合率等于熱產(chǎn)生率，得2、直接輻射復(fù)合過程決定的少子壽命r

:復(fù)合系數(shù)由凈復(fù)合率得定義1）小注入條件?p<<(n

0+p

0)這說明，在小注入條件下，壽命與多數(shù)載流子密度成反比，或者說，半導(dǎo)體電導(dǎo)率越高，直接輻射復(fù)合壽命就越短。當(dāng)溫度和摻雜濃度一定時，小注入輻射復(fù)合壽命是一個常數(shù)。2)大注入條件?p>>(n

0+p

0)大注入輻射復(fù)合壽命與額外載流子密度成反比，隨注入量的增大而縮短，在溫度和摻雜濃度一定時，不再是常數(shù)。對本征材料

3）實際半導(dǎo)體的直接輻射復(fù)合壽命表3-1一些半導(dǎo)體的室溫直接輻射復(fù)合數(shù)據(jù)材料 禁帶類型 r(cm3/s)

(s) GaAs

直接 (1.2

7.2)×10-10 (8.3

1.4)×10-7

GaN

直接 1.1×10-8 9.1×10-9

InP

直接 (0.06

1.26)×10-9 (16.7

0.79)×10-7

InAs

直接 8.5×10-11 1.18×10-6

GaSb

直接 2.39×10-11 4.2×10-6

InSb

直接 4.6×10-11 2.18×10-6

CdTe

直接 1.0×10-9 1.0×10-7

Si

間接 (1.8

3.0)×10-15 (5.56

3.3)×10-2

Ge

間接 5.25×10-14 1.9×10-3

GaP

間接 (0.3

5.27)×10-14 (33

1.9)×10-3

理論計算得到室溫時本征鍺和硅的r和τ值如下：鍺r＝6.5×10-14cm3／s,τ=0.3s硅r＝10-11cm3／s,τ=3.5s然而，鍺、硅材料的實際少子壽命比上述數(shù)據(jù)要低得多，最長壽命不過幾毫秒。這個事實說明，對于鍺和硅，壽命主要不是由直接輻射復(fù)合過程決定，一定有另外的復(fù)合機(jī)構(gòu)起主要作用，決定著材料的額外載流子壽命。

二、間接復(fù)合額外載流子通過復(fù)合中心進(jìn)行的的復(fù)合1、通過單一復(fù)合中心的復(fù)合過程（SRH模型）①俘獲電子②發(fā)射電子利用熱平衡條件，得俘獲率電子凈俘獲率

發(fā)射率

n1是什么？ECETEV復(fù)合中心③俘獲空穴俘獲率④發(fā)射空穴：發(fā)射率利用熱平衡條件得空穴凈俘獲率

ECETEV復(fù)合過程中，復(fù)合中心對電子和空穴的凈俘獲率必相等2、通過單一復(fù)合中心的凈復(fù)合率由此解得將nt代入電