半導(dǎo)體中的非平衡載流子壽命是半導(dǎo)體的一個(gè)基本特性參數(shù)，它的長短將直接影響到依靠少數(shù)載流子來工作的半導(dǎo)體器件的性能，這種器件有雙極型器件和p-n結(jié)光電子器件等。但是，對(duì)于在結(jié)構(gòu)上包含有p-n結(jié)的單極型器件（例如MOSFET）也會(huì)受到載流子壽命的影響。

非平衡載流子壽命主要是指非平衡少數(shù)載流子的壽命。影響少子壽命的主要因素是半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)和非平衡載流子的復(fù)合機(jī)理；對(duì)于Si 、Ge、GaP等間接禁帶半導(dǎo)體，一般決定壽命的主要因素是半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷。

對(duì)于少子壽命有明顯依賴關(guān)系的電子器件特性，主要有雙極型器件的開關(guān)特性、導(dǎo)通特性和阻斷特性；對(duì)于光電池、光電探測(cè)器等之類光電子器件，與少子壽命直接有關(guān)的特性主要有光生電流、光生電動(dòng)勢(shì)等。

（1）少子壽命對(duì)半導(dǎo)體器件性能的影響：

① 雙極型器件的開關(guān)特性與少子壽命的關(guān)系：

雙極型器件的開關(guān)特性在本質(zhì)上可歸結(jié)為p-n結(jié)的開關(guān)性能。

p-n結(jié)的開關(guān)時(shí)間主要是關(guān)斷時(shí)間，而關(guān)斷時(shí)間基本上就是導(dǎo)通時(shí)注入到擴(kuò)散區(qū)中的少子電荷消失的過程時(shí)間（包括有存儲(chǔ)時(shí)間和下降時(shí)間兩個(gè)過程）。少子壽命越短，開關(guān)速度就越快。因此，為了提高器件的開關(guān)速度，就應(yīng)該減短少子壽命。

② 器件的阻斷特性與少子壽命的關(guān)系：

半導(dǎo)體器件在截止?fàn)顟B(tài)時(shí)的特性——阻斷特性，實(shí)際上也就是p-n結(jié)在反向電壓下反向漏電流大小的一種反映。因此，這里器件的阻斷特性不單指雙極型器件，而且也包括場(chǎng)效應(yīng)器件在內(nèi)。

p-n結(jié)的反向漏電流含有兩個(gè)分量：一是兩邊擴(kuò)散區(qū)的少子擴(kuò)散電流，二是勢(shì)壘區(qū)中復(fù)合中心的產(chǎn)生電流；這些電流都與少子壽命有關(guān)，載流子壽命越長，反向漏電流就越小，則器件的阻斷特性也就越好。當(dāng)載流子壽命減短到一定程度時(shí)，反向電流即大幅度地上升，就會(huì)產(chǎn)生反向電流不飽和的“軟”的阻斷特性。

一般，硅p-n結(jié)的反向漏電流主要是勢(shì)壘區(qū)復(fù)合中心的產(chǎn)生電流，因此載流子的產(chǎn)生壽命將嚴(yán)重地影響到器件的阻斷特性。所以注意工藝控制，減小雜質(zhì)和缺陷的不良影響，對(duì)于提高器件的阻斷特性至關(guān)重要。

總之，為了獲得良好的器件阻斷特性，要求器件應(yīng)該具有較長的少數(shù)載流子壽命。為此，半導(dǎo)體的摻雜濃度不可太高，勢(shì)壘區(qū)中的復(fù)合中心濃度要盡量減少。

③ 器件的導(dǎo)通特性與少子壽命的關(guān)系：

半導(dǎo)體器件導(dǎo)通特性的好壞可以用它的導(dǎo)通電阻或者導(dǎo)通壓降來表征；導(dǎo)通壓降越低，器件的大電流性能就越好，器件的功率處理能力也就越強(qiáng)。  對(duì)于雙極型器件，從本質(zhì)上來看，它的導(dǎo)通特性實(shí)際上可近似地歸結(jié)為p-n結(jié)的正向?qū)ㄌ匦?；而?duì)于雙極型功率器件而言，其正向?qū)ㄌ匦钥蓺w結(jié)為pin二極管的導(dǎo)通特性。

