半导体物理分章答案第五章.ppt

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1、第五章非平衡载流子Carrierconcentrationsinunequilibrium重点:1、平衡与非平衡半导体判定标准2、复合理论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产生非平衡载流子的过程称为非平衡载流子的注入。(1)常见的注入方式:1、非平衡载流子及其产生(注入)光注入电注入高能粒子辐射热注入(2)非平衡载流子浓度用△n和△p表示:n=n0+△n;p=p0+△p一般:△n=△p例如:电阻率为1Ω·cm的n型Si,其平衡载流子浓度为:

2、n0=5.5×1015cm-3p0=3.1×104cm-3非平衡载流子浓度为:△n=△p=1010cm-3则△n<>p0n=n0+△n≈n0≈5.5×1015cm-3p=p0+△p≈△p≈1010cm-3小注入条件下非平衡少数载流子对半导体的影响更为显著。(3)小注入条件:当非平衡载流子浓度△n和△p远远小于多子浓度时,称为小注入条件。(4)非平衡半导体的电导率非平衡载流子注入的结果:产生附加电导通过附加电导率的测量可以直接检验非平衡载流子的存在.复合:导带中的电子放出能量跃迁回价带,使导带电子与价带空穴成对消失的过

3、程。非平衡载流子逐渐消失的过程称为非平衡载流子的复合,是被热激发补偿后的净复合。3、非平衡载流子的复合ECEV电子空穴产生复合如:光照停止,即停止注入,系统从非平衡态回到平衡态,非平衡载流子逐渐消失的过程。§5.2非平衡载流子的寿命LifetimeofCarriersatunequilibrium寿命τ:非平衡载流子的平均生存时间。由于小注入时,非平衡少子是影响半导体特性的主要因素,所以将非平衡载流子的寿命称为少子寿命。用τp和τn分别表示n型和p型半导体的少子寿命。1、非平衡载流子的寿命可以证明单位时间内非平衡载流子的复合几率等于

4、由此解得设:光照产生的非平衡载流子浓度为△n=△p=(△p)0;并用表示单位时间内非平衡载流子的复合几率。如果在t=0时刻撤除光照,则在dt时间内非平衡载流子的减少数为:则(5-4)2、非平衡载流子的衰减规律tΔp因此,(Δp)0个电子空穴对的平均可生存时间为:(5-7)可见,3、直流光电导衰减法测量寿命半导体选择串联电阻RL的阻值远大于样品电阻R.当样品的电阻因光照而改变时,流过样品的电流I基本不变.则电阻改变可见§5.3准费米能级Qusi-Fermilevel存在非平衡载流子的非平衡情况下,导带和价带之间载流子的复合与热激发失去

5、平衡,无法用统一费米能级所确定的分布函数描述两个能带中的电子分布。但是在各自能带内部,由于能级分布非常密集,热跃迁十分频繁,在远远短于少子寿命的时间内,其电子分布便趋于相应的平衡分布。因此可以分别用不同的费米分布函数来描述相应的电子分布。由此引入的费米能级称为准费米能级。非平衡态的电子与空穴各自处于热平衡态则→空穴准费米能级→电子准费米能级对于非简并系统,可求得:(5-9)相应地,准费米能级偏离费米能级的情况EcEFEv证明:由与有与小注入时所以即即而如果→0,则此时的非平衡态接近平衡态。§5.4复合理论TheoryofRecomb

6、ination根据复合发生的机理可分为:(1)直接复合:电子在导带和价带之间通过本征跃迁引起的复合。其逆过程是本征激发。(2)间接复合:杂质或缺陷可在禁带中引入能级,通过禁带中能级发生的复合被称作间接复合。相应的杂质或缺陷被称为复合中心。根据放出能量的方式可分为:(1)发射光子,辐射复合;(2)发射声子,热复合;(2)将能量传给其它载流子,俄歇(Auger)复合。根据复合发生的位置,可分为体复合和表面复合。1、直接复合热激发产生率G:单位时间·单位体积激发产生的电子-空穴对复合率R:单位时间·单位体积复合消失的电子-空穴对R=rnp

7、(5-12)其中,r是电子-空穴的复合几率,与温度和能带结构有关。ECEV电子空穴产生复合ECEV电子空穴产生复合(2)非平衡态Ud=R-G=rnp-rn0p0=r(np-ni2)非平衡载流子的复合率Ud=复合率–产生率。把n=n0+△p,p=p0+△p以及△n=△p代入上式,得到Ud=r(n0+p0)△p+r(△p)2(5-16)所以,非平衡载流子的寿命为:(5-17)(1)平衡态G=R=rn0p0=rni2(5-14)在非简并情况下,产生率G仅是温度的函数。即,当温度一定,半导体材料的G在平衡态和非平衡态状态下数值相等。讨论1.

8、小注入情况:△p和△n<>p0②对于强P型半导体:n0<>n0+p0寿命与非平衡载流

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