少数载流子寿命

非平衡空穴的寿命

对n型半导体，其中非平衡少数载流子——空穴的寿命τ，也就是空穴的平均生存时间，1/τ就是单位时间内空穴的复合几率，Δp/τ称为非平衡空穴的复合率（即n型半导体中单位时间、单位体积内、净复合消失的电子-空穴对的数目）；非平衡载流子空穴的浓度随时间的变化率为dΔp /dt =－Δp /τp, 如果τp与Δp 无关，则Δp 有指数衰减规律：Δp = (Δp) exp( -t/τp ) 。

载流子寿命

载流子寿命就是指非平衡载流子的寿命。而非平衡载流子一般也就是非平衡少数载流子（因为只有少数载流子才能注入到半导体内部、并积累起来，多数载流子即使注入进去后也就通过库仑作用而很快地消失了），所以非平衡载流子寿命也就是指非平衡少数载流子寿命，即少数载流子寿命。例如，对n型半导体，非平衡载流子寿命也就是指的是非平衡空穴的寿命。

实验表明, 在小注入条件 (Δp<非平衡载流子的平均生存时间。应当注意的是，只有在小注入时非平衡载流子寿命才为常数，净复合率才可表示为－Δp/τp；并且在小注入下稳定状态的寿命才等于瞬态的寿命。

少数载流子寿命的决定因素与测试原理

决定因素

不同半导体中影响少数载流子寿命长短的因素，主要是载流子的复合机理（直接复合、间接复合、表面复合、Auger复合等）及其相关的问题。

对于Si、Ge等间接跃迁的半导体，因为导带底与价带顶不在Brillouin区的同一点，故导带电子与价带空穴的直接复合比较困难（需要有声子等的帮助才能实现——因为要满足载流子复合的动量守恒），则决定少数载流子寿命的主要因素是通过复合中心的间接复合过程。从而，半导体中有害杂质和缺陷所造成的复合中心（种类和数量）对于这些半导体少数载流子寿命的影响极大。所以，为了增长少数载流子寿命，就应该去除有害的杂质和缺陷；相反，若要减短少数载流子寿命，就可以加入一些能够产生复合中心的杂质或缺陷（例如掺入Au、Pt，或者采用高能粒子束轰击等）。

对于GaAs等直接跃迁的半导体，因为导带底与价带顶都在Brillouin区的同一点，故决定少数载流子寿命的主要因素就是导带电子与价带空穴的直接复合过程。因此，这种半导体的少数载流子寿命一般都比较短。

当然，有害的杂质和缺陷将有更进一步促进复合、减短寿命的作用。

测试原理

少数载流子寿命(体)定义为在一均匀半导体中少数载流子在产生和复合之间的平均时间间隔。

在一定温度条件下，处于热平衡状态的半导体载流子浓度是一定的，当用某波长的光照射半导体材料如果光子的能量大于禁带宽度，位于价带的电子受激发跃迁到导带，产生电子-空穴对，形成非平衡载流子Δn Δp，对于n型材料非平衡电子称为非平衡多数载流子，非平衡空穴称为非平衡少数载流子，对p 型材料则相反。

用光照使半导体内部产生非平衡载流子的方法称为非平衡载流子的光注入。光注入时，半导体电导率的变化为：

Δσ= Δ nqμn+Δ pqμp （1）

假设符合下列条件：

（1）样品所加的电场很小，以至少数载流子的漂移导电电流可忽略；

（2）样品是均匀的，即n0或列p0在样品各处是相同的；

（3）在样品中没有陷阱存在（即符合Δ n =Δ p）；

（4）表面复合可以忽略不计；

（5）小注入条件。

公式（2）可简化为：

Δσ= Δpq( μn+μp) （2）

如果在t=0时，光照突然停止，光生载流子由于复合效应，其浓度随时间减小至平衡态。载流子浓度变化率用下式表示：

Δp（t）=( Δp)0e-t/ τp （3）

式中τp ——少激载流子空穴复合寿命，在t=0时，

这就是说非平衡载流子浓度随时间的变化按指数规律衰减，若t=τp，则Δp（t）= (Δp)0/e。由此可见，求出非平衡载流子浓度减少到原值的1/e所经历的时间就可得到少数载流子寿命。

将公式（3）带入公式（2）得：

Δ σ= Δ p( t) q( μn+μp)=( Δp)0q( μn+μp) e- t/ τp (4)

可见Δ σ正比于非平衡载流子浓度知Δp（t）亦呈指数衰减的规律故通过观察光照停止后电导率的变化可得到少数载流子寿命值。

Δσ的变化可用图1所示的装置观察，其中R>>r，不论光照与否通过半导体的电流I近似不变，半导体两端电压降V=I×r

光照后由于光生载流子的作用，引起电压的变化 ΔV：

Δ V =I ×Δρ ×L/ S =( I ×L/S) / Δσ (5)

通过测量电压波形从最大值下降到其1/e的时间，就可得到少数载流子寿命τp。

少数载流子寿命对器件性能的影响

对于主要是依靠少数载流子输运（扩散为主）来工作的双极型半导体器件，少数载流子寿命是一个直接影响到器件性能的重要参量。这时，常常采用的一个相关参量就是少数载流子扩散长度L（等于扩散系数与寿命之乘积的平方根），L即表征少数载流子一边扩散、一边复合所能够走过的平均距离。少数载流子寿命越长，扩散长度就越大。

对于BJT，为了保证少数载流子在基区的复合尽量少（以获得很大的电流放大系数），则必须把基区宽度缩短到少数载流子的扩散长度以下。因此，要求基区的少数载流子寿命越长越好。

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