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载流子复合寿命的温度关系

2013-10-23 14:35| 发布者: echo| 查看: 1914| 评论: 0|来自: 中国光伏测试网

摘要: R2-1 有文献建议4可用低注入条件下测得的载流子与温度的关系作为识别硅中金属杂质的手段,但这只有在低注入以及某些很有限的条件下才可能。 R2-2 在低注入范围内,S-R-H载流子复合寿命由公式R1-2给出。在非简并半导 ...

    R2-1 有文献建议4可用低注入条件下测得的载流子与温度的关系作为识别硅中金属杂质的手段,但这只有在低注入以及某些很有限的条件下才可能。

R2-2 在低注入范围内,S-R-H载流子复合寿命由公式R1-2给出。在非简并半导体内,载流子浓度n0p0n1p1都是温度的指数函数。平衡电子和空穴浓度n0p0分别可表示如下:

 

其中:

Nc    =   导带态密度,以态/cm3表示。

Nv  =   价带态密度,以态/cm3表示。

eF     =   费米能级或平衡电化学势能,以eV表示。

ec     =   导带边,以eV表示,

ev   =   价带边,以eV表示,

k   =   波尔茨曼常数(=8.6173´10-5eV/K)。

T   =   温度,以K表示。 

 

当费米能级位于缺陷中心能级eT上时的电子浓度n1和空穴浓度p1可表示如下: 

 

R2-3 从公式R1-2可知,低注入(或小信号)载流子复合寿命t0可以用电子和空穴俘获时间常数tn0tp0以四项和的形式计算而得

 

在冻结区和本征区之间的温度区域内,多数载流子浓度等于掺杂剂净浓度,上式各项的分母为常数。如果另外还假定俘获时间常数与温度没有关系,则在缺陷中心部分填满的温度范围(即包含p1n1的一项在小信号复合寿命中占主导)内,从lnt01/T的关系曲线的斜率可获得缺陷中心的能级eT。虽然严格地说此假设通常并不很正确,但俘获时间常数随温度的变化与载流子浓度的指数关系相比通常是要小很多的。

R2-4 n型和p型硅中的元素铁,p型硅中的铁硼对,这三种例证可用来阐明上述分析。在每种情况下铁浓度都假定为5´1011原子/cm3,掺杂剂浓度假定为1´1015原子/cm3。对p型硅,这种掺杂剂浓度相当于电阻率r»10-15W×cm;对n型硅,它相当于电阻率r»3-5W×cm。温度范围考虑从2501000K,在此范围内可假定掺杂剂原子完全离化。元素铁是施主中心,它位于如表R1-1所示的禁带下半部远高于价带边的位置上。铁硼对也是施主中心,但它离价带顶要近得多。于是,在各种情况下,p1>>n1,其差别在铁硼对的情况下更大。

R2-4.1 p型硅中的元素铁(见图R2-1)——在室温以下,p0>>p1>>n1>>n0,于是t0=tn0。在约150至约200之间,p1>p0>n0p1项为最大的单项。但由于p1p0之间没有太大的差别,t0曲线的斜率决不能达到p1项的斜率,所以元素铁中心的能级不能从曲线上精确获得。在更高的温度,n0变得可与p0相比较(接近本征条件),载流子复合寿命下降,但公式中没有一个单项占主导,所以曲线斜率没有物理意义。 

 

R2-4.2 n型硅中的元素铁(见图R2-2)——在约100以下,n0>>p1>>n1>>p0,于是t0=tp0。在约200至约225之间,p1>n0>p0,于是t0=tn0p1项又是最大的单项。这时,p1项和p0项之间的差别更小,t0曲线的斜率不受任一个单项支配,所以元素铁中心的能级不能从曲线上获得。在更高的温度,p0变得可与n0相比较(接近本征条件),载流子复合寿命下降,但对于近本征的p型材料,公式中没有一个单项起主导,所以曲线斜率没有物理意义。 

 

R2-4.3 p型(掺硼)硅中的铁硼对(见图R2-3)——此时,p1>>p0>>n0>>n1,所以从远低于室温到225左右的所有温度下,p1项在低注入复合寿命公式中占主导。由于p0=Nt0»tn0(p1/N),所以从t01/T关系曲线的斜率可获得铁硼对的激活能De=eFe-B-ev。在更高的温度下,材料变成近本征的,分母增大,导致t0减小。

 

R2-5 上述例证说明,在有限的条件下,从测量得到的载流子复合寿命与稍高于室温的温度的关系中获得的激活能是可以与位于禁带接近中央位置的缺陷中心的能级相联系的,这正是大多数元素金属杂质的情况。

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