非平衡載流子（課堂PPT）

1、1Non-equilibrium Carrier2主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：*掌握掌握非平衡載流子的概念，以及其非平衡載流子的概念，以及其產(chǎn)生產(chǎn)生與與復(fù)合復(fù)合的一的一 般過程般過程，了解非平衡載流子對(duì)電導(dǎo)率的影響。，了解非平衡載流子對(duì)電導(dǎo)率的影響。* *理解理解非平衡載流子非平衡載流子壽命壽命的概念，掌握非平衡載流子濃的概念，掌握非平衡載流子濃 度隨時(shí)間的變化規(guī)律及常用的測(cè)量壽命的方法。度隨時(shí)間的變化規(guī)律及常用的測(cè)量壽命的方法。* *理解理解準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)的概念，并能用其表征非平衡態(tài)時(shí)載的概念，并能用其表征非平衡態(tài)時(shí)載 流子濃度和衡量半導(dǎo)體偏離平衡態(tài)的程度。流子濃度和衡量半導(dǎo)體偏離平衡態(tài)的程度

2、。* *掌握掌握幾種復(fù)合機(jī)構(gòu)復(fù)合機(jī)構(gòu)和復(fù)合理論復(fù)合理論。 * *理解理解陷阱陷阱的概念和的概念和陷阱效應(yīng)陷阱效應(yīng)。* *載流子的載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和和漂移運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)，了解，了解愛因斯坦關(guān)系式愛因斯坦關(guān)系式 及及少數(shù)載流子遵循的方程少數(shù)載流子遵循的方程連續(xù)性方程連續(xù)性方程。 3處于熱平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體，在一定溫度下，載處于熱平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體，在一定溫度下，載流子的濃度是一定的。流子的濃度是一定的。平衡載流子平衡載流子非簡(jiǎn)并條件下，半導(dǎo)體處于熱平衡的非簡(jiǎn)并條件下，半導(dǎo)體處于熱平衡的判據(jù)式判據(jù)式：200exp()gVCiEn pN NnkT當(dāng)對(duì)半導(dǎo)體施加外界作用時(shí)，出現(xiàn)與平衡態(tài)的偏當(dāng)對(duì)半導(dǎo)體施

3、加外界作用時(shí)，出現(xiàn)與平衡態(tài)的偏離，載流子濃度發(fā)生變化，可比離，載流子濃度發(fā)生變化，可比no和和po多出一部多出一部分，即分，即非平衡載流子。非平衡載流子。4一、非平衡載流子的產(chǎn)生一、非平衡載流子的產(chǎn)生 1光注入光注入 光照光照npnopo光照產(chǎn)生非平衡載流子光照產(chǎn)生非平衡載流子用波長(zhǎng)比較短的光用波長(zhǎng)比較短的光 ghE照射到半導(dǎo)體照射到半導(dǎo)體 52電注入電注入（ PN結(jié)正向工作時(shí)）結(jié)正向工作時(shí)）3非平衡載流子濃度的表示法非平衡載流子濃度的表示法 產(chǎn)生的非子一般都用產(chǎn)生的非子一般都用 n， p來表示來表示 。達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡后：達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡后： n=n0+ n p=p0+ p n0，p0為熱平衡時(shí)電子

4、濃度和空穴濃度為熱平衡時(shí)電子濃度和空穴濃度 ， n， p為非子濃度。為非子濃度。 6對(duì)同塊材料對(duì)同塊材料 ：非平衡載流子濃度有：非平衡載流子濃度有： n= p 熱平衡時(shí)熱平衡時(shí)n0p0=ni2，非平衡時(shí)，非平衡時(shí)，npni2 n型：型： n非平衡非平衡多子多子 p非平衡少子非平衡少子 p型：型： p非平衡非平衡多子多子 n非平衡少子非平衡少子 7注意：注意： n， p非平衡載流子的濃度非平衡載流子的濃度 n0，p0熱平衡載流子濃度熱平衡載流子濃度 n，p非平衡時(shí)導(dǎo)帶電子濃度非平衡時(shí)導(dǎo)帶電子濃度 和價(jià)帶空穴濃度和價(jià)帶空穴濃度 4大注入、小注入大注入、小注入 8 注入的非平衡載流子濃度大于平衡時(shí)的

5、多子濃注入的非平衡載流子濃度大于平衡時(shí)的多子濃 度，稱為度，稱為大注入大注入。 n型：型： nn0，p型：型： pp0 注入的非平衡載流子濃度注入的非平衡載流子濃度大于大于平衡時(shí)的平衡時(shí)的少少子濃子濃 度，度，小于小于平衡時(shí)的平衡時(shí)的多子多子濃度，稱為小注入濃度，稱為小注入。 n型型：p0 nn0，或，或p型型：n0 n0，加光照，加光照 Vrt0有凈產(chǎn)生有凈產(chǎn)生15(2) 取消光照取消光照 在在t=0時(shí)，取消照射，時(shí)，取消照射，復(fù)合復(fù)合產(chǎn)生產(chǎn)生 。Vrt0非平衡載流子在半導(dǎo)體非平衡載流子在半導(dǎo)體中的生存時(shí)間稱為中的生存時(shí)間稱為非子非子壽命壽命。 有凈復(fù)合有凈復(fù)合16（3）非子的平均壽命）非子

