半导体中的非平衡过剩载流子

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1、第6章半导体中的非平衡过剩载流子1第6章半导体中的非平衡过剩载流子6．1载流子的产生与复合6．2过剩载流子的性质6．3双极输运6．4准费米能级*6．5过剩载流子的寿命*6．6表面效应2平衡状态下产生率等于复合率产生是电子和空穴的生成过程复合是电子和空穴的消失过程6.1载流子的产生与复合6.1.1平衡半导体36.1载流子的产生与复合6.1.1平衡半导体平衡态半导体的标志就是具有统一的费米能级EF，此时的平衡载流子浓度n0和p0唯一由EF决定。平衡态非简并半导体的n0和p0乘积为称n0p0=ni2为非简并半导体平衡态判据式。46.1载流子的产生与复合6.1.2过剩载流子半导体的平衡态条件并不总

2、能成立，如果某些外界因素作用于平衡态半导体上，如图所示的一定温度下用光子能量hν≥Eg的光照射n型半导体，这时平衡态条件被破坏，样品就处于偏离平衡态的状态，称作非平衡态。1、非平衡态5光照前半导体中电子和空穴浓度分别是n0和p0，并且n0>>p0。光照后的非平衡态半导体中电子浓度n=n0+δn，空穴浓度p=p0+δp，并且δn=δp。比平衡态多出来的这部分载流子δn和δp就称为过剩载流子。n型半导体中称δn为过剩电子，δp为过剩空穴6.1载流子的产生与复合6.1.2过剩载流子2、非平衡载流子的产生：6一般来说：n型半导体中：δn<

3、。6.1载流子的产生与复合6.1.2过剩载流子小注入：过剩载流子浓度远小于平衡态时的多子浓度要说明的是即使满足小注入条件，非平衡少子浓度仍然可以比平衡少子浓度大得多!!!因此相对来说非平衡多子的影响轻微，而非平衡少子的影响起重要作用。通常说的非平衡载流子都是指非平衡少子。大注入：过剩载流子浓度接近或大于平衡时多子的浓度7热平衡状态下，导带中的电子可能会落入价带中，从而带来过剩电子-空穴的复合过程。也可以说半导体由非平衡态恢复到平衡态的过程，也就是非平衡载流子逐步消失的过程，称为非平衡载流子的复合。6.1载流子的产生与复合6.1.2过剩载流子3、非平衡载流子的复合：84、过剩少子的寿命光照停止

4、后非平衡载流子生存一定时间然后消失，所以过剩少子浓度是一个与时间有关的量。把撤除光照后非平衡载流子的平均生存时间τ称为非平衡载流子的寿命。由于非平衡少子的影响占主导作用，故非平衡载流子寿命称为少子寿命。为描述非平衡载流子的复合消失速度，定义单位时间单位体积内净复合消失的电子-空穴对数为非平衡载流子的复合率。6.1载流子的产生与复合6.1.2过剩载流子96.1载流子的产生与复合6.1.2过剩载流子考虑小注入条件下，若n型半导体在t=0时刻非平衡载流子浓度为(δp)0，并在此时突然停止光照,δp(t)将因为复合而随时间变化，也就是非平衡载流子浓度随时间的变化率-dδp(t)/dt等于非平衡载流子

5、的复合率δp/τ，即上式的解为表明光照停止后非平衡载流子浓度随时间按指数规律衰减。106.1载流子的产生与复合6.1.2过剩载流子说明：的大小反映了外界激励因素撤除后非平衡载流子衰减速度的不同，寿命越短衰退越快。不同材料或同一种材料在不同条件下，其寿命τ可以在很大范围内变化。扩散长度：少子在被湮灭之前能够在大量多子内扩散的平均距离.11按复合过程中载流子跃迁方式不同分为：直接复合：是电子在导带和价带之间的直接跃迁而引起电子-空穴的消失；间接复合：指电子和空穴通过禁带中的能级(称为复合中心)进行的复合。按复合发生的部位分为体内复合和表面复合。伴随复合载流子的多余能量要予以释放，其方式包括发射光

6、子(有发光现象)、把多余能量传递给晶格或者把多余能量交给其它载流子(俄歇复合)。6.1载流子的产生与复合6.1.2过剩载流子5、非平衡载流子几种不同的复合形式：126.1载流子的产生与复合6.1.2过剩载流子过剩载流子的产生与复合相关符号13146.2过剩载流子的性质6.2.1连续性方程总增加量：单位时间内由ｘ方向的粒子流产生的空穴的净增加量两边同时除以6.2过剩载流子的性质6.2.1连续性方程空穴连续性方程：电子连续性方程：p表示空穴密度；t表示时间；FP+表示空穴粒子的流量(个/cm2s)；gp表示空穴产生率；τpt包括热平衡载流子寿命和非平衡载流子寿命；156.2过剩载流子的性质6.2

7、.2与时间有关的扩散方程与时间有关的扩散方程n0p0与空间时间无关166.3双极输运双极输运外加电场感应内建电场带负电的电子和带正电的空穴以同一个迁移率或扩散系数一起漂移或扩散的现象称为双极输运。176.3双极输运双极输运方程双极输运方程的推导与时间有关的扩散方程18上式乘以　　　　　下式乘以6.3双极输运双极输运方程双极输运方程双极扩散系数双极迁移率196.3双极输运掺杂与小注入小注入条件下：P型半导体中有