半導體物理如何判斷直接復合和間接復合

A. 半導體物理學的載流子輸運

半導體的輸運現象包括在電場、磁場、溫度差等作用下十分廣泛的載流子輸運過程。和金屬導體相比，半導體的載流子不僅濃度低很多，而且數量以及運動速度都可以在很廣的范圍內變化。因此半導體的各種輸運現象具有和金屬十分不同的特徵。 在常見的半導體中，載流子主要是摻在半導體中的淺能級雜質提供的。主要由淺施主提供的電子導電的半導體稱為N型半導體；主要由淺受主提供空穴導電的半導體稱為P型半導體。由於在任何有限溫度下，總有或多或少的電子從價帶被熱激發到導帶（本徵激發），所以無論N型或P型半導體中都存在一定數量的反型號的載流子，稱為少數載流子，主導的載流子則稱為多數載流子。溫度足夠高時，由價帶熱激發到導帶的電子可以遠超過雜質提供的載流子，這時參與導電的電子和空穴的數目基本相同，稱為本徵導電。
半導體導電一般服從歐姆定律。但是，和金屬中高度簡並的電子相比，半導體中載流子的無規熱運動速度低很多，同時由於載流子濃度低，對相同的電流密度，漂移速度則高很多。因此，在較高的電流密度下，半導體中載流子的漂移速度可以達到與熱運動速度相比，經過散射可以轉化為無規熱運動，使載流子的溫度顯著提高。這時半導體的導電偏離歐姆定律。熱載流子還可以導致一些特殊效應。例如，某些半導體(如砷化鎵、磷化銦)在導帶底之上，還存在著能量略高而態密度很大的其他導帶極小值。在足夠強的電場下，熱載流子會逐漸轉移到這些所謂次極值的區域（指k空間），導致電場增大而漂移速度反而下降的負微分遷移率現象（見轉移電子器件）。 通有電流的導體，在垂直磁場作用下，由於磁場對漂移載流子的偏轉力而產生的側向的電壓，稱為霍耳效應。由於在相同的電流密度下載流子的漂移速度和載流子的濃度成反比，所以，和金屬相比半導體的霍耳效應十分顯著，而且可以方便地用於測定載流子的濃度。霍耳效應的符號直接反映載流子電荷的符號，所以霍耳效應的測量還可以區別N型和P型導電性。
與金屬中高度簡並的電子不同，一般半導體中載流子的熱運動顯著依賴於溫度，因此，半導體還表現出遠強於金屬導體的溫差電效應（見溫差發電和致冷）。
光照射在半導體內產生的電子和空穴構成多餘的載流子，稱為非平衡載流子。用電學方法（如通過金屬-半導體接觸或PN結，見下文）也可以在半導體中引入非平衡載流子。在電場作用下，非平衡載流子同時參與導電，構成附加的導電性。光照射產生的附加電導稱為光電導。作為非平衡載流子的電子和空穴可以直接復合（即電子直接躍遷到價帶中代表空穴的空能級），也可以通過復合中心復合，稱為間接復合。非平衡載流子在復合之前平均存在的時間稱為壽命，在這個時間中通過布朗運動平均移動的距離，稱為擴散長度。 半導體表面的空間電荷可以看做是由於屏蔽垂直表面的電場而造成的，表面電場一般是由於各種表面的具體情況而引起的。如果電場的方向是驅趕載流子向體內，空間電荷區格外顯著。這種情況下的空間電荷區是由載流子被排走所餘下的電離雜質的電荷構成的，稱為耗盡層。由於電離雜質電荷的濃度是固定的，隨著表面電場增強，屏蔽它所需的電荷必須成正比地增大，這就意味著表面空間電荷區加寬。有控制地施加表面電場的辦法是在半導體表面形成薄的絕緣層（如對半導體氧化形成薄的氧化層），在它上面做電極並加相應的電壓。這種用於控制半導體表面的金屬－絕緣體－半導體系統簡稱MIS（如果絕緣層採用氧化物，則稱MOS）。