6、的平均壽命 假設(shè)假設(shè)t=0時(shí)，停止光照時(shí)，停止光照 t=t時(shí)，非子濃度為時(shí)，非子濃度為 p(t) t=t+ t時(shí)，非子濃度為時(shí)，非子濃度為 p(t+ t) 在在 t時(shí)間間隔中，非子的減少量：時(shí)間間隔中，非子的減少量： p(t) p(t+ t) 單位時(shí)間、單位體積中非子的減少為：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位體積中非子的減少為： ( )()p tp ttt17當(dāng)當(dāng) t0時(shí)，時(shí)，t時(shí)刻單位時(shí)間單位體積被復(fù)合掉時(shí)刻單位時(shí)間單位體積被復(fù)合掉的非子數(shù)的非子數(shù) ，為：，為：d pdt復(fù)合概率為：復(fù)合概率為： 1( )1( )d p tp tdt 18( )tp tce C為積分常數(shù)為積分常數(shù) t=0 時(shí)時(shí)，0( )tp

7、tp e 0(0)pp 190tp0()p0()pe20非子的平均壽命非子的平均壽命： 00( )( )td p ttd p tt= 時(shí)時(shí)，非子濃度減到：非子濃度減到： 0ppe 為非平衡載流子的壽命為非平衡載流子的壽命 所需的時(shí)間的衰減到就是eptp10 215.3 5.3 準(zhǔn)準(zhǔn) 費(fèi)費(fèi) 米米 能能 級(jí)級(jí)一、非平衡態(tài)的電子與空穴一、非平衡態(tài)的電子與空穴各自各自處于熱平衡態(tài)處于熱平衡態(tài) 準(zhǔn)平衡態(tài)準(zhǔn)平衡態(tài)：001111nFpFnEEk TpEEk TfEefEenFpFEE 導(dǎo)帶電子 準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)價(jià)帶空穴 準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)對(duì)于價(jià)帶和導(dǎo)帶的電子而言，它們各自基本處對(duì)于價(jià)帶和導(dǎo)帶的電子而言，它們各自基本處于平

8、衡態(tài)，盡管導(dǎo)帶和價(jià)帶之間不平衡于平衡態(tài)，盡管導(dǎo)帶和價(jià)帶之間不平衡22二、非平衡態(tài)時(shí)的載流子濃度二、非平衡態(tài)時(shí)的載流子濃度 1表達(dá)式：表達(dá)式：熱平衡態(tài)時(shí)熱平衡態(tài)時(shí) ：0cFEEKTcnN e 非平衡時(shí)：非平衡時(shí)： ()0cFncFFnFFnFEEKTcEEEEKTcEEKTnN eN en e非子越多，準(zhǔn)費(fèi)米非子越多，準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)偏離原來能級(jí)偏離原來EF就就越遠(yuǎn)越遠(yuǎn)232準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)的位置位置 0nnncFncFEEEEFnFEE0FFpEEKTpp e同理：同理：n型材料2400pppp FpvFvEEEEFpFEEN型材料：型材料： FnE略高于略高于EF ,FpE遠(yuǎn)離遠(yuǎn)離EF（因?yàn)?/p>

9、 pp0）P型材料：型材料： FpE略低于略低于EF ,FnE遠(yuǎn)離遠(yuǎn)離EF FFpEE小小，大大，F(xiàn)FpEE0pp25N型型EcEvEFEFnEFpP型型EcEvEFEFpEFn263 3非平衡態(tài)的濃度積與非平衡態(tài)的濃度積與平衡平衡 態(tài)時(shí)的濃度積態(tài)時(shí)的濃度積0FnFEEKTnn e0/FnFEEKTn ne270FFpEEKTpp e0/pFFEEKTp pe00FnFpEEKTn penpni2 EFn和和EFp兩者相差愈大兩者相差愈大偏離平衡愈厲害偏離平衡愈厲害285.4 5.4 復(fù)復(fù) 合合 理理 論論一、載流子的復(fù)合形式：一、載流子的復(fù)合形式：按復(fù)合機(jī)構(gòu)分：直接復(fù)合：直接復(fù)合： 間接復(fù)合

