电力行业标准项目合同(1)

中国科学技术大学物理系微电子专业SemiconductorPhysics2010-4-81第四章第四章非平衡载流子非平衡载流子§§11非平衡载流子的注入与复合非平衡载流子的注入与复合§§22准费米能级准费米能级§§33复合理论概要复合理论概要§§44载流子的扩散和漂移载流子的扩散和漂移§§55连续性方程连续性方程中国科学技术大学物理系微电子专业SemiconductorPhysics2010-4-82§§11非平衡载流子的注入与复合非平衡载流子的注入与复合(1)(1)非平衡载流子非平衡载流子(2)(2)非平衡载流子的注入与复合非平衡载流子的注入与复合(3)(3)非平衡载流子的寿命非平衡载流子的寿命中国科学技术大学物理系微电子专业SemiconductorPhysics2010-4-83★★非平衡载流子非平衡载流子„„热平衡状态热平衡状态::nn00,p,p00((载流子浓度的乘积仅是温度的函数载流子浓度的乘积仅是温度的函数))„„非平衡载流子非平衡载流子((过剩载流子过剩载流子))––比平衡状态多出来的这部分载比平衡状态多出来的这部分载流子流子::△△n,n,△△ppn=n=nn00++△△n,pn,p=p=p00++△△pp2gEkTicvnpnNNe−==中国科学技术大学物理系微电子专业SemiconductorPhysics2010-4-84图5-1中国科学技术大学物理系微电子专业SemiconductorPhysics2010-4-85★★非平衡载流子的注入与复合非平衡载流子的注入与复合„„①①引入非平衡载流子引入非平衡载流子((过剩载流子过剩载流子))的过的过程程----非平衡载流子的非平衡载流子的注入注入(injection)(injection)„„昀常用的注入方式昀常用的注入方式::光注入光注入,,电注入电注入..光注入光注入::△△n=n=△△pp„„通常讨论通常讨论小注入小注入::△△n,n,△△pp««((nn00+p+p00))nn型半导体型半导体::△△n,n,△△pp««nn00pp型半导体型半导体::△△n,n,△△pp««pp00„„并且并且讨论讨论小注入下的过剩少子小注入下的过剩少子中国科学技术大学物理系微电子专业SemiconductorPhysics2010-4-86„„②②非平衡载流子的非平衡载流子的复合复合::----当外界因素撤除当外界因素撤除,,非平衡载流子逐渐消非平衡载流子逐渐消失失,(,(电子电子--空穴复合空穴复合),),体系由非平衡态回体系由非平衡态回到平衡态到平衡态..„„热平衡是动态平衡热平衡是动态平衡..„„当存在外界因素当存在外界因素,,产生非平衡载流子产生非平衡载流子,,热热平衡被破坏平衡被破坏..„„稳态稳态——当外界因素保持恒定当外界因素保持恒定,,非平衡载流非平衡载流子的数目宏观上保持不变子的数目宏观上保持不变..中国科学技术大学物理系微电子专业SemiconductorPhysics2010-4-87中国科学技术大学物理系微电子专业SemiconductorPhysics2010-4-88★★非平衡载流子的寿命非平衡载流子的寿命„„指数衰减律指数衰减律::①①寿命寿命ττ——非平衡子的平均存在时间非平衡子的平均存在时间..♦♦复合几率复合几率PP=1/=1/ττ——一个非平衡子一个非平衡子,,在单位时间内发生复合在单位时间内发生复合的次数的次数..0()()tptpeτ−Δ=Δ中国科学技术大学物理系微电子专业SemiconductorPhysics2010-4-89中国科学技术大学物理系微电子专业SemiconductorPhysics2010-4-810②②复合率复合率ΔΔp/p/ττ——单位时间内复合掉的非平衡子浓度单位时间内复合掉的非平衡子浓度♦♦当有外界因素对应空穴产生率当有外界因素对应空穴产生率GpGp,,则则有有::()()()dptptPptdtτΔΔ=−=−Δ()()dptptGpdtτΔΔ=−中国科学技术大学物理系微电子专业SemiconductorPhysics2010-4-811§§22准费米能级准费米能级(1)(1)热平衡电子系统的费米能级热平衡电子系统的费米能级(2)(2)准费米能级的引入准费米能级的引入中国科学技术大学物理系微电子专业SemiconductorPhysics2010-4-812★★热平衡电子系统的费米能级热平衡电子系统的费米能级„„热平衡电子系统有统一的费米能级热平衡电子系统有统一的费米能级cFFiFviFEEEEkTkTciEEEEkTkTvinNenepNene−−−−−−====2gEkTicvnpnNNe−==中国科学技术大学物理系微电子专业SemiconductorPhysics2010-4-813图3-13中国科学技术大学物理系微电子专业SemiconductorPhysics2010-4-814★★准费米能级的引入准费米能级的引入①①准平衡态准平衡态::非平衡态体系中非平衡态体系中,,通过载通过载流子与晶格的相互作用流子与晶格的相互作用,,导带电子子系和导带电子子系和价带空穴子系分别很快与晶格达到平衡价带空穴子系分别很快与晶格达到平衡..----可以认为可以认为::一个能带内实现热平衡一个能带内实现热平衡..