半导体中的非平衡载流子

1、School of Microelectronics 半导体中的载流子 School of Microelectronics1 非平衡载流子的产生与复合 平衡态半导体的标志就是具有统一的费米能级EF，此时的平衡载流子浓度n0和p0唯一由EF决定。平衡态非简并半导体的n0和p0乘积为 称n0p0=ni2为非简并半导体平衡态判据式。 2i000n)TkEgNcNvexp(pnSchool of Microelectronics 但是半导体的平衡态条件并不总能成立，如果某些外界因素作用于平衡态半导体上，如图所示的一定温度下用光子能量hEg的光照射n型半导体，这时平衡态条件被破坏，样品就处于偏离平衡态

2、的状态，称作非平衡态。 光照前半导体中电子和空穴浓度分别是n0和p0，并且n0p0。光照后的非平衡态半导体中电子浓度n=n0+n ，空穴浓度p=p0+p ，并且n=p ，比平衡态多出来的这部分载流子n和p就称为非平衡载流子。n型半导体中称n为非平衡多子，p为非平衡少子。图3.5 n型半导体非平衡 载流子的光注入School of Microelectronics光照产生非平衡载流子的方式称作非平衡载流子的光注入， 此外还有电注入等形式。通常所注入的非平衡载流子浓度远远少于平衡态时的多子浓度。例如n型半导体中通常的注入情况是n n0，p n0，满足这样的注入条件称为小注入。要说明的是即使满足小注

3、入条件，非平衡少子浓度仍然可以比平衡少子浓度大得多。 例如：磷浓度为51015cm-3 的n-Si，室温下平衡态多子浓度n0=51015cm-3，少子浓度p0=ni2/n0=4.5104cm-3，如果对该半导体注入非平衡载流子浓度n=p=1010cm-3，此时nn0，pp0，满足小注入条件。但必须注意尽管此时n(n0+p0)，则1/rp，复合过程中p减少使寿命不再是常数。Si、Ge两种半导体的寿命远小于直接复合模型所得到的计算值，说明直接复合不是主要机制。直接复合强弱与能带结构和Eg值等因素有关。200dp)(p)pn(Urrp)p(n1Up00drSchool of Microelectro

4、nics 2. 间接复合杂质和缺陷在半导体禁带中形成能级，它们不但影响半导体导电性能，还可以促进非平衡载流子的复合而影响其寿命。通常把具有促进复合作用的杂质和缺陷称为复合中心。实验表明半导体中杂质和缺陷越多，载流子寿命就越短。复合中心的存在使电子-空穴的复合可以分为两个步骤，先是导带电子落入复合中心能级，然后再落入价带与空穴复合，而复合中心被腾空后又可以继续进行上述过程。相反的逆过程也同时存在。 School of Microelectronics甲：电子由导带落入空的复合中心能级，称为复合中心甲：电子由导带落入空的复合中心能级，称为复合中心俘获电子俘获电子的过程的过程 电子俘获率电子俘获率

5、= rnn (Nt-nt)，rn电子俘获系数电子俘获系数乙：电子由复合中心被激发到导带（甲的逆过程），称为乙：电子由复合中心被激发到导带（甲的逆过程），称为发射电子发射电子过程过程 电子产生率电子产生率 = s-nt ，s- 电子激发几率电子激发几率丙：电子由复合中心能级落入价带与空穴复合，称为复合中心丙：电子由复合中心能级落入价带与空穴复合，称为复合中心俘获空穴俘获空穴的过程的过程 空穴俘获率空穴俘获率 = rppnt ，rp空穴俘获系数空穴俘获系数丁：电子由价带被激发到空的复合中心能级（丙的逆过程），称为丁：电子由价带被激发到空的复合中心能级（丙的逆过程），称为发射空穴发射空穴过程过程 空