10、：間接復(fù)合： EcEvEcEvEt內(nèi)部的相互作用引起微觀過程之間的平衡，即非平衡向平內(nèi)部的相互作用引起微觀過程之間的平衡，即非平衡向平衡的過度，即非子的復(fù)合。復(fù)合理論是個(gè)衡的過度，即非子的復(fù)合。復(fù)合理論是個(gè)統(tǒng)計(jì)性的理論統(tǒng)計(jì)性的理論。29直接復(fù)合：直接復(fù)合： 間接復(fù)合：間接復(fù)合： EgEvEc30按復(fù)合發(fā)生的位置分按復(fù)合發(fā)生的位置分 表面復(fù)合表面復(fù)合 體內(nèi)復(fù)合體內(nèi)復(fù)合 按放出能量的形式分按放出能量的形式分 發(fā)射光子發(fā)射光子 俄歇復(fù)合俄歇復(fù)合 發(fā)射聲子發(fā)射聲子 輻射復(fù)合輻射復(fù)合 無輻射復(fù)合無輻射復(fù)合 31二、非子的直接復(fù)合二、非子的直接復(fù)合 1 1復(fù)合率和產(chǎn)生率復(fù)合率和產(chǎn)生率(1) 復(fù)合率：復(fù)合率

11、： 單位時(shí)間、單位體積中被復(fù)合的單位時(shí)間、單位體積中被復(fù)合的載流子對(duì)載流子對(duì)（電子（電子空穴對(duì)），量綱為：對(duì)空穴對(duì)），量綱為：對(duì)(個(gè)個(gè))/scm3 用用R(restore)表示表示 Rnp R=rnp r：比例系數(shù)，比例系數(shù)，它表示單位時(shí)間一個(gè)電子它表示單位時(shí)間一個(gè)電子與一個(gè)空穴相遇的幾率，通常稱為與一個(gè)空穴相遇的幾率，通常稱為復(fù)合系數(shù)復(fù)合系數(shù)或復(fù)合概率或復(fù)合概率 和速度相關(guān)的統(tǒng)計(jì)量和速度相關(guān)的統(tǒng)計(jì)量32當(dāng)當(dāng)n=n0，p=p0時(shí)，時(shí)， rn0p0=熱平衡態(tài)時(shí)單位時(shí)間、單位體積熱平衡態(tài)時(shí)單位時(shí)間、單位體積被復(fù)合掉的電子、空穴對(duì)數(shù)被復(fù)合掉的電子、空穴對(duì)數(shù)對(duì)對(duì)直接復(fù)合直接復(fù)合，用，用Rd表示表示復(fù)合

12、率復(fù)合率 Rd=rdnp非平衡非平衡 Rd=rdn0p0熱平衡熱平衡 rd 為直接復(fù)合的復(fù)合系數(shù)為直接復(fù)合的復(fù)合系數(shù) ，是溫度的函，是溫度的函數(shù)，和數(shù)，和n和和p無關(guān)。無關(guān)。33( (2 2) ) 產(chǎn)產(chǎn)生生率率： 在達(dá)到熱平衡時(shí)，產(chǎn)生率必須等于復(fù)在達(dá)到熱平衡時(shí)，產(chǎn)生率必須等于復(fù)合率：合率： 200dddiRGr n pr n單位時(shí)間、單位體積中產(chǎn)生的載流子，用單位時(shí)間、單位體積中產(chǎn)生的載流子，用G表示表示在在非簡(jiǎn)并條件非簡(jiǎn)并條件下，激發(fā)概率不受載流子濃度下，激發(fā)概率不受載流子濃度 n和和p的影響，所以，產(chǎn)生率基本相同，僅僅是的影響，所以，產(chǎn)生率基本相同，僅僅是溫度溫度的函數(shù)的函數(shù)，和，和n、p

13、無關(guān)。無關(guān)。（n=n0, p=p0 )G342 2直接復(fù)合的凈復(fù)合率直接復(fù)合的凈復(fù)合率 u ud d 直直接接復(fù)復(fù)合合的的凈凈復(fù)復(fù)合合率率 u ud d =非非平平衡衡態(tài)態(tài)下下的的復(fù)復(fù)合合率率 非平衡態(tài)下的產(chǎn)生率非平衡態(tài)下的產(chǎn)生率熱平衡態(tài)下的產(chǎn)生率熱平衡態(tài)下的產(chǎn)生率熱平衡態(tài)下的復(fù)合率熱平衡態(tài)下的復(fù)合率00ddr npr n p00drp npp即即即即（產(chǎn)生率（產(chǎn)生率G僅僅是僅僅是溫度的函溫度的函數(shù)數(shù)，和，和n、p無關(guān)）無關(guān)）353直直接接復(fù)復(fù)合合的的非非子子壽壽命命 00()dprp npp001()dr npp rd：rd 大大， 小小 壽命壽命 與熱平衡載流子濃度與熱平衡載流子濃度 n0