因?yàn)橐话鉷-n結(jié)的正向電流主要是少子擴(kuò)散電流，則少子壽命越短，少子的濃度梯度越大，正向電流就越大，于是在同樣電流情況下的導(dǎo)通壓降也就越低。所以少子壽命宜較短一些。

但是，對(duì)于pin結(jié)則有所不同，因?yàn)閜in結(jié)處于正偏時(shí)，即有大量電子和空穴分別從兩邊注入到本征的i型層，則必為“大注入”；這時(shí)可以認(rèn)為i型層中的電子濃度等于空穴濃度，并且均勻分布，即n=p=const。正是由于在i型層中存在大量的兩種載流子，所以必然會(huì)產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，使得pin結(jié)的正向電壓降低。

而pin結(jié)的正向?qū)щ娛怯奢d流子渡越i型層（勢(shì)壘區(qū)）時(shí)的復(fù)合過程所造成的，則pin結(jié)的導(dǎo)通特性與i型層中載流子的復(fù)合壽命有很大的關(guān)系。在此考慮到大注入的強(qiáng)烈影響，因此決定載流子壽命的因素除了大注入下的壽命——雙極復(fù)合壽命τa以外，還需要計(jì)入Auger復(fù)合的壽命τA，于是應(yīng)該采用有效壽命τeff的概念。由于i層載流子的有效壽命越長，在大注入情況下該層的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)就越強(qiáng)，則器件的正向壓降也就越低，因此pin結(jié)的正向壓降與載流子有效壽命成反比。然而，有效壽命將隨著正向電流密度的增大而減短，特別是在大電流密度時(shí)，有效壽命將顯著變短，從而會(huì)導(dǎo)致正向壓降很快增加。

（2）載流子壽命的控制原理：

如上所述，對(duì)于功率器件而言，它的開關(guān)特性要求載流子壽命越短越好，而它的阻斷特性和導(dǎo)通特性卻要求載流子壽命越長越好。因此，同一種半導(dǎo)體器件的不同特性，對(duì)于載流子壽命的要求不一定相同。這就產(chǎn)生了一個(gè)所謂壽命優(yōu)化的問題，即如何綜合考慮、恰當(dāng)?shù)剡x取載流子的壽命，以使得器件的特性能夠最大限度地滿足使用要求。

對(duì)于Si等半導(dǎo)體器件，影響載流子壽命的主要因素是缺陷和有害雜質(zhì)構(gòu)成的復(fù)合中心的濃度以及半導(dǎo)體的本底摻雜濃度。復(fù)合中心的重要特性參數(shù)是它的能級(jí)位置以及俘獲截面。在復(fù)合中心的能級(jí)位置和半導(dǎo)體摻雜濃度適當(dāng)時(shí)，復(fù)合中心將成為最有效的復(fù)合中心，則對(duì)載流子壽命的影響最大。

一般，復(fù)合中心能級(jí)越深（即越靠近本征Fermi能級(jí)）、半導(dǎo)體摻雜濃度越高（即Fermi能級(jí)越靠近能帶邊），復(fù)合中心就越有效。例如，位于導(dǎo)帶底以下0.54eV的復(fù)合中心一般就滿足該條件，為一個(gè)最有效的復(fù)合中心；而位于導(dǎo)帶底以下0.3eV的復(fù)合中心則是無效復(fù)合中心。

