东南大学微电子考研的资料半导体物理3半导体物理基础共66页文档

导带电子增加，意味 着EF更靠近EC。
EFEV
p0NVe k0T
价带空穴增加，意味 着EF更靠近EV。
引入准费米能级：
EC EFn
n NCe k0T
EFp EV
p NVe k0T
EF nEF P
EF nEF P
npn0p0e k0T ni2e k0T
非平衡态时，
np ni2
5.3. 非平衡载流子的衰减 寿命
5.1 nonequilibrium carriers G-R （非平衡载流子的产生与复合）
如果在外界作用下，平衡条件破坏，偏离了热 平衡的状态--非平衡状态。
载流子浓度： n , p
外界作用
h E 光
照射半导体表面
g
对p-n结施加偏压
光注入 电注入
外界作用使半导体中产生非平衡载流子的过 程叫非平衡载流子的注入（injection） 。
间接复合(indirect recombination):通过位于禁带中的 杂质或缺陷能级的中间过渡。
表面复合(surface recombination)：在半导体表面发生 的 复合过程。
从释放能量的方法分:
Radiative recombination (辐射复合)
Non-radiative recombination (非辐射复合)
小注入
n型半导体：
n—Majority carriers（多数载流子）
Δn—非平衡多数载流子；
p — Minority carriers （少数载流子），
Δp—非平衡少数载流子。 非平衡少数载流子在器件中起着极其重要的作用。
5.2. 非平衡载流子浓度的表达式
热平衡时：
ECEF
n0NCe k0T 外界作用
同理，得
EtEv
ep cpNve k0T cpp1
其中
Et Ev
p1 e k0T
表示EF与Et重合时价带的平衡空穴浓度。
复合中心达到稳定时：
俘获电子-发射电子=俘获空穴-发射空穴
cnnpt - e n n t = c p pn t - e p p t
又
en cnn1 和 ep cp p1
cnnpt en nt
外部条件拆除后，非平衡载流子逐渐消失，这 一过程称为非平衡载流子的复合。
np
光照引起的附加光电导：
qnnqpp
通过附加电导率测量可计算非 平衡载流子。
n, pnonerq iuucm ialrib rier
也称 excess carries (过剩载流子)
n型半导体：Δn=Δp《 n0， p型半导体 Δn=Δp《 p0
复合率
t=0时，光照停止，非子浓度的减少率为
ddpttpt
在小注入时，τ与ΔP无关，则
ptcet
设t=0时， ΔP(t)= ΔP(0)= (ΔP)0, 那么C= (ΔP)0，于是
ptp0et
t 时 , p p0
e
非平衡载流子的寿命主要与复合有关。
5.4. 非平衡载流子的复合机制
复合
直接复合(direct recombination):导带电子与价带空 穴直接复合.
光照刚停止，复合>产生 n、p 复合 复合=产生（恢复热平衡）
若外界条件撤除（如光照停止），经过一段时间后，系统才会 恢复到原来的热平衡状态。有的非子生存时间长、有的短。非子的 平均生存时间——非子的寿命τ。
1
单位时间内非子被复合掉的可能性 复合几率
p 单位时间、单位体积净复合消失的电子-空穴对
e n 电子产生(emission)率： nt
空穴俘获率：
c p pn t
空穴产生率：
ep pt
c p pn t
cnnpt en nt
ep pt
热平衡时： Un=0，Up=0
复合中心达到稳定
时：Un=Up
电子的净俘获率：
Un=俘获电子-发射电子 cnnpt - e n n t
= 空穴的净俘获率：
Up=俘获空穴-发射空穴=c p pn t - e p p t
Auger recombination (俄歇复合)
将能量给予其它载流子,增加它们的动能量。
1. direct/band-to-band recombination（直接复合）
净复合率=复合率-产生率
U=R-G
G
R
非平衡载流子的直接净复合
U d R G 0 r n r0 p p n 0 r ( n n p i 2 )
c p pn t e p p t
nt Nt cn(n (nn1n)c cpp 1c(pp)p1)
净复合率：
U=俘获电子-发射电子 cnnpt - en n t
=
注意到：
n1p1 ni2
U
npni2
1 cpNt
(nn1)cn1Nt
(pp1)
通过复合中心复合的普遍公式
U d R G 0 r n r0 p p n 0 r ( n n p i 2 )
U d R G 0 r n r0 p p n 0 r ( n n p i 2 )
n型材料
n n0 n p p0 p
np
U dr[n (0p 0) p p2]
非平衡载流子寿命：
U pd rn0p10p
小注入：
U pd rn01p0
2 间接复合(indirect recombination) 半导体中的杂质和缺陷在禁带中形成一定的能 级，它们有促进复合的作用。这些杂质和缺陷 称为复合中心。
Nt：复合中心浓度
nt：复合中心能级上的电子浓度
pt ：复合中心能级上的空穴浓度
* 俘获电子 * 发射电子 * 俘获空穴 * 发射空穴
Electron capture Electron emission Hole capture Hole emission
Nt：复合中心浓度
nt
pt
电子俘获(capture)率： cn npt
cnn0 pt0 = en nt 0
热平衡时： c n n 0N t n t0 e n n t0
Un=0
en cnn0(Ntnt0nt0)
nt0 Nt f(Et)
Nt
Et EF
e k0T 1
Ec Et
n1 Nce k0T
EF与Et重合时导
e c n 带的平衡电子浓度。 n n1
空穴俘获率=空穴产生率,Up=0 c p p0nt 0 =e p p twk.baidu.com0
U
n0pp0pp2
cp1Nt (n0n1p)cn1Nt (p0p1p)
非平衡载流子的寿命为
pcn(n 0n 1 p)cp(p 0p 1 p)
U
N tcncp(n 0p 0 p)
pcn(n 0n 1 p)cp(p 0p 1 p)
U
N tcncp(n 0p 0 p)