14、、p0有關(guān)有關(guān) 與與注注入入有有關(guān)關(guān) 非子壽命非子壽命ud36小注入：小注入： 00pnp 001()ddr np討論：討論：（1）、常數(shù)非平衡載流子的壽命是小信號(hào)小信號(hào)N 型型：n0p0 01ddr nP P 型型：p p0 0 n n0 0 01ddr p電導(dǎo)率高電導(dǎo)率高壽命短壽命短001()dr npp 37小注入時(shí)，非子壽命決定于材料，當(dāng)溫度小注入時(shí)，非子壽命決定于材料，當(dāng)溫度和摻雜一定時(shí)，它是個(gè)常數(shù)；多子濃度和摻雜一定時(shí)，它是個(gè)常數(shù)；多子濃度大，大， 小，或者電導(dǎo)率高，壽命就短。小，或者電導(dǎo)率高，壽命就短。 大注入時(shí)，非子壽命決定于注入；注入大注入時(shí)，非子壽命決定于注入；注入濃度大，

15、濃度大， 小小 大大注注入入： 00pnp 1ddrp （2）、大信號(hào)大信號(hào)本征半導(dǎo)體：本征半導(dǎo)體：12dir n只與非只與非子有關(guān)子有關(guān)不是常不是常數(shù)數(shù)一般講，帶隙小直接復(fù)合的概率大壽命短一般講，帶隙小直接復(fù)合的概率大壽命短38三、非平衡載流子的間接復(fù)合三、非平衡載流子的間接復(fù)合 半導(dǎo)體雜質(zhì)和缺陷在禁帶中的能級(jí)，不僅影響導(dǎo)半導(dǎo)體雜質(zhì)和缺陷在禁帶中的能級(jí)，不僅影響導(dǎo)電特性，同時(shí)會(huì)對(duì)非子的電特性，同時(shí)會(huì)對(duì)非子的壽命壽命也有很大影響。也有很大影響。一般講，一般講，雜質(zhì)雜質(zhì)和和缺陷缺陷越多，壽命越短，即它們有越多，壽命越短，即它們有促進(jìn)非子復(fù)合的作用。這些促進(jìn)復(fù)合的促進(jìn)非子復(fù)合的作用。這些促進(jìn)復(fù)合的

16、雜質(zhì)雜質(zhì)和和缺缺陷陷稱為稱為復(fù)合中心復(fù)合中心。如如果果在在禁禁帶帶中中存存在在復(fù)復(fù)合合中中心心，電電子子與與空空穴穴的的復(fù)復(fù)合合時(shí)時(shí)分分為為兩兩步步走走： 間接復(fù)合是指非子通過復(fù)合中心的復(fù)合間接復(fù)合是指非子通過復(fù)合中心的復(fù)合39第第一一步步： 電電子子由由導(dǎo)導(dǎo)帶帶進(jìn)進(jìn)入入復(fù)復(fù)合合中中心心 Et； EcEvEt(一)(二) 第第二二步步： 電子由復(fù)合中心進(jìn)入價(jià)帶（或空穴電子由復(fù)合中心進(jìn)入價(jià)帶（或空穴被被 E Et t所俘獲） 。所俘獲） 。 但上述兩個(gè)但上述兩個(gè)逆過程逆過程也存在，間接復(fù)合也是個(gè)統(tǒng)也存在，間接復(fù)合也是個(gè)統(tǒng)計(jì)性的過程計(jì)性的過程401 1間接復(fù)合間接復(fù)合 第第一一步步： 電子由電子由

17、EcEt(甲)甲甲： Et俘獲電子的過程俘獲電子的過程 電電子子由由 EcEt 乙乙： Et發(fā)射電子的過程發(fā)射電子的過程 (乙)電電子子由由 EtEc（甲甲的的逆逆過過程程） 第第二二步步： 電電子子由由EtEv 丙丙： Et俘俘獲獲空空穴穴的的過過程程電電子子由由 Et Ev 丁?。?Et發(fā)發(fā)射射空空穴穴的的過過程程電電子子由由 Ev Et (丙)(丁)CEtEvE41 電子俘獲電子俘獲 電子發(fā)射電子發(fā)射 空穴俘獲空穴俘獲 空穴發(fā)射空穴發(fā)射電子俘獲率：電子俘獲率： 電子產(chǎn)生率：電子產(chǎn)生率： 空穴俘獲率：空穴俘獲率： 空穴發(fā)射率：空穴發(fā)射率：Rn=rnn（Nt-nt） Gn=s-nt Rp=r

