半导体器件中的载流子寿命及其控制原理

半导体器件中的载流子寿命及其控制原理

微电子器件2011-01-21 17:42:18 阅读106 评论0 字号：大中小订阅

（为什么少子寿命对器件的开关特性、导通特性和阻断特性有很大的影响？

器件的开关特性、导通特性和阻断特性对于少子寿命长短的要求分别怎样？）

Xie Meng-xian. (电子科大，成都市)

半导体中的非平衡载流子寿命是半导体的一个基本特性参数，它的长短将直接影响到依靠少数载流子来工作的半导体器件的性能，这种器件有双极型器件和p-n结光电子器件等。但是，对于在结构上包含有p-n结的单极型器件（例如MOSFET）也会受到载流子寿命的影响。

非平衡载流子寿命主要是指非平衡少数载流子的寿命。影响少子寿命的主要因素是半导体能带结构和非平衡载流子的复合机理；对于Si 、Ge、GaP等间接禁带半导体，一般决定寿命的主要因素是半导体中的杂质和缺陷。

对于少子寿命有明显依赖关系的电子器件特性，主要有双极型器件的开关特性、导通特性和阻断特性；对于光电池、光电探测器等之类光电子器件，与少子寿命直接有关的特性主要有光生电流、光生电动势等。

（1）少子寿命对半导体器件性能的影响：

①双极型器件的开关特性与少子寿命的关系：

双极型器件的开关特性在本质上可归结为p-n结的开关性能。

p-n结的开关时间主要是关断时间，而关断时间基本上就是导通时注入到扩散区中的少子电荷消失的过程时间（包括有存储时间和下降时间两个过程）。少子寿命越短，开关速度就越快。因此，为了提高器件的开关速度，就应该减短少子寿命。

②器件的阻断特性与少子寿命的关系：

半导体器件在截止状态时的特性——阻断特性，实际上也就是p-n结在反向电压下反向漏电流大小的一种反映。因此，这里器件的阻断特性不单指双极型器件，而且也包括场效应器件在内。

p-n结的反向漏电流含有两个分量：一是两边扩散区的少子扩散电流，二是势垒区中复合中心的产生电流；这些电流都与少子寿命有关，载流子寿命越长，反向漏电流就越小，则器件的阻断特性也就越好。当载流子寿命减短到一定程度时，反向电流即大幅度地上升，就会产生反向电流不饱和的“软”的阻断特性。

一般，硅p-n结的反向漏电流主要是势垒区复合中心的产生电流，因此载流子的产生寿命将严重地影响到器件的阻断特性。所以注意工艺控制，减小杂质和缺陷的不良影响，对于提高器件的阻断特性至关重要。

总之，为了获得良好的器件阻断特性，要求器件应该具有较长的少数载流子寿命。为此，半导体的掺杂浓度不可太高，势垒区中的复合中心浓度要尽量减少。

③器件的导通特性与少子寿命的关系：

半导体器件导通特性的好坏可以用它的导通电阻或者导通压降来表征；导通压降越低，器件的大电流性能就越好，器件的功率处理能力也就越强。对于双极型器件，从本质上来看，它的导通特性实际上可近似地归结为p-n结的正向导通特性；而对于双极型功率器件而言，其正向导通特性可归结为pin二极管的导通特性。

因为一般p-n结的正向电流主要是少子扩散电流，则少子寿命越短，少子的浓度梯度越大，正向电流就越大，于是在同样电流情况下的导通压降也就越低。所以少子寿命宜较短一些。

但是，对于pin结则有所不同，因为pin结处于正偏时，即有大量电子和空穴分别从两边注入到本征的i型层，则必为“大注入”；这时可以认为i型层中的电子浓度等于空穴浓度，并且均匀分布，即n=p=const。正是由于在i型层中存在大量的两种载流子，所以必然会产生电导调制效应，使得pin结的正向电压降低。

而pin结的正向导电是由载流子渡越i型层（势垒区）时的复合过程所造成的，则pin结的导通特性与i型层中载流子的复合寿命有很大的关系。在此考虑到大注入的强烈影响，因此决定载流子寿命的因素除了大注入下的寿命——双极复合寿命τa以外，还需要计入Auger复合的寿命τA，于是应该采用有效寿命τeff的概念。由于i层载流子的有效寿命越长，在大注入情况下该层的电导调制效应就越强，则器件的正向压降也就越低，因此pin结的正向压降与载流子有效寿命成反比。然而，有效寿命将随着正向电流密度的增大而减短，特别是在大电流密度时，有效寿命将显著变短，从而会导致正向压降很快增加。

（2）载流子寿命的控制原理：

如上所述，对于功率器件而言，它的开关特性要求载流子寿命越短越好，而它的阻断特性和导通特性却要求载流子寿命越长越好。因此，同一种半导体器件的不同特性，对于载流子寿命的要求不一定相同。这就产生了一个所谓寿命优化的问题，即如何综合考虑、恰当地选取载流子的寿命，以使得器件的特性能够最大限度地满足使用要求。

对于Si等半导体器件，影响载流子寿命的主要因素是缺陷和有害杂质构成的复合中心的浓度以及半导体的本底掺杂浓度。复合中心的重要特性参数是它的能级位置以及俘获截面。在复合中心的能级位置和半导体掺杂浓度适当时，复合中心将成为最有效的复合中心，则对载流子寿命的影响最大。

一般，复合中心能级越深（即越靠近本征Fermi能级）、半导体掺杂浓度越高（即Fermi能级越靠近能带边），复合中心就越有效。例如，位于导带底以下0.54eV的复合中心一般就满足该条件，为一个最有效的复合中心；而位于导带底以下0.3eV的复合中心则是无效复合中心。

实际上，最有效的复合中心也具有较小的对两种载流子的俘获截面之比（接近1）。总之，复合中心的能级越靠近禁带中央，而且其俘获截面比越接近1，则该复合中心就越有效，寿命也就越短。在小注入时，少子寿命与注入水平无关，而仅决定于复合中心的能级位置和俘获截面之比；在大注入时，任何复合中心决定的载流子寿命都将趋于双极寿命τa=τno+τpo（仅决定于复合中心的浓度和俘获截面之比）。

a）兼顾高阻断特性和高开关速度特性的优选复合中心：

为了提高器件的开关速度，应该少子的小注入寿命尽可能短，即要求复合中心能级靠近禁带中央和俘获截面比接近1；但是，为了提高器件的阻断能力，应该少子的产生寿命尽可能长，即要求复合中心能级远离禁带中央和俘获截面比大于1。这种对载流子寿命的矛盾要求，也就意味着少子的产生寿命τs与少子的复合寿命τp之比（τs/τp）应该取极大值。

分析表明：①τs/τp比值的大小与复合中心的性质（能级位置和俘获截面比）无关，但只有在适当的能级位置、俘获截面比和温度情况下才能达到最高值；②复合中心能级靠近能带边（Ec或者Ev）时，τs/τp 比值最大；③最大的τs/τp比值与掺杂浓度和俘获截面比有关，并且掺杂浓度越低、俘获截面比越大，则不