半导体物理第五章非平衡载流子

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1、第五章非平衡载流子在外界因素的作用下，能带中的载流子数目发生明显的改变，即产生非平衡载流子。晶体管放大半导体发光光电导本章内容：非平衡载流子的注入，非平衡载流子的复合与寿命，陷阱效应，非平衡载流子的扩散等。5.1非平衡载流子的注入与复合1、半导体的热平衡状态与非平衡状态载流子产生率：单位时间单位体积半导体内产生电子－空穴对数目。载流子复合率：单位时间单位体积内复合的电子－空穴对数目。热平衡：产生率＝复合率平衡载流子浓度：通常对于半导体内产生的非平衡载流子满足：如果非平衡载流子的浓度远小于平衡多数载流子的浓度，称小注入。如n0=5.5×1015,P0=3.1×

2、104，Δn＝1010即使在小注入的情况下，非平衡少数载流子比平衡少数载流子的浓度大很多，非平衡多数载流子可以忽略。在非平衡状态下，载流子浓度不满足np＝ni22、非平衡载流子的注入和检验外界因素的作用使半导体产生非平衡载流子，称非平衡载流子的注入。5.2非平衡载流子寿命1.非平衡载流子复合衰减规律及其寿命2、寿命测量的实验方法实验测量非平衡载流子的寿命通常称为半导体材料的寿命5.3准费米能级分别引入导带和价带费米能级－准费米能级(1)非平衡载流子浓度越高，准费米能级偏离越远；(2)一般在非平衡态时，往往总是少数载流子准费米能级的偏离大于多数载流子能级的偏离

3、；(3)np与n0p0的偏离反映半导体偏离热平衡的程度5.4非平衡载流子复合1复合过程的性质半导体中电子和空穴相遇而消失的过程称为载流子复合（对应产生），复合率，产生率。热平衡：产生率＝复合率→n0,p0不变非平衡注入：产生率＞复合率→n,p增加稳定注入：产生率＝复合率→n,p稳定注入撤销：产生率＜复合率→n,p减少恢复平衡：产生率＝复合率→n0,p0不变对于注入撤销时的非平衡态：复合过程：直接复合和间接复合直接复合：直接从导带跃迁到价带引起电子空穴复合。间接复合：电子和空穴通过禁带中的能级进行复合。载流子复合时释放能量：发射光子，发射声子，俄歇复合。载流子

4、复合率－载流子产生率＝载流子的净复合率＝非平衡载流子复合率＝p/2.直接复合载流子复合率：载流子产生率：小注入：大注入：载流子的净复合率＝非平衡载流子复合率＝p/计算Si:3.5s，Ge：0.3S实验测量大概在几个ms。结论：直接复合不是决定作用，间接复合其主要作用，决定材料的寿命。3.间接复合杂质和缺陷在禁带中形成的杂质能级，有促进非平衡载流子复合的作用，称这些起促进复合作用的杂质和缺陷为复合中心，对应的杂质能级为复合中心能级。（1）俘获电子过程（2）发射电子过程单位体积单位时间被复合中心俘获的电子数。Nt复合中心浓度，nt复合中心上电子浓度。电子

5、产生率＝s-nt平衡时，甲乙过程相互抵消，s-nt0=rnno(Nt-nto)s-=rnn1（3）俘获空穴过程（4）发射空穴过程平衡时空穴的产生和俘获相互抵消结论：（1）非平衡载流子的寿命与复合中心密度成反比；（3）对于小注入轻掺杂n型半导体，寿命与电导率成反比。（2）对于小注入n型高掺杂半导体，与材料电导率无关；作为间接复合的例子，讨论金在硅中的复合作用EtA在导带底下0.54V；EtD在价带顶上0.35V.实验：（1）金浓度5×1015cm-3，p=1.7×10-9s,n=3.2×10-9s；(2)在n型中，金浓度从1014~1017cm-3,寿命从

6、10-7~10-10s5.5陷阱效应陷阱效应与陷阱中心杂质能级：施主作用，复合中心，缺陷陷阱效应杂质能级的积累非平衡载流子的作用就称为陷阱效应。陷阱效应也是杂质能级在有非平衡载流子的情况下发生的一种效应。相应的杂质和缺陷称为陷阱中心。陷阱效应的分析5.6非平衡载流子的扩散1.一维稳定扩散Sp扩散流密度，Dp扩散系数单位时间单位体积内积累的空穴数(1)样品足够厚(2)样品厚度w如果w<

7、空穴的积累率由于漂移，空穴的积累率2、连续性方程的应用1）光激发撤销非平衡载流子的衰减2）一维稳态下的非平衡载流子的漂移和扩散运动稳态连续方程若Lp(E)》Lp(强场）扩散可忽略，表面注入非平衡载流子深入样品的平均距离近似为牵引长度。若场较弱，Lp(E)《Lp3）少数载流子脉冲在电场中的漂移无电场有电场表面光恒定，p不随时间变化，材料均匀：牵引长度