表面電場在排斥多數載流子的同時，也會吸引少數載流子，所以在MIS上加有足夠大的電壓時，會在半導體的極表面出現一個由少數載流子導電的薄層。它與半導體內部之間隔有空間電荷區，其中多數和少數載流子極為稀少，基本上是「耗盡」的。這種由反型載流子導電的薄層稱為反型層。反型層也被稱為導電溝道，以表明載流子的流動限於極狹窄的區域，如P型半導體表面的反型層稱為N溝道，N型半導體表面的反型層稱P溝道。當這種表面反型層很薄，其中載流子在垂直表面的方向是量子化的（從波動的觀點看，是沿這個方向的駐波），載流子的自由運動只限於平行於表面的二維空間。在這種二維運動的研究中，把反型層中的載流子稱為「二維電子氣」。 在不同半導體之間，或半導體和金屬直接連接時，它們之間的接觸電勢差意味著，它們的界面處是電勢突變的區域，其中存在垂直於界面的電場和相應的空間電荷區。在它們之間施加電壓時，電壓主要降落在空間電荷區上，電壓和通過空間電荷區的電流一般呈現非線性的伏安特性。
同一塊半導體，由於摻雜不同，使部分區域是N型，部分區域是P型，它們的交界處的結構稱為PN結。在 PN結的空間電荷區的P型一側加正電壓時（正向電壓），會部分抵消接觸電勢差，使空間電荷區變窄，並使P區的空穴流向N區，N區的電子流向P區，這種來自多數載流子的電流隨施加的電壓迅速增長。加相反的電壓時(反向電壓)，會使空間電荷區變寬，P區和N區電勢差增大，這時的電流來自雙方的少數載流子（N區的空穴流向P區，P區的電子流向N區），所以電流很小，而且隨電壓增加，很快達到飽和。 PN結兩邊摻雜濃度越高，接觸電勢差V0越大。當接觸電勢差增加到電子通過PN結所得到（或失去）的能量eV0超過禁帶時，PN結的能帶具有圖10所示的情形。這時N區導帶的電子可以直接穿入P區價帶的空能級（空穴）。這種電子直接穿透禁帶從導帶的價帶（或其逆過程）的現象稱為隧道效應；這種高摻雜濃度的PN結稱為隧道結。
半導體的表面是半導體物理研究的一個重要對象。半導體表面並不是一個簡單的幾何界面，而是具有自己獨立特徵的一個體系。在超高真空下對純凈半導體表面的研究以及理論計算都證明，在半導體表面一般存在表面電子態，處於表面電子態中的電子的運動被限制在極表面的二維空間中。另外，最表面層的原子的位置也發生典型的變化。一般表面原子層之間的間距和體內相比，發生一定的變化，稱為表面弛豫。與此同時，原子在表面層中的排列的周期性和鍵合方式都可以發生典型的變化，統稱為表面再構。再構的變化是一種相變過程，對半導體表面的物理和化學性質都有深刻的影響。 對非晶態半導體的研究只是近年來才有較大的發展。有一些非晶態的半導體屬於玻璃態物質，可以由液態凝固獲得，通過其他的制備工藝（如蒸發、濺射、輝光放電下淀積等）也可以製成非晶態材料。非晶態半導體的結構一般認為是由共價鍵結合的「無規網路」，其中每個原子與近鄰的鍵合仍保持與晶體中大體相同的結構，但失去了在空間周期性的點陣排列。非晶態半導體與晶態半導體既有相似的特徵，又有十分重要的區別。如非晶態半導體的本徵吸收光譜與晶體半導體粗略相似，表明大部分的能級分布與晶體的能帶相似。但是，在導帶底和價帶頂部都有一定數量的「帶尾態」；一般認為它們是局域化的電子態。另外，連續分布在整個禁帶中還有相當數目的所謂「隙態」，隙態的多少和分布都隨材料和制備方法而不同。
非晶態半導體的導電具有復雜的性質，一般在較低溫度是通過載流子在局域態之間的跳躍，在較高的溫度則是依靠熱激發到擴展態的載流子導電，但其遷移率比在晶體半導體中低很多。