半导体物理-载流子注入new

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1、半导体物理SEMICONDUCTORPHYSICS编写：刘诺副教授独立：刘诺副教授动画：刘诺，陈洪彬，赵翔，韩劲松Email:liunuo2002@yahoo.com.cn电子科技大学微电子与固体电子学院微电子科学与工程系第五章非平衡载流子Carrierconcentrationsinunequilibrium重点¢1、非平衡载流子的产生¢2、非平衡载流子的复合¢3、非平衡载流子的运动规律§5.1非平衡载流子的注入与复合InjectionandRecombinationofCarriers一、非平

2、衡载流子及其产生非平衡态：系统对平衡态的偏离。相应的：n=n+⊿n0p=p+⊿p0且⊿n=⊿p非平衡载流子：⊿n和⊿p（过剩载流子）InjectionandRecombinationofCarriers小注入条件小注入条件当非平衡载流子的浓度△n和△p《多子浓度时，这就是小注入条件小注入条件。举例>电阻率为1Ω⋅cm的n−Si15−3⎧⎪n0=5.5×10cm其平衡载流子浓度⎨,4−3⎪⎩p=3.1×10cm010−3非平衡载流子浓度∆n=∆p=10cmInjectionandRecombinat

3、ionofCarriers则∆n〈〈n而∆p〉〉p0015−3⎧⎪n=n0+∆n≈n0≈5.5×10cm⎨10−3⎪⎩p=p+∆p≈∆p≈10cm0小注入条件下非平衡少子∆p对平衡少子p的影响大于平衡载流子的影响0InjectionandRecombinationofCarriers⎧n=n+∆n≈n00⎨p=p+∆p≈∆p⎩0¢Acaseoflow-levelexcess-carriergenerationInjectionandRecombinationofCarriers二、产生过剩载流子的

4、方法¢光注入¢电注入¢高能粒子辐照¢…InjectionandRecombinationofCarriersσ=nqµ+pqµnp=(n+∆n)qµ+(p+∆p)qµ0n0p=(n0qµn+p0qµp)+(∆nqµn+∆pqµp)=σ+∆σ0注入的结果产生附加光电导故附加光电导∆σ=∆nqµ+∆pqµnp=∆nq(µn+µp)InjectionandRecombinationofCarriers三、非平衡载流子的复合¢光照停止，即停止注入，系统从非平衡态回到平衡态，电子-空穴对逐渐消失的过程。¢即

5、：¢△n=△p0§5.2非平衡载流子的寿命LifetimeofCarriersatnonequilibriumLifetimeofCarriersatnonequilibrium1、非平衡载流子的寿命寿命τ⇐非平衡载流子的平均生存时间1⇐单位时间内非平衡载流子的复合几率τ⎧1⎯⎯→单位时间内非平衡电子的复合几率⎪⎪τn例如⎨1⎪⎯⎯→单位时间内非平衡空穴的复合几率⎪τ⎩pLifetimeofCarriersatnonequilibrium⎛1⎞⎜⎟∆p=U⇒非平衡空穴的复合率⎜⎟pτ⎝p⎠⎛1⎞⎜

6、⎟∆n=U⇒非平衡电子的复合率⎜⎟nτ⎝n⎠d[∆p(t)]则在单位时间内非平衡载流子的减少数=−dt∆p而在单位时间内复合的非平衡载流子数=τp如果在t=0时刻撤除光照d[∆p(t)]∆p则−=⎯⎯→()1dtτpLifetimeofCarriersatnonequilibrium在小注入条件下，τ为常数t−解方程()1得到∆p()t=∆p(0)eτp⎯⎯→()2t−同理也有∆n()t=∆n(0)eτn⎯⎯→()3LifetimeofCarriersatnonequilibriumt−∆p()t

7、=∆p(0)eτpLifetimeofCarriersatnonequilibrium2、寿命的意义对()2式求导∆p()td[]∆p()t=−dt⇒衰减过程中从t到t+dt内复合掉的过剩空穴τp因此⇐(∆p)个过剩载流子的平均可生存时间为0∞−∫td[]∆p()tt=0=⎯⎯→()3τ∞p∫d[]∆p()t0同理∞−∫td[]∆n()tt0()4==τ⎯⎯→∞n∫d[]∆n()t0LifetimeofCarriersatnonequilibrium可见τ⎧−1∆p()=(∆p)eτ=()∆p⎯⎯

8、→()⎪τ500⎪e⎨τ⎪−1∆n()=(∆n)eτ=()∆n⎯⎯→(6)τ⎪00⎩e1⇒τ就是∆p()t衰减到(∆p)的所需的时间0e§5.3准费米能级平衡态的特征：具有统一的费米能级Qusi-FermiLevelEFEc−EF⎧−k0T⎪n=Ne0c⎨EF−Ev⎪−k0Tp=Ne⎩0vQusi-FermiLevel非平衡态的电子与空穴各自处于热平衡态准平衡态，但具有相同的晶格温度：⎧1f()E=n⎯⎯→()1⎪nE−EF⎪⎪k0T1+e⎨1⎪f()E=⎯⎯→()2ppE−E⎪F