18、ppnt Gp=s+（ Nt-nt ）rn：電子俘獲系數(shù)：電子俘獲系數(shù) s- ：電子發(fā)射系數(shù)：電子發(fā)射系數(shù) rp：空穴俘獲系數(shù)：空穴俘獲系數(shù) s+ ：空穴激發(fā)系數(shù)：空穴激發(fā)系數(shù) 甲甲乙乙丙丙丁丁422復(fù)合穩(wěn)態(tài)時(shí)復(fù)合中心的電子濃度復(fù)合穩(wěn)態(tài)時(shí)復(fù)合中心的電子濃度 在穩(wěn)定時(shí)在穩(wěn)定時(shí)，甲、乙、丙、丁四個(gè)過程必須保持甲、乙、丙、丁四個(gè)過程必須保持復(fù)合中心的電子數(shù)復(fù)合中心的電子數(shù)不變，不變，即n nt t 為常數(shù) 甲甲+丁丁=乙乙+丙丙 （電子積累等于電子減少）（電子積累等于電子減少）11()()nttpttp tntr Nn n r p Nnrnp rnn111()()()tnptnpN r nr pnr

19、 nnrpp復(fù)合中心復(fù)合中心上的電子上的電子濃度濃度433間接復(fù)合的復(fù)合率間接復(fù)合的復(fù)合率u和壽命和壽命 當(dāng)復(fù)合達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)當(dāng)復(fù)合達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí):導(dǎo)帶減少的電子數(shù)等于價(jià)帶導(dǎo)帶減少的電子數(shù)等于價(jià)帶減少的空穴數(shù)。即導(dǎo)帶損失一個(gè)電子，同時(shí)價(jià)帶減少的空穴數(shù)。即導(dǎo)帶損失一個(gè)電子，同時(shí)價(jià)帶也損失一個(gè)空穴，電子和空穴通過復(fù)合中心也損失一個(gè)空穴，電子和空穴通過復(fù)合中心成對(duì)成對(duì)復(fù)合。復(fù)合。 非平衡載流子非平衡載流子凈復(fù)合率凈復(fù)合率為：為：甲乙丙丁211()()()tnpinpNrrUnpnr nnrpp通過復(fù)合中心的凈通過復(fù)合中心的凈復(fù)合率的普適公式復(fù)合率的普適公式44010100()()()npt n pr nnp

20、rpppN r r npp 壽命和復(fù)合中心濃度成壽命和復(fù)合中心濃度成反比反比。非平衡載流子的壽命為：非平衡載流子的壽命為：454、有效復(fù)合中心、有效復(fù)合中心211()()()n ptinpr r N npnur nnrpp211()()ipnnpnnnpp位于禁帶中央附近的深能級(jí)是最有效的復(fù)合中位于禁帶中央附近的深能級(jí)是最有效的復(fù)合中心，如，心，如，Cu、Fe、Au 等雜質(zhì)在等雜質(zhì)在Si中形成的深中形成的深能級(jí)，是能級(jí)，是有效的復(fù)合中心。有效的復(fù)合中心。465、俘獲截面、俘獲截面假設(shè)復(fù)合中心為截面積為 的球體nTpTrvrv則俘獲系數(shù) 電子俘獲截面其中空穴俘獲截面的意義復(fù)合中心俘獲載流子的本領(lǐng)

21、載流子熱運(yùn)動(dòng)速載流子熱運(yùn)動(dòng)速度大，碰上復(fù)合度大，碰上復(fù)合中心而被俘獲的中心而被俘獲的概率就大概率就大47在復(fù)合率在復(fù)合率U的公式中，可用俘獲截面來替代的公式中，可用俘獲截面來替代rn和和rp 實(shí)驗(yàn)證明實(shí)驗(yàn)證明了，摻雜了，摻雜Ge中，中，Mn, Fe, Co, Au, Cu, Ni等可以形成復(fù)合中心；在等可以形成復(fù)合中心；在Si中，中，Au, Cu, Fe, Mn,In等可以形成復(fù)合中心。一般，復(fù)合中心的俘獲等可以形成復(fù)合中心。一般，復(fù)合中心的俘獲截面為截面為10-1310-17cm2Eg： Au 在Si中摻雜，引入深能級(jí)是雙能級(jí)： EtA 在導(dǎo)帶以下0.54eV的受主能級(jí)EtD 在價(jià)帶以上 0

22、.35eV的施主能級(jí)AU- AU+ 在在n Si中，中， AU- 在在p Si中，中， AU+ 48四、表面復(fù)合四、表面復(fù)合1表面復(fù)合率表面復(fù)合率us表面電子能級(jí)表面電子能級(jí)：表面吸附的雜質(zhì)或其它表面吸附的雜質(zhì)或其它損傷形成的缺陷態(tài)，它損傷形成的缺陷態(tài)，它們?cè)诒砻嫣幍慕麕е行蝹冊(cè)诒砻嫣幍慕麕е行纬呻娮幽芗?jí)。成電子能級(jí)。 us：?jiǎn)挝粫r(shí)間流過單位表面積的非平衡：?jiǎn)挝粫r(shí)間流過單位表面積的非平衡載流子，單位：個(gè)載流子，單位：個(gè)/scm2 表面能級(jí)表面能級(jí)表面有促進(jìn)載流子復(fù)合的作表面有促進(jìn)載流子復(fù)合的作用，表面復(fù)合也是一種間接用，表面復(fù)合也是一種間接復(fù)合形式復(fù)合形式49ssup sp：為樣品表面處單位體

