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光电效应的复合机理
本节的目的是概括地说明各种复合过程的机理.
一、两种复合过程
⒈直接复合：电子由导带直接跃迁到价带的空状态，使电子和空穴成对地消失。其逆过程是，电子由价带激发到导带，产生电子－空穴对。在图7.12中它们分别用a和b来表示。
图7.12 直接复合
导带只画电子
价带只画空穴
只画电子的
跃迁方向
⒉间接复合：也称为通过复合中心复合。所谓复合中心，是指晶体中的一些杂质或缺陷，它们在禁带中引入离导带底和价带顶都比较远的局域化能级，既复合中心能级。其复合方式如图7.13所示。
图7.13 直接复合
a.电子的俘获 b.电子的产生
c.空穴的俘获 d.空穴的产生
二、引起复合和产生过程的内部作用
载流子的复合或产生是它们在能级之间的跃迁过程，必然伴随有能量的放出或吸收。根据能量转换形式的不同，引起电子和空穴复合及产生过程的内部作用，有以下三种:
⒈电子与电磁波的作用
在温度为T的物体内，存在着温度为T的黑体辐射。这种黑体辐射也就是电磁波,它们可以引起电子在能级之间的跃迁。这种跃迁称为电子的光跃迁或辐射跃迁。在跃迁过程中，电子以吸收或发射光子的形式同电磁波交换能量。
⒉电子与晶格振动的相互作用
晶格振动可以使电子在能级之间跃迁,这种跃迁称为热跃迁。在跃迁过程中，电子以吸收或发射声子的形式与晶格交换能量。通常跃迁中放出的能量比单个声子的能量大得多，必须同时发射多个声子，因而这种跃迁的几率很小。
⒊电子间的相互作用
电子之间的库仑相互作用，也可以引起电子在能级之间的跃迁。这种跃迁过程称为俄歇效应(Auger effect)。
在导带电子和价带空穴的直接复合过程中，放出的能量可以作为动能给予第三个载流子，即把导带中一个电子激发到更高的能级，或者把价带中一个空穴激发到其能量更高的能级,如图7.14(a)和(c)。复合的逆过程是产生过程。导带中一个电子由足够高的能级跃迁到低能级，或者价带中一个空穴由空穴能量足够高的能级跃迁到能量低的能级,可以把一个电子由价带激发到导带，产生电子-空穴对,如图7.14(b)和(d).
图7.14 俄歇效应引起的电子-空穴对复合和产生
三、表面复合
前面研究非平衡载流子的寿命时，只考虑了半导体内部的复合过程。实际上，少数载流子寿命在很大程度上受半导体样品的形状和表面状态的影响。
例如：实验发现，经过吹砂处理或用金刚石粗磨的样品，其少子寿命很短；而细磨后再经适当化学腐蚀的样品，寿命长得多。另外，对于同样的表面情况，样品越小，寿命越短。因此，半导体表面有促进复合的作用。
通常用表面复合速度来表征表面复合作用的强弱。我们把单位时间内在单位面积上复合掉的非平衡载流子数， 称为表面复合率。实验证明，表面复合率=s·Δp.
比例系数s具有速度的量纲，称为表面复合速度。
s一个直观的意义：由于表面复合而失去的非平衡载流子数目，就如同在表面处的非平衡载流子都以大小为s的垂直速度流出了表面.
1、概念：表面复合是指在半导体表面发生的复合过程，这种复合是通过表面处的杂质和表面特有的缺陷在禁带中形成的表面能级进行的。这种表面能级也是一种复合中心。因此，表面复合实际上也是一种间接复合过程，只不过是复合中心在样品的表面。
2、表面复合对非平衡载流子稳态分布的影响：
考虑一个表面为矩形的片状N型样品，如图7.15所示。假定光照射在样品中被均匀地吸收，电子-空穴对的产生率为G。若无表面复合，在达到稳定的情况下，样品中的过剩空穴是均匀分布的，既Δp是与位置无关的常数。设想x=±a的表面存在表面复合，表面复合速度都是s， 引起扩散。
则稳定情况下，空穴的连续性方程为
显然，过剩空穴在x方向上相对于原点是对称分布的。于是， 方程的解为
其中，A是待定常数。
在这个问题中，表面复合作为边界条件决定过剩空穴的分布。在x=±a两个表面的边界条件是:
即:
所以:
流向表面的扩散流密度等于表面复合率
考虑了表面复合，实际测得的寿命应是体内复合和表面复合综合效果。设这两种复合是单独平行发生的，用 表示体内复合寿命， 表示表面复合寿命，则总的复合几率为：
其中 称为有效寿命。
表面复合具有重要的意义。半导体器件表面复合速度若高，会使更多的注入的载流子在表面复合消失，严重影响器件的性能。因而在大多数器件生产中，希望获得良好且稳定的表面，以尽量降低表面复合速度，从而改善器件的性能。而在某些物理测量中，为了消除金属探针注入效应的影响，要设法增大表面复合，以获得较准确的测量结果。
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表面复合对非平衡载流子衰减过程的影响：
存在表面复合情况下，如果去掉光照，非平衡载流子浓度如何随时间衰减？
本课不讨论
⒈强N型区
费米能级EF在Et和导带底Ec之间（Et>p0，n1，p1 于是，
即寿命是一个与载流子浓度无关的常数，它决定于复合中心对空穴的俘获几率。在这种情况下，复合中心能级Et在EF之下，只要空穴一旦被复合中心能级所俘获，就可以立刻从导带俘获电子，完成电子-空穴对的复合。
⒉弱N型区（高阻区）
费米能级EF在本征费米能级Ei和Et之间（Ei>n0>>p0>>p1 ，于是
在这种情况下，寿命与电子（多子）的浓度n0成反比，越接近本征区，与空穴复合的电子数目越少，寿命则越长。

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