♦♦导带和价带之间并不平衡导带和价带之间并不平衡((电子和空穴电子和空穴的数值均偏离平衡值的数值均偏离平衡值))中国科学技术大学物理系微电子专业SemiconductorPhysics2010-4-815中国科学技术大学物理系微电子专业SemiconductorPhysics2010-4-816中国科学技术大学物理系微电子专业SemiconductorPhysics2010-4-817②②准费米能级准费米能级EEFF--,,EEFF++——用以替代用以替代EEFF,,描述描述导带电子子系和价带空穴子系导带电子子系和价带空穴子系cFFiFviFEEEEkTkTciEEEEkTkTvinNenepNene−−−−++−−−−====2FFEEkTinpne−+−=中国科学技术大学物理系微电子专业SemiconductorPhysics2010-4-818图5-4一个例子中国科学技术大学物理系微电子专业SemiconductorPhysics2010-4-819§§33复合理论概要复合理论概要(1)(1)复合机制复合机制(2)(2)直接复合直接复合(3)(3)间接复合间接复合(4)(4)表面复合表面复合(5)Auger(5)Auger复合复合(6)(6)半导体类型半导体类型中国科学技术大学物理系微电子专业SemiconductorPhysics2010-4-820★★复合机制复合机制„„复合过程复合过程::直接复合直接复合——导带电子直接跃迁到价带导带电子直接跃迁到价带间接复合间接复合----导带电子跃迁到价带之前导带电子跃迁到价带之前,,要经历某一要经历某一((或某些或某些))中间状态中间状态..♦♦这些中间状态是禁带中的一这些中间状态是禁带中的一些能级些能级——复合中心复合中心..复合中心可以位于体复合中心可以位于体内内,,也可以与表面有关也可以与表面有关..中国科学技术大学物理系微电子专业SemiconductorPhysics2010-4-821图5-5中国科学技术大学物理系微电子专业SemiconductorPhysics2010-4-822„„三种释放能量的方式三种释放能量的方式::发射光子发射光子((以光子的形式释放能量以光子的形式释放能量))——辐射复合辐射复合((光跃迁光跃迁))发射声子发射声子((将多余的能量传给晶格将多余的能量传给晶格))——无辐射复合无辐射复合((热跃迁热跃迁))AugerAuger复合复合((将多余的能量给予第三者将多余的能量给予第三者))----无辐射复合无辐射复合((三粒子过程三粒子过程))中国科学技术大学物理系微电子专业SemiconductorPhysics2010-4-823★★直接直接复合复合((直接辐射复合直接辐射复合))①①复合率复合率((单位时间单位时间,,单位体积内复合掉的单位体积内复合掉的电子电子--空穴对数空穴对数):):RR==γγnpnp,,γγ--直接复合系数直接复合系数RR--1/(cm1/(cm33··S),S),γγ--((cmcm33/S/S))♦♦对非简并半导体对非简并半导体,,γγ==γγ(T(T))♦♦这里的这里的””复合复合””,,不是净复合不是净复合..中国科学技术大学物理系微电子专业SemiconductorPhysics2010-4-824中国科学技术大学物理系微电子专业SemiconductorPhysics2010-4-825②②产生率产生率((单位时间单位时间,,单位体积内产生的电单位体积内产生的电子子--空穴对数空穴对数):):GG’’==γγnnii22♦♦这里的这里的””产生产生””,,与外界因素无关与外界因素无关..③③净复合率净复合率::UUdd==--dd△△p(t)/dtp(t)/dt==△△p/p/ττUUdd=R=R--GG’’==γγ((npnp--nnii22))中国科学技术大学物理系微电子专业SemiconductorPhysics2010-4-826④④寿命寿命::♦♦小注入条件下小注入条件下::001()dpUnppτγΔ==++Δ001()npτγ≈+中国科学技术大学物理系微电子专业SemiconductorPhysics2010-4-827★★间接间接复合复合间接复合间接复合——非平衡子通过复合中心的复合非平衡子通过复合中心的复合①①四个基本跃迁过程：四个基本跃迁过程：A.A.电子俘获电子俘获B.B.电子产生电子产生C.C.空穴俘获空穴俘获D.D.空穴产生空穴产生中国科学技术大学物理系微电子专业SemiconductorPhysics2010-4-828Nt中国科学技术大学物理系微电子专业SemiconductorPhysics2010-4-829A.A.电子俘获率电子俘获率：：RRaa==γγ--n(Nn(Ntt--nntt))①①B.B.电子产生率电子产生率：：RRbb==SS--nntt==γγ--nn11nntt②②C.C.空穴俘获率空穴俘获率：：RRcc==γγ++pnpntt③③D.D.空穴产生率空穴产生率：：RRdd==SS++(N(Ntt--nntt))==γγ++pp11(N(Ntt--nntt))④④γγ--电子俘获系数，电子俘获系数，SS--电子激发几率电子激发几率γγ++空穴俘获系数，空穴俘获系数，SS++空穴激发几率空穴激发几率„„单位单位::产生率，俘获率产生率，俘获率RR(1/cm(1/cm33••ss))俘获系数俘获系数γγ(cm(cm33/s),/s),激发几率激发几率SS(1/s)(1/s)中国科学技术大学物理系微电子专业SemiconductorPhysics2010-4-830„„nn11,p,p11——与复合中心能级位置有关的一与复合中心能级位置有关的一个参量个参量当当EEFF=E=Ett时时,,导带的平衡电子导带的平衡电子浓度浓度当当EEFF=E=Ett时时,,价带的平衡空穴价带的平衡空穴浓度浓度1ctEEkTcnNe−−=1tvEEkTvpNe−−=中国科学技术大学物理系微电子专业SemiconductorPhysics2010-4-831②②求求非平衡载流子的非平衡载流子的净复合率净复合率„„稳定情况下稳定情况下::nntt==常数常数即即A+D=B+C,A+D=B+C,由此方程可求出由此方程可求出nntt„„非平衡载流子的非平衡载流子的净复合率净复合率：：U=AU=A--B=CB=C--D.D.得到得到::211()()()tiNnpnUnnppγγγγ−+−+−=+++中国科学技术大学物理系微电子专业SemiconductorPhysics2010-4-832„„非平衡载流子的寿命非平衡载流子的寿命::