23、積的載流子數(shù)為樣品表面處單位體積的載流子數(shù)(表面表面處的非子濃度處的非子濃度1/cm3)ssusp 個(gè)/cm3cm/s個(gè)/s cm2S比例系數(shù)，表征表面復(fù)合的強(qiáng)弱，具有速比例系數(shù)，表征表面復(fù)合的強(qiáng)弱，具有速度的量綱，稱為度的量綱，稱為表面復(fù)合速度表面復(fù)合速度。 502影響表面復(fù)合的因素及壽命表示式影響表面復(fù)合的因素及壽命表示式(1) 表面粗糙度表面粗糙度 (2) 表面積與總體積的比例表面積與總體積的比例 (3) 與表面的清潔度、化學(xué)氣氛有關(guān)與表面的清潔度、化學(xué)氣氛有關(guān) 在考慮表面復(fù)合后，總的復(fù)合幾率為：在考慮表面復(fù)合后，總的復(fù)合幾率為： 111vs（表面+體內(nèi)）515.5 5.5 陷陷 阱阱

24、效效 應(yīng)應(yīng)在非平衡時(shí)，一部分附加產(chǎn)生的電子在非平衡時(shí)，一部分附加產(chǎn)生的電子n nt t（或空穴（或空穴p pt t ）落入）落入E Et t中，起這種作用中，起這種作用的雜質(zhì)或缺陷能級(jí)的雜質(zhì)或缺陷能級(jí)E Et t就叫就叫 陷阱陷阱。一、陷阱：一、陷阱：EcEtEv所有的雜質(zhì)能級(jí)所有的雜質(zhì)能級(jí)都有都有積累積累非子的非子的作用，即陷阱效作用，即陷阱效應(yīng)。但當(dāng)積累的應(yīng)。但當(dāng)積累的非子和導(dǎo)帶、價(jià)非子和導(dǎo)帶、價(jià)帶中的非子相當(dāng)帶中的非子相當(dāng)時(shí)，才是顯著的時(shí)，才是顯著的52對(duì)于對(duì)于 nprr的雜質(zhì)，的雜質(zhì)， 電子的俘獲能力遠(yuǎn)大于俘獲空穴的能力，電子的俘獲能力遠(yuǎn)大于俘獲空穴的能力， 稱為稱為電子陷阱。電子陷阱

25、。 對(duì)于對(duì)于 pnrr的雜質(zhì)，的雜質(zhì)， 俘獲空穴的能力遠(yuǎn)大于俘獲電子的能力，俘獲空穴的能力遠(yuǎn)大于俘獲電子的能力， 稱為稱為空穴陷阱?？昭ㄏ葳濉?相應(yīng)的雜質(zhì)和缺陷為相應(yīng)的雜質(zhì)和缺陷為陷阱中心陷阱中心53二、陷阱效應(yīng)的分析二、陷阱效應(yīng)的分析1陷阱效應(yīng)中的載流子濃度陷阱效應(yīng)中的載流子濃度根據(jù)間接復(fù)合理論，根據(jù)間接復(fù)合理論，穩(wěn)態(tài)時(shí)穩(wěn)態(tài)時(shí)雜質(zhì)能級(jí)上的雜質(zhì)能級(jí)上的電子數(shù)即陷阱上的電子積累濃度電子數(shù)即陷阱上的電子積累濃度nt為：為：111()()()tnptnpN r nr pnr nnrpp以復(fù)合中心理論為根據(jù)，以復(fù)合中心理論為根據(jù)，定性定性討論陷阱效應(yīng)討論陷阱效應(yīng)54tn為陷阱上的非子積累濃度，即非平衡

26、為陷阱上的非子積累濃度，即非平衡時(shí)電子的時(shí)電子的變化量變化量。 0tn為俘獲電子， 0ttnn電子陷阱電子陷阱 0tn為俘獲空穴， 0ttnn空穴陷阱空穴陷阱 tttnnn0KTEEttFteNn10552陷阱上的電子對(duì)電導(dǎo)的間接貢獻(xiàn)陷阱上的電子對(duì)電導(dǎo)的間接貢獻(xiàn) 沒有陷阱時(shí)：沒有陷阱時(shí)： pnpqnq00()()pnpp qnn q0 56 有電子陷阱后：以有電子陷阱后：以p p型型為例，少子為電子為例，少子為電子tpnn 當(dāng)有一個(gè)非子（電子）落入陷阱時(shí)，必須有一個(gè)當(dāng)有一個(gè)非子（電子）落入陷阱時(shí)，必須有一個(gè)多子（空穴）與它保持電中性。多子（空穴）與它保持電中性。這些與陷阱中少這些與陷阱中少子相