6、穴产生率空穴产生率 = s+(Nt-nt) ，s+空穴激发几率空穴激发几率间接复合的四个过程间接复合的四个过程(Nt复合中心浓度，复合中心浓度，nt复合中心能级上电子浓度复合中心能级上电子浓度)过程前过程前过程后过程后微观过程（相对复合中心而言）微观过程（相对复合中心而言） 及表达式及表达式School of Microelectronics 非平衡载流子的复合率)TkEt-Eiexp(n)TkEt-EiEi-EcNcexp()TkEtEcNcexp(n0i001)TkEt-exp(n)TkEt-EvNvexp()TkEtEvNvexp(p0i001EiEiEi)p(pr)n(nr)n(npr

7、NtrU1p1n2ipnSchool of Microelectronics电子空穴对的净复合率：电子空穴对的净复合率：2i11npn非平衡载流子的复合率非平衡载流子的复合率1p1n2ipntpprnnrnnprrNU上式是通过复合中心复合的普遍理论公式上式是通过复合中心复合的普遍理论公式甲丁甲丁 = 乙丙乙丙 电子积累电子积累电子减少电子减少或者：甲乙丙丁或者：甲乙丙丁导带减少导带减少的电子数的电子数价带减少价带减少的空穴数的空穴数稳定条件：稳定条件：非平衡载流子的复合率甲乙丙丁非平衡载流子的复合率甲乙丙丁School of MicroelectronicsppnrrNppprpnnrUp0

8、0pnt10p10n非平衡载流子的寿命非平衡载流子的寿命 （注：一种复合中心、浓度较小、稳态时）（注：一种复合中心、浓度较小、稳态时）ptp1rNntn1rN小注入条件：小注入条件：)(00pnp讨论讨论（一般复合中心一般复合中心rn与与rp相差不大）：相差不大）： n型半导体型半导体(强强n型区型区)：n0p0, n1, p1 p型半导体型半导体(强强p型区型区)：p0n0, n1, p1School of Microelectronics由于复合中心对非平衡载流子的俘获能力强，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大大超过直接复合的俘获系数r，所以复合

9、中，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。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。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实例：金在硅中的复合作用n型：型：EtA作用，作用，Au对空穴的对空穴的rp作用作用p型：型：EtD作用，作用，Au对电子的对电子的rn作用作用l通过控制金浓度，可以改变少数载流子寿命通过控制金浓度，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

10、数载流子寿命的有效手段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金在硅中的两种能级n型型 p型型School of Microelectronics3. 表面复合表面复合寿命长表面光洁寿命短表面粗糙样品愈大，寿命愈长样品愈小，寿命愈短存在表面复合存在表面复合原因原因吸附杂质缺陷表面晶格的不完态引入禁带中引入复合中心能级禁带中引入复合中心能级间接复合间接复合School of Microelectronics表面复合率表面复合率：单位时间内通过单位表面积复合掉的电子：单位时间内通过单位表面积复合掉的电子空穴对数目空穴对数目 。 l同时考虑体内复合与表面复合时，同时考虑

11、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。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。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率表面复合速度表面复合速度表面薄层内非平衡载流子的浓度表面薄层内非平衡载流子的浓度Us=S(p)sSchool of Microelectronics5 陷阱效应 杂质能级积累非平衡载流子的作用称为陷阱效应 具有显著陷阱效应的

12、杂质能级为陷阱中心陷阱效应对多数载流子是不显著的，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，陷阱作用最强杂质能级与平衡时的费米能级重合时，陷阱作用最强 。陷阱的存在大大陷阱的存在大大增长了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。一些物理过程可能产生重要影响。School of Microelectronics 外加电场E E时电子及空穴的漂移电流密度 外加电场E E时电子及空穴的电流密度（漂移，扩散） 6 载流子的漂移运动，爱因斯坦方程pppnnnqnppqJqnnnqJ)()()()(00漂漂dxxndqDqnJdxxpdqDqpJnnnppp)()(School of Microelectronics 对热平衡时非均匀半导体，载流子的扩散运动必然导致体内产