国家信息安全应急响应计划标准制定

第一章光电材料与器件基础第一章主要内容

半导体基础

非平衡载流子

PN结、金属-半导体结半导体异质结构主要内容半导体基础1.电子波函数、布洛赫定理

(1-2)(1-1)一、半导体基础1.电子波函数、布洛赫定理(1-2)(1-1)一、半导体基(1-2)(1-3)(1-4)(1-5)(1-5)(1-5)(1-2)(1-3)(1-4)(1-5)(1-5)(1-5)(1-6)k(1-6)k7.在有限大小的实际晶体中，采用波恩-卡门周期性边界条件，波矢量k具有如下性质：波矢量k标志着晶体中电子的运动状态，每个波矢量k代表电子在晶体中的一个空间运动量子态；

k限制在第一布里渊区；在第一布里渊区k取分立值；每个k的代表点所占的体积为；单位k空间状态密度为；每个倒原胞中k的代表点数等于晶体的总原胞数N。7.在有限大小的实际晶体中，采用波恩-卡门周期性边界条件，2.能带kkk2.能带kkk

kkkk3.有效质量k空间中具有9个分量的三维二阶张量3.有效质量k空间中具有9个分量的三维二阶张量

4.电子、空穴1.能带理论指出，如果一个晶体具有不满的能带存在，则该晶体具有导电性。2.在热平衡情况下，由于电子在状态中的对称分布，诸电子对电流的贡献彼此两两抵消，无论是满带电子还是不满带中的电子都不能引起电导。3.在有电场的情况下，满带中的电子也不能起导电作用，不满带中的电子有导电作用。4.半导体和绝缘体的差别仅在于半导体禁带宽度比较窄。5.空穴处于波矢量k描述的状态，携带电荷+q，具有正的有效质量。4.电子、空穴1.能带理论指出，如果一个晶体具有不满的能带

5.杂质和缺陷能级5.杂质和缺陷能级

6.载流子的统计分布6.载流子的统计分布

国家信息安全应急响应计划标准制定国家信息安全应急响应计划标准制定多子少子*施主浓度增加，EF靠近导带底。导带之下本征费米能级之上多子施主浓度增加，EF靠近导带底。导带之下本征费米能级之上国家信息安全应急响应计划标准制定国家信息安全应急响应计划标准制定国家信息安全应急响应计划标准制定简并半导体在重掺杂半导体中费米能级可以接近或进入能带，这种现象称为载流子的简并化，这种半导体为简并半导体。使用费米分布函数来分析能带中载流子的统计分布。简并半导体中，杂质浓度增加到一定程度会使杂质能级形成杂质带并形成能带的带尾。带尾使n型半导体的禁带变窄，p型半导体的禁带变宽。隧道结器件和半导体激光器都是使用重掺杂的简并半导体。简并半导体7.载流子的散射和输运7.载流子的散射和输运国家信息安全应急响应计划标准制定国家信息安全应急响应计划标准制定4.处于Ec以上能级的电子和Ev以下能级的空穴都具有一部分动能。当有外电场加于半导体时，能带图会倾斜，给电子和空穴以动能。5.有时由于偶然或需要的原因，会在半导体中引入非均匀的杂质分布。非均匀的杂质分布会在半导体中形成电场，成为自建电场，这种自建电场往往被应用来改进器件的性能。4.处于Ec以上能级的电子和Ev以下能级的空穴都具有一部分二、非平衡载流子非平衡态：对半导体施加外界作用，破坏了热平衡的条件，使系统处于对平衡态的相偏离的状态。相应的：n=n0+∆np=p0+∆p且∆n=∆p非平衡载流子：∆n和∆p（过剩载流子）1、非平衡载流子的注入与复合二、非平衡载流子非平衡态：对半导体施加外界作用，破坏了热平衡

载流子的光注入：用光照射半导体产生非平衡载流子的方法。小注入大注入：注入的过量载流子浓度∆n可以和热平衡多子浓度n0相比较。So，非平衡少数载流子在器件中起重要作用非平衡少数载流子非平衡载流子载流子的光注入：用光照射半导体产生非平衡载流子的方法。小注

载流子的电注入：PN结加正向偏压金属和半导体接触载流子的电注入：PN结加正向偏压金属和半导体接触

非平衡载流子的复合：当外界作用撤除后，即停止注入，系统从非平衡态回到平衡态，电子-空穴对成对消失的过程。载流子的产生率：单位时间单位体积内产生的载流子数目；载流子的复合率：单位时间单位体积内复合的载流子数目；产生率vs复合率非平衡载流子的复合：当外界作用撤除后，即停止注入，系统从国家信息安全应急响应计划标准制定国家信息安全应急响应计划标准制定

寿命标志着非平衡载流子浓度减小到原值的1/e所经历的时间。寿命不同，衰减的快慢不同。讨论：非平衡载流子平均生存时间（等于寿命）：

不同的材料寿命不同。一般，锗比硅容易获得较高寿命，而GaAs的寿命很短（10-8～10-9s）。寿命标志着非平衡载流子浓度减小到原值的1/e所经历的时间。光照时，R>>r

，电阻变化很小，I

不变。直流光电导衰减法测寿命

电路中，半导体的电阻为r，串联电阻为R，R>>r

。外加电压为V光照时，R>>r，电阻变化很小，I不变。直流光电在非平衡状态下费米能级失去了意义。非平衡态的电子与空穴各自处于热平衡态--准平衡态，但具有相同的晶格温度：2、准费米能级在非平衡状态下费米能级失去了意义。非平衡态的电子与空穴各自