27、中和的多子空穴必然會(huì)引起附加的電導(dǎo)。子相中和的多子空穴必然會(huì)引起附加的電導(dǎo)。00()()tpnpnn qnnq 0t即，雖然陷阱中電子本身不參加電導(dǎo)，但仍電子本身不參加電導(dǎo)，但仍間接間接反映于附加電導(dǎo)中反映于附加電導(dǎo)中在禁帶中在禁帶中57當(dāng)當(dāng)EtEF時(shí)，平衡時(shí)基本上空的，有利于陷時(shí)，平衡時(shí)基本上空的，有利于陷阱的作用，但隨阱的作用，但隨Et的升高，即的升高，即Ec-Et小，電子小，電子可以從可以從Et 激發(fā)到激發(fā)到Ec的幾率增大，俘獲變大，的幾率增大，俘獲變大，所以在費(fèi)米能級(jí)之上但接近費(fèi)米能級(jí)的雜質(zhì)所以在費(fèi)米能級(jí)之上但接近費(fèi)米能級(jí)的雜質(zhì)能級(jí)的陷阱效應(yīng)最明顯；能級(jí)的陷阱效應(yīng)最明顯； 當(dāng)當(dāng)EtEF

28、時(shí)，在熱平衡態(tài)時(shí)，時(shí)，在熱平衡態(tài)時(shí)，Nt中大部分已中大部分已被電子占有，空穴很少，被電子占有，空穴很少，不能起陷阱作用。不能起陷阱作用。 三、三、有效有效陷阱效應(yīng)陷阱效應(yīng)有效的電子陷阱是存在于有效的電子陷阱是存在于P型型材料中材料中 有效的空穴陷阱是存在于有效的空穴陷阱是存在于N型型材料中材料中585.6 5.6 載載 流流 子子 的的 擴(kuò)擴(kuò) 散散 運(yùn)運(yùn) 動(dòng)動(dòng) 對(duì)非平衡載流子有對(duì)非平衡載流子有兩種兩種定向運(yùn)動(dòng)定向運(yùn)動(dòng)： 電場(chǎng)作用下的漂移運(yùn)動(dòng)；電場(chǎng)作用下的漂移運(yùn)動(dòng)； 濃度差引起的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。濃度差引起的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)是由粒子濃度的不均勻所引起的，是粒擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)是由粒子濃度的不均勻所引起的，是粒

29、子的有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)，但和粒子的無規(guī)熱運(yùn)動(dòng)相關(guān)子的有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)，但和粒子的無規(guī)熱運(yùn)動(dòng)相關(guān)59一、擴(kuò)散定律和穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散方程一、擴(kuò)散定律和穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散方程 1、擴(kuò)散定律、擴(kuò)散定律:考慮一維情況均勻摻雜的均勻摻雜的N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 非子非子從一端沿整個(gè)表面均勻產(chǎn)生，從一端沿整個(gè)表面均勻產(chǎn)生， 且只在且只在x方向形成濃度梯度方向形成濃度梯度 ，非子，非子 是沿是沿x方向方向擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。 60光光照照x非平衡載流子的擴(kuò)散非平衡載流子的擴(kuò)散A B0 x x+x61在在x=x處，取截面處，取截面A，x=x+ x處取處取截面截面B，兩，兩截面垂直于截面垂直于x軸，并且都為單位面積軸，并且都為單位面積1cm2 擴(kuò)

30、散流密度擴(kuò)散流密度 Sp(x)：?jiǎn)挝粫r(shí)間通過擴(kuò)散流過垂直的單位截面積的載流單位時(shí)間通過擴(kuò)散流過垂直的單位截面積的載流子子 ( )ppd pSxdxd pDdx 擴(kuò)散定律擴(kuò)散定律Dp為空穴的擴(kuò)散系數(shù)，量綱為為空穴的擴(kuò)散系數(shù)，量綱為cm2/s62 在在x+ x處，流密度為處，流密度為Sp(x+ x) 在在1秒鐘內(nèi)，在秒鐘內(nèi)，在1x體積內(nèi)的非子數(shù)為：體積內(nèi)的非子數(shù)為： Sp(x)-Sp(x+ x)單位時(shí)間、單位體積中積累的非子為：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位體積中積累的非子為： 由表面注入的空穴，不斷向內(nèi)部擴(kuò)散中，不斷復(fù)合由表面注入的空穴，不斷向內(nèi)部擴(kuò)散中，不斷復(fù)合而消失。在恒定的光照射下，表面非子濃度恒定。而消

