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少數載流子壽命

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中文名稱:少數載流子壽命英文名稱:minority carrier lifetime 定義:半導體材料中非平衡載流子因複合其濃度降為1/e的時間。 應用學科:材料科學技術(一級學科);半導體材料(二級學科);總論(二級學科)

1 少數載流子壽命 -少數載流子壽命

基本概念

載流子壽命就是指非平衡載流子的壽命。而非平衡載流子一般也就是非平衡少數載流子(因為只有少數載流子才能注入到半導體內部、並積累起來,多數載流子即使注入進去后也就通過庫侖作用而很快地消失了),所以非平衡載流子壽命也就是指非平衡少數載流子壽命,即少數載流子壽命。例如,對n型半導體,非平衡載流子壽命也就是指的是非平衡空穴的壽命。

對n型半導體,其中非平衡少數載流子——空穴的壽命τ,也就是空穴的平均生存時間,1/τ就是單位時間內空穴的複合幾率,Δp/τ稱為非平衡空穴的複合率 (即n型半導體中單位時間、單位體積內、凈複合消失的電子-空穴對的數目);非平衡載流子空穴的濃度隨時間的變化率為dΔp /dt =-Δp /τp, 如果τp與Δp 無關, 則Δp 有指數衰減規律:Δp = (Δp) exp( -t/τp ) 。

實驗表明, 在小注入條件 (Δp<<no+po) 下, 非平衡載流子濃度確實有指數衰減規律,這說明Δp(t +τp) = Δp(t)/e, Δp(t)│(t=τp) = Δpo , τp即是非平衡載流子濃度減小到原來值的1/e時所經歷的時間;而且在小注入條件下, τp的確是與Δp無關的常數;利用這種簡單的指數衰減規律即可測量出少數載流子壽命τp的值;同時可以證明,τp確實就是非平衡載流子的平均生存時間<t>。應當注意的是,只有在小注入時非平衡載流子壽命才為常數,凈複合率才可表示為-Δp/τp;並且在小注入下穩定狀態的壽命才等於瞬態的壽命。

決定壽命的有關因素

不同半導體中影響少數載流子壽命長短的因素,主要是載流子的複合機理(直接複合、間接複合、表面複合、Auger複合等)及其相關的問題。

對於Si、Ge等間接躍遷的半導體,因為導帶底與價帶頂不在Brillouin區的同一點,故導帶電子與價帶空穴的直接複合比較困難(需要有聲子等的幫助才能實現——因為要滿足載流子複合的動量守恆),則決定少數載流子壽命的主要因素是通過複合中心的間接複合過程。從而,半導體中有害雜質和缺陷所造成的複合中心(種類和數量)對於這些半導體少數載流子壽命的影響極大。所以,為了增長少數載流子壽命,就應該去除有害的雜質和缺陷;相反,若要減短少數載流子壽命,就可以加入一些能夠產生複合中心的雜質或缺陷(例如摻入Au、Pt,或者採用高能粒子束轟擊等)。

對於GaAs等直接躍遷的半導體,因為導帶底與價帶頂都在Brillouin區的同一點,故決定少數載流子壽命的主要因素就是導帶電子與價帶空穴的直接複合過程。因此,這種半導體的少數載流子壽命一般都比較短。

當然,有害的雜質和缺陷將有更進一步促進複合、減短壽命的作用。

少數載流子壽命對半導體器件的影響

對於主要是依靠少數載流子輸運(擴散為主)來工作的雙極型半導體器件,少數載流子壽命是一個直接影響到器件性能的重要參量。這時,常常採用的一個相關參量就是少數載流子擴散長度L(等於擴散係數與壽命之乘積的平方根),L即表徵少數載流子一邊擴散、一邊複合所能夠走過的平均距離。少數載流子壽命越長,擴散長度就越大。

對於BJT,為了保證少數載流子在基區的複合盡量少(以獲得很大的電流放大係數),則必須把基區寬度縮短到少數載流子的擴散長度以下。因此,要求基區的少數載流子壽命越長越好。

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