无论是电子还是空穴，非平衡载流子越多，准费米能级偏离EF就越远，但EFn、EFp偏离EF的程度不同。对于n型半导体，小注入条件下，∆n<<

n0，有n>n0，因而EFn比EF更靠近导带，但偏离EF甚小；而EFp比EF更靠近价带，且比EFn更显著的偏离EF。

一般在非平衡态时，往往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。讨论：无论是电子还是空穴，非平衡载流子越多，准费米能级偏离EF就国家信息安全应急响应计划标准制定

直接复合电子-空穴对的复合3、复合机制aba：电子-空穴对的复合b：电子-空穴对的产生复合率：R=rnp

r为复合系数

在一定温度下，r有完全确定的值，与电子浓度n和空穴浓度p无关。直接复合电子-空穴对的复合3、复合机制aba：

对于非简并情况，产生率基本相同，就等于热平衡的产生率G0，即

G=G0=R0=rn0p0

在非平衡情况下，电子-空穴对的净复合率：

U=R–G=r(np-n0p0)

≈r(n0+p0)

+r(∆p)2

过剩载流子的寿命：

对于非简并情况，产生率基本相同，就等于热平衡的产生率G0讨论：小注入条件，∆p<<n0+p0非平衡载流子的寿命为常数（a）对于n+型，n0>>p0（b）对于p+型，n0<<p0（c）对于本征半导体，在掺杂半导体中，非平衡少子的寿命比在本征半导体中的短非平衡少子寿命和多子浓度成反比，即和杂质浓度成反比讨论：非平衡载流子的寿命为常数（a）对于n+型，n0>>

间接复合通过复合中心（杂质和缺陷能级）abcda：电子被复合中心俘获；b：复合中心上的电子激发到导带；c：空穴被复合中心俘获；d：空穴的产生间接复合通过复合中心（杂质和缺陷能级）abcda：a、电子的俘获过程：Nt

：复合中心的浓度nt：复合中心能级Et上的电子浓度Nt-nt

：未被电子占据的复合中心的浓度

电子的俘获率RnRn=Cnn(Nt-nt)Cn为电子的俘获系数a、电子的俘获过程：Nt：复合中心的浓度在非简并情况下，可以认为导带基本上是空的，电子被激发到导带的激发概率Sn与导带电子浓度无关。电子的产生率为：Gn=Snntb、电子的产生过程：在热平衡情况下，电子的产生率和俘获率相等：Snnt=Cnn0(Nt-nt0)在非简并情况下，可以认为导带基本上是空的，电子被激发到导带的c、空穴的俘获过程：只有被电子占据的复合中心才能从价带俘获空穴，所以电子的俘获率RpRp=Cppnt

Cp为空穴的俘获系数c、空穴的俘获过程：只有被电子占据的复合中心才能从价带俘获d、空穴的产生过程：在非简并情况下，空穴的产生率为：

Gp=Sp(Nt–nt)d、空穴的产生过程：在非简并情况下，空穴的产生率为：

从电子的产生和俘获过程，可以得到电子的净俘获率：

Un=Rn–Gn=Cn[n(Nt-nt)-n1nt]

从空穴的产生和俘获过程，可以得到空穴的净俘获率：

Up=Rp–Gp=Cp[pnt–n1(Nt-nt)]从电子的产生和俘获过程，可以得到电子的净俘获率：细致平衡原理：在稳态下，各种能级上的电子和空穴数目应该保持不变。复合中心能级上的电子浓度不变的条件是，复合中心电子的净俘获率等于对空穴的净俘获率，也等于电子-空穴对的净复合率：

U=Un=UpCn[n(Nt-nt)-n1nt]=Cp[pnt–n1(Nt-nt)]细致平衡原理：在稳态下，各种能级上的电子和空穴数目应该保持不引入表示复合中心充满电子时对每个空穴的俘获概率表示复合中心充满空穴时对每个电子的俘获概率由在小注入条件下

∆p<<n0+p0引入表示复合中心充满电子时对每个空穴的俘获概率表示复合中心肖克莱-瑞德公式（小信号注入寿命公式）讨论若假设复合中心对电子和空穴的俘获系数相等，则肖克莱-瑞德公式（小信号注入寿命公式）讨论代入n1、p1的公式，得：

当Et=Ei时，U值最大当复合中心能级与本征费米能级重合时，复合中心的复合作用最强，寿命最小。

当Et≠Ei时，复合中心能级Et与Ei的距离越大，复合中心的复合作用越弱，寿命越大。代入n1、p1的公式，得：当Et=Ei时，U值最大国家信息安全应急响应计划标准制定国家信息安全应急响应计划标准制定国家信息安全应急响应计划标准制定国家信息安全应急响应计划标准制定国家信息安全应急响应计划标准制定国家信息安全应急响应计划标准制定表面处的杂质和表面的缺陷在禁带形成复合中心能级间接复合用间接复合理论处理

表面复合表面复合通常用表面速度S来描述，它表示：由于表面复合而失去的非平衡载流子的数目，就等于在表面处以大小为S的垂直速度流出表面的非平衡载流子的数量。表面处的杂质和表面的缺陷在禁带形成复合中心能级间表面复合的意义较高的表面复合