31、失。在恒定的光照射下，表面非子濃度恒定。稱為稱為 恒定擴(kuò)散恒定擴(kuò)散2、穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散方程、穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散方程6322( )()0( )( )ppppSxSxxxxdSxdp xDdxdx 單位時(shí)間單位體積被復(fù)合掉的非子為單位時(shí)間單位體積被復(fù)合掉的非子為 ：pp單位時(shí)間單位體單位時(shí)間單位體積積累的非子數(shù)積積累的非子數(shù)當(dāng)：當(dāng)：上式為上式為( )ppd pSxdxd pDdx 64在在穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)時(shí)，積累的載流子應(yīng)等于復(fù)合掉的載流子時(shí)，積累的載流子應(yīng)等于復(fù)合掉的載流子 22( )pppdSxdppDdxdx( )ppxxLLp xAeBepppLD通解為：通解為：其中：？ 穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散方程穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散方程針對(duì)厚樣品與薄樣品

32、可以近似求解654非平衡載流子的擴(kuò)散電流密度非平衡載流子的擴(kuò)散電流密度 電子和空穴是帶電粒子，它們擴(kuò)散形成了電子和空穴是帶電粒子，它們擴(kuò)散形成了擴(kuò)散電流擴(kuò)散電流?？昭〝U(kuò)散電流密度空穴擴(kuò)散電流密度: ( )()xppd pJqSqDdx 擴(kuò)電子擴(kuò)散電流密度電子擴(kuò)散電流密度: ( )()nnd n xJqSqDdx 擴(kuò)66(Jp)擴(kuò)(Jn)擴(kuò)(Jp)漂(Jn)漂, xhN-type 均勻半導(dǎo)體的電流：均勻半導(dǎo)體的電流： E(四種電流）四種電流）反方向反方向？675.7 5.7 載流子的漂移運(yùn)動(dòng)載流子的漂移運(yùn)動(dòng) 與愛因斯坦關(guān)系與愛因斯坦關(guān)系一、擴(kuò)散電流密度與漂移電流密度一、擴(kuò)散電流密度與漂移電流密度

33、1少子空穴電流少子空穴電流 （N N型材料，在型材料，在x x方向加光照、電場(chǎng)方向加光照、電場(chǎng) ）非平衡少子非平衡少子擴(kuò)散電流擴(kuò)散電流： ()ppd pJqDdx 擴(kuò)+x方向方向非平衡空穴和平衡空穴形成的非平衡空穴和平衡空穴形成的漂移電流漂移電流： 0()()ppJq pp 漂+x方向方向 少子電流密度：少子電流密度： pppd pJqpqDdx 682多子電子電流密度多子電子電流密度 非平衡多子形成的擴(kuò)散電流：非平衡多子形成的擴(kuò)散電流： ()nnd nJqDdx擴(kuò)-x方向方向 平衡多子與非平衡多子的漂移電流：平衡多子與非平衡多子的漂移電流： 0()()nnnJqnq nn 漂+x方向方向 6

34、9多子電流密度：多子電流密度： nnnd nJqnD qdx 3總的電流密度總的電流密度 J=Jp+Jnppnnd pd nqpqDqnqDdxdx 70二、愛二、愛 因因 斯斯 坦坦 關(guān)關(guān) 系系 DKTq 考慮一塊處于考慮一塊處于熱平衡狀態(tài)熱平衡狀態(tài)的非均勻的的非均勻的N型半型半導(dǎo)體導(dǎo)體，其中施主雜質(zhì)濃度隨，其中施主雜質(zhì)濃度隨x增加而下降，電增加而下降，電子濃度為子濃度為no(x)。擴(kuò)散擴(kuò)散導(dǎo)致出現(xiàn)靜電場(chǎng)。又使導(dǎo)致出現(xiàn)靜電場(chǎng)。又使得載流子產(chǎn)生得載流子產(chǎn)生漂移漂移。擴(kuò)散系數(shù)和遷移率的關(guān)系擴(kuò)散系數(shù)和遷移率的關(guān)系71電子擴(kuò)散電流密度：電子擴(kuò)散電流密度： 0n( )()qndn xJDdx擴(kuò)漂移電流：漂移電流： ()( )nonJnx q 漂平衡時(shí)，不存在宏觀電流，電場(chǎng)方向是反抗平衡時(shí)，不存在宏觀電流，電場(chǎng)方向是反抗擴(kuò)散電流，電子的總電流等于擴(kuò)散電流，電子的總電流等于0 Jn=(Jn)漂+(Jn)擴(kuò)=0 7200( )( )nndn xn xDdx ( )dV xdx 考慮附加的考慮附加的靜電勢(shì)靜電勢(shì)，導(dǎo)帶底的能量應(yīng)為，導(dǎo)帶底的能量應(yīng)為: Ec-qV(x) ( )0( )cxFEqV