4.非平衡载流子.ppt

固体电子学基础 II姜胜林华中科技大学电子系教授，博士生导师西七楼309室，Tel: 87542693Email: 2007年1半导体中的电子状态半导体中的电子状态3载流子输运载流子输运4非平衡载流子非平衡载流子5p pn n结结6半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构7金属和半导体的接触金属和半导体的接触9半导体的热电性质半导体的热电性质8异质结异质结2半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布40学时本章内容提要本章内容提要4非平衡载流子非平衡载流子n n非平衡载流子概念非平衡载流子概念n n产生与复合过程产生与复合过程n陷阱效应n连续性方程式表面复合中心非平衡载流子的基本性质及其运动规律（激发、运动、复合）光敏电阻二极管整流晶体管的放大光电发光.重要的半导体效应重要的半导体效应半导体物理重要内容之一半导体器件工作原理的基础热激发（本征）导带电子价带空穴载流子复合晶格晶格热平衡状态T1热平衡载流子：一定温度下，处于热平衡状态下的导电电子和空穴热激发（本征）导带电子价带空穴载流子复合晶格晶格热平衡状态T14.1 4.1 非平衡载流子及其寿命非平衡载流子及其寿命处于热平衡状态的半导体，在一定温度下载流子浓度是一定的平衡载流子浓度n0、p0非简并半导体处于热平衡状态的判据式 本征载流子浓度ni只是温度的函数 在非简并情况下，无论掺杂多少，平衡载流子浓度必定满足上式1.非平衡态和非平衡载流子价带电子 晶格原子热振动获取能量 激发到导带电子空穴产生导带电子价带空穴交给晶格原子多余的能量复合、消失电子空穴复合在单位时间、单位体积内产生的数目Q产生率在单位时间、单位体积内消失的数目R复合率产生 复合稳态相互平衡热平衡状态（动态、相对） 非平衡态：处于热平衡态的半导体，在外界条件作用下，破坏了 平衡条件，处于与热平衡态相偏离的状态。

非平衡载流子：比平衡状态多出来的部分载流子（过剩载流子）n 、p 表示非平衡状态的载流子浓度n0、p0表示热平衡状态的载流子浓度非平衡载流子浓度n = n n0p = p p0 一般讨论n0（或p0）即存在过剩载流子的情况2.非平衡少数载流子注入及附加电导非平衡载流子的注入：外界作用使半导体中产生非平衡载流子的过程 光注入：适当波长的光照射半导体表面 电注入：pn结施加正向偏压（Why？） 光照产生非平衡载流子满足一定条件外电压下pn结势垒的变化及载流子的运动正偏压时势垒变化正向偏压与内建电场相反势垒区电场宽度高度扩散大于漂移ppnn与n区电子复合n区空穴扩散流空穴积累 正向偏压下载流子分布如何变化的？代表什么？扩散大于漂移n区电子通过势垒区流入p区p区空穴通过势垒区流入n区非平衡少数载流子的电注入电子积累p区电子扩散流与p区空穴复合p区空穴p区电子n区电子n区空穴扩散区说明： 一般情况下，注入的非平衡载流子浓度比平衡时的多数载流子浓度要少得多，n = pn0（n型） n = pp0 （p型） 满足此条件的注入称为小注入反之，称为大注入 即使在小注入的情况下，非平衡载流子浓度还是可以比平衡时的少数载流子浓度多 。

通常即说的非平衡载流子，一般都是指非平衡少数载流子n型半导体：平衡状态时的电子是多数载流子； 非平衡态时注入的电子n称为非平衡多数载流子， 而注入的空穴p称为非平衡少数载流子p型半导体：平衡状态时的空穴是多数载流子；非平衡态时注入的空穴p称为非平衡多数载流子， 注入的空穴n称为非平衡少数载流子3.准费米能级热平衡时非简并半导体： 统一的费米能级是热平衡状态的标志非平衡状态下： 非平衡载流子能量晶格基本热平衡很快分别具有平衡态时能量分布和速度分布 局部费米能级（准费米能级）：导带、价带费米能级可以认为费米能级和统计分布函数对导带和价带各自仍然适用说明： 电子在导带和价带之间，隔着禁带，热跃迁要稀少得多，导带价带之间处于不平衡 l 原热平衡是指导带和价带之间的平衡l 一般在非平衡态时，总是多数载流子的准费米能级和平衡时的费米能级偏离不多，而少数载流子的准费米能级则偏离很大l 的大小反映了偏离热平衡态的程度( )画出p型半导体（小注入时）的准费米能级图说明：准费米能级可以更形象地了解非平衡态的情况如果 ，两个能带之间达到平衡，成为统一的EFl 非平衡载流子浓度越大，准费米能级偏离平衡费米能级越远。

