半导体物理课件复合理论

§5.4复合理论复合过程有两种：1、直接复合：电子在导带和价带之间的直接跃迁，引起电子和空穴的直接复合。2、间接复合：电子和空穴通过禁带的能级（复合中心）复合。有体内复合和表面复合。放出能量的方式有：1、发射光子，辐射复合。2、发射声子；3、将能量传给其它载流子，俄歇复合。一.带间直接复合-产生机制（Radiationrecombination)假定复合率R正比于载流子浓度n、p为：

R=rnp，其中r为复合系数。热平衡(n0

、p0)时应该有：R0

=rn0p0，且有G0

=R0；当处于非平衡(n,p)时，有：U=R-R0=rnp-rn0p0

=r(np-n0p0)，过剩载流子的寿命和净复合率的关系：在小注入情况下（

n、

p<<多子浓度）的近似在大注入情况下（

n、

p>>多子浓度）的近似小注入情况下,当温度和掺杂一定时,寿命是一个常数.寿命与多数载流子浓度成反比.半导体电导率越高,寿命就越短.大注入情况下,寿命随非平衡载流子浓度而改变,复合过程中,寿命不再是常数二.通过复合中心的复合－间接复合各过程的载流子产生或俘获率甲电子俘获率乙电子产生率丙空穴俘获率丁空穴产生率各比例系数的含义rn电子俘获系数s-电子产生概率rp空穴俘获系数s+空穴产生概率热平衡状态下的关系引入甲电子俘获率乙电子产生率丙空穴俘获率丁空穴产生率=稳态下，复合中心能级上由甲、丁过程造成的电荷积累与乙、丙过程造成的电荷减少应维持不变；解得

通过对此产生-复合机构中的产生率和复合率的分析，可以得出这种复合机构所决定的过剩载流子寿命的具体形式Et为复合中心能级,Nt为其浓度rn,rp分别是它对电子和空穴的俘获系数.寿命值取决于n0，p0，n1，p1及Δp的大小，小注入情况下，分别由EC-EF，EF-EV，EC-Et，Et-EV决定。讨论：小注入（

n、

p<<多子浓度）时，有如下近似：强N型半导体在小注入的情况下，有n0

>>p1

、n1

>>p0

，代入上式，得：

n=

p=

p0＝1/rpNt；费米能级更靠近Ec，复合中心能级Et上被电子全部占满，此时由Et对空穴（少子）的俘获能力决定。EcEvEFEt强P型半导体在小注入的情况下，有p0

>>p1

、n1

>>n0

，代入上式，得：

n=

p=

n0＝1/rnNt

；EcEvEFEt假定Et位于禁带下半部，E’t

与Et

关于Ei对称，若Ef在Ei和E’t之间，为n型高阻区，n0，p0，p1，n1

中p1>>n0,p0,n1

＝p1/rnNtn0同样，p型样品高阻区也有：

＝p1/rpNtp0高阻样品中，寿命与多数载流子浓度成反比，与电导率成反比。若Et能级位于禁带的上半部，更接近导带底，则公式中的分子应为n1EcEvEFE’tEtEi

三、影响过剩载流子寿命的几个因素：

复合中心能级的位置对寿命的影响可见，当复合中心位置处于禁带中央时（位于禁带中央附近的深能级），其寿命最小、复合效率最大，是最有效的复合中心。也表明：浅能级杂质不能起到复合中心的作用。载流子浓度（费米能级位置）对寿命影响同前面的过程一样，等号在n0

=p0

=ni时成立（本征情况）。可见，当n0

=p0

=ni

、EF

=Ei

时，过剩载流子的寿命最长、复合效率最低。

温度对过剩载流子寿命的影响以N型半导体为例，假定Et位于禁带中央的上部；当温度改变时，费米能级EF

的位置要发生变化：a段：当温度较低时，EF处于Et之上，处于强N型区，有n0>>n1>>p1>>p0

，故有：此时，τ的温度系数由rp

的温度系数确定。

b段：当温度升高，EF

变到Et

以下，处于弱N型区，有n1>n0>>

p0>>p1

，故有：在载流子浓度不变的条件下（杂质完全电离，本征激发尚未开始），τ的温度系数由rp

和n1

的温度系数决定，此时，n1

温度系数占主要影响。c段：当温度继续升高，进入本征激发范围时，则有n0=p0=ni>>p1，故：可见，由于ni随温度升高，而且增加得比n1

更快，故在此温度段内，τ随温度升高而下降深能级杂质的作用深能级杂质通常不提供载流子，对导电无贡献；深能级杂质显示的带电问题：当费米能级高于杂质能级时，杂质能级被电子填充，杂质带负电，显示为受主态；当费米能级低于杂质能级时，杂质能级无电子，显示施主态，杂质带正电；可做为有效的复合中心，缩短非平衡载流子的寿命。金掺入硅中引入2个深能级，可做为n,p型硅开关器件的掺杂杂质。三、表面复合样品表面粗糙、尺寸小也都会降低少子寿命，相当于在表面引入复合中心，促使载流子在表面进行复合,表面复合率为：表示单位时间通过单位表面积复合而消失的空穴-电子对的数目。S具有速度量纲，由于表面复合而消失的非平衡载流子如同以垂直表面的速度S流出了表面。少子寿命值是结构灵敏参数双极型器件为少子器件，应用寿命长的材料，生产中获得光滑表面以减少载流子复合。半导体测量中，为消除探针注入所带来的误差影响，须用粗糙表面以增大表面复合来进行测量。材料中的（某些）杂质、缺陷、表面状态均会促进复合，导致非平衡载流子寿命降低。

四.带间俄歇（Auger）产生-复合机制（Non-Radiationrecombination）带间俄歇复合是一个“三粒子”过程。复合率与n2p或np2成正比。对于两个电子和一个空穴过程：Ree＝ren2p对于两个空穴和一个电子过程：Rhh＝rhnp2

re，rh为俄歇复合系数。与俄歇复合过程相反的电子空穴对的产生过程是碰撞电离。足够高的电子与价带中的电子碰撞使电子激发到导带产生电子空穴对。Gee＝gen；Ghh＝ghp

ge，gh

是相应的产生系数。热平衡时，

Ree0＝Gee0，Rhh0＝Ghh0

ge＝

ren0p0=reni2

，gh＝

rhn0p0=rh

ni2净复合率过剩载流子寿命：作业1、什么是过剩载流子？什么是小注入和大注入条件？什么准费米能级？2、半导体中非平衡载