實(shí)際上，最有效的復(fù)合中心也具有較小的對(duì)兩種載流子的俘獲截面之比（接近1）?？傊?，復(fù)合中心的能級(jí)越靠近禁帶中央，而且其俘獲截面比越接近1，則該復(fù)合中心就越有效，壽命也就越短。在小注入時(shí)，少子壽命與注入水平無關(guān)，而僅決定于復(fù)合中心的能級(jí)位置和俘獲截面之比；在大注入時(shí)，任何復(fù)合中心決定的載流子壽命都將趨于雙極壽命τa=τno+τpo（僅決定于復(fù)合中心的濃度和俘獲截面之比）。

a）兼顧高阻斷特性和高開關(guān)速度特性的優(yōu)選復(fù)合中心：

為了提高器件的開關(guān)速度，應(yīng)該少子的小注入壽命盡可能短，即要求復(fù)合中心能級(jí)靠近禁帶中央和俘獲截面比接近1；但是，為了提高器件的阻斷能力，應(yīng)該少子的產(chǎn)生壽命盡可能長，即要求復(fù)合中心能級(jí)遠(yuǎn)離禁帶中央和俘獲截面比大于1。這種對(duì)載流子壽命的矛盾要求，也就意味著少子的產(chǎn)生壽命τs與少子的復(fù)合壽命τp之比（τs/τp）應(yīng)該取極大值。

分析表明：①τs/τp比值的大小與復(fù)合中心的性質(zhì)（能級(jí)位置和俘獲截面比）無關(guān)，但只有在適當(dāng)?shù)哪芗?jí)位置、俘獲截面比和溫度情況下才能達(dá)到最高值；②復(fù)合中心能級(jí)靠近能帶邊（Ec或者Ev）時(shí)，τs/τp比值最大；③最大的τs/τp比值與摻雜濃度和俘獲截面比有關(guān)，并且摻雜濃度越低、俘獲截面比越大，則不同復(fù)合中心能級(jí)位置不影響τs/τp取最大值的范圍就越大，同時(shí)溫度越高、該范圍也越大（但最大τs/τp比值與本征載流子濃度有關(guān)）。

總之，兼顧器件的高阻斷特性和高開關(guān)速度特性的優(yōu)化復(fù)合中心，其能級(jí)應(yīng)該位于能帶邊附近處；并且在輕摻雜半導(dǎo)體中，比較容易選擇這種優(yōu)化復(fù)合中心；在同樣摻雜濃度時(shí)，對(duì)于俘獲截面比較大的復(fù)合中心，它的能級(jí)位置受到的限制較小。

b）兼顧高導(dǎo)通特性和高開關(guān)速度特性的優(yōu)選復(fù)合中心：

為了降低功率器件在大電流時(shí)的導(dǎo)通壓降，應(yīng)該增長有效載流子壽命，也就是要求大注入時(shí)的載流子壽命（τH=τa）足夠長，以加強(qiáng)少子的電導(dǎo)調(diào)制作用。但是，為了提高開關(guān)速度，則希望少子在小注入時(shí)的壽命（τL）足夠短。因此，要使得一種復(fù)合中心能夠兼顧大電流和高速度的需要，就必須選取τH/τL比值取極大值的那種復(fù)合中心。

分析表明：①能夠使τH/τL比值取極大值的復(fù)合中心，正好是其τs/τp比值取極小值，因此高速大電流的器件，就難以顧及到高的阻斷電壓，反之亦然；②較高的τH/τL比值，要求復(fù)合中心能級(jí)位于禁帶中央處，這正好也與高τs/τp比值的要求恰恰相反；③τH/τL比值與半導(dǎo)體摻雜濃度有關(guān)，并且變化幅度還與復(fù)合中心能級(jí)的位置有關(guān)。

可見，從載流子壽命的優(yōu)選方面來看，器件的高速大電流性能與高速高耐壓性能一般較難以同時(shí)兼顧。不過，如果選取某種復(fù)合中心，若它的少子壽命對(duì)注入水平具有很高的敏感性的話，使得大注入時(shí)τH最大，小注入時(shí)τL最小，則既可以得到大電流下的較好導(dǎo)通特性，也可以得到小電流時(shí)的較好阻斷特性，那么高速大電流性能與高速高耐壓性能之間的矛盾即可適當(dāng)?shù)鼐徑狻?/div> 文章信息部分來源于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請(qǐng)通知我們及時(shí)修改。