l 准费米能级可以更形象地了解非平衡态的情况（pn结）准费米能级偏离能级的情况热平衡时的费米能级n型半导体的准费米能级4.非平衡载流子的衰减及寿命(1)光注入(2)光照停止光注入引起附加光电导随时间按指数规律减少非平衡载流子的寿命外界作用消失后，非平衡载流子在导带和价带中有一定的生存时间，其平均生存时间称为非平衡载流子的寿命，理论推导为非平衡载流子浓度 衰减到原来数值1/e 所经历时间u值越大，非平衡载流子复合得愈慢； 越小，则复合越快u 相对非平衡多数载流子而言，非平衡少数载流子的影响处于主导的、决定的地位，因此，非平衡载流子的寿命常称为少数载流子寿命u与半导体中的缺陷以及深能级杂质的存在有着直接的关系u 非平衡载流子在单位时间内被复合消失的几率为1/ ，复合率非平衡载流子随时间的衰减非平衡载流子的寿命 发射光子 发射声子 转移能量：（载流子间，Auger）4.2 4.2 非平衡载流子的复合非平衡载流子的复合复合机构直接复合间接复合能量表面复合中心放出1.直接复合定义：导带中的电子直接落入价带与空穴复合，使一对 电子空穴消失光或热复合产生EcEv热平衡时：Q0（产生率）=R0（复合率）光照非平衡态建立新的动态平衡产生率Q=复合率RR=r n p（即复合率应与n、p有关，n、p，直接复合机会大） 复合系数r由于非平衡载流子频繁与晶格交换能量，使非平衡状态下的载流子具有平衡态时的速度分布和能量分布，r可以通用 光照停止后： URQ0非平衡载流子复合率载流子的复合率热产生率非平衡载流子的复合率(1)小注入条件下pn0+p0 (2)大注入条件下pp0, n1, p1 p型半导体(强p型区)：p0n0, n1, p1大注入条件：n=pn0, p0, n1, p1比较 直接复合 间接复合小注入大注入n型p型 由于复合中心对非平衡载流子的俘获能力强，rp，rn大大超过直接复合的俘获系数r，所以复合中心的存在大大促进了非平衡载流子的复合，降低了材料的寿命。

杂质半导体中的复合过程有两类，且与材料的能带结构有关 实例：金在硅中的复合作用n型：EtA作用，Au对空穴的rp作用p型：EtD作用，Au对电子的rn作用l 通过控制金浓度，可以改变少数载流子寿命l 少量的有效复合中心改变寿命，对电阻率影响小l 开关器件及有关电路中作为缩短少数载流子寿命的有效手段金在硅中的两种能级n型 p型3.表面复合存在表面复合原因禁带中引入能级间接复合表面复合率：单位时间内通过单位表面积复合掉的电子空穴对数目 l 同时考虑体内复合与表面复合时，这时寿命要比单纯地由体内复合决定的寿命更短些l 表面复合对性能有决定性影响，希望它尽可能低些 l 为了提高晶体管和集成电路的稳定性和可靠性，必强获得良好而稳定的表面条件 表面复合率表面复合速度表面薄层内非平衡载流子的浓度Us=S(p)s4.3 4.3 陷阱效应陷阱效应热平衡时 平衡时EF 一定数目的电子在施主、受主、复合中心或其他杂质能级上引入n，p 能级中的电子数目发生变化占据杂质能级的非平衡载流子没有导电能力 陷住陷阱效应1.定义一般把具有显著陷阱效应（即积累的非平衡载流子数目可以和导带价带中的非平衡载流子数目相比拟）的杂质能级称为陷阱，相应的杂质或缺陷为陷阱中心。

复合中心：空穴陷阱：电子陷阱：陷阱效应：杂质能级积累非平衡载流子的作用2.特征 陷阱效应对多数载流子是不显著的，一般都是指少数载流子的陷阱效应 杂质能级与平衡时的费米能级重合时，陷阱作用最强 Why) 陷阱的存在大大增长了从非平衡态恢复到平衡态的驰豫时间，对半导体中的一些物理过程可能产生重要影响电子产生率=s-nt ， s- 为电子激发几率电子俘获系数4.4 4.4 非平衡状态下载流子的运动非平衡状态下载流子的运动1.非平衡载流子的扩散运动和扩散电流非平衡载流子的扩散扩散流密度：单位时间通过垂直于单位面积的载流子数，用Sp表示 扩散系数 浓度梯度 稳态扩散：扩散和复合达到平衡，内部各点少数载流子浓度不随时间变化稳态扩散方程空穴的积累率 求解：（非平衡载流子的扩散长度） 复合而消失的空穴数当 时：代入边界条件：Lp：扩散长度就是非平衡载流子从注入表面向体内边扩散边复合， 其浓度由(p)0降低到(p)0/e所经过的距离2.非平衡载流子的漂移运动和漂移电流非平衡载流子的漂移和扩散扩散和漂移同时存在时 ：小注入情况下： （1）漂移电流是多子的主要电流形式 2）扩散电流是少子的主要电流形式 3.爱因斯坦关系式存在联系非均匀半导体中（n，p）载流子的扩散和漂移4.连续性方程载流子的漂移和扩散空穴浓度（x，t）扩散：空穴积累率 =漂移：空穴积累率 =复合：其他：gpx处空穴随时间的变化率=x处空穴积累率+x处空穴产生率x处空穴复合率连续性方程（漂移、扩散同时存在时少数载流子）说明：样品足够厚时，注入空穴所产生的扩散电流密度就相当于该处的过剩空穴以速度Dp/Lp运动的结果，注入表面处（x=0）的空穴电流密度为 假设在一块均匀掺杂的n型半导体某一表面恒定注入少数载流子p，计算小注入情况下的电流密度。

恒定注入少子 （一维稳态扩散方程式） 样品足够厚 (1)求恒定注入下的电流密度：应用：u 光照在均匀掺杂的n型半导体中均匀地产生非平衡载流子u 稳定时，过剩空穴浓度为(p)0 ut=0时，光照停止，gp=0 (2)求电导衰减法测寿命。