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1、第五章非平衡载流子§5.1非平衡载流子的产生和复合一．非平衡载流子的产生合复合：疏运现象研究能带中载流子的分布、传输1．非平衡载流子的产生：外界因素引起载流子的带间跃迁给定T，热平衡时载流子的浓度恒定统计涨落：均很小外界因素作用（光照、电注入、热量（热探针））非平衡状态1)非平衡载流子：外界因素作用下比平衡态多出来的那部分载流子也称过剩流子2)光注入：用光照使半导体产生非平衡载流子的方法，要求hγ≥Eg此时对N型而言：Δn是非平衡多子，Δp是非平衡少子：3)小注入：对N型例：300K的N型Si：对小注入：可忽略但Δp=1010>>p0比平衡空穴增加了4～5个量级非平衡少子对器件起
2、重要作用。4)电导调制效应：→附加电导率2.非平衡载流子的复合：复合:外部作用撤除后，半导体由非平衡态恢复到平衡态，非平衡载流子消失的过程1）热平衡：由于热激活跃迁→载流子的产生=载流子的复合→达到给定T的动态平衡2）以光注入为例：光照时→产生>复合→形成非平衡载流子→达到新平衡；撤除光照，因非平衡载流子存在复合>产生→非平衡→热平衡3.非平衡载流子的寿命（少子寿命）：定义：非平衡载流子在外部作用去除后的平均生存时间，称非平衡为载流子的寿命。则1/τ既是每个非平衡载流子单位时间的复合几率，也是所有非平衡载流子在单位时间内被复合的分数。而Δp/τ：非平衡载流子的复合率→单位体积和时
3、间内消失的Δn(Δp)单位时间内非平衡载流子的浓度变化若t=0时,Δp(0)=Δp0则解为,(5－1)意义：撤除外部作用后。非平衡载流子呈指数衰减，时间常数则为τ。非平衡载流子的平均存在时间为：也称为少子寿命寿命是半导体材料质量的主要参数：对Ge可达10ms级；Si:ms级；GaAs:ns级3直流光电导衰减法测寿命：P.117,Fig.5-2如图5－2,(半导体电阻)，,而R∝1/σ,∴由电压的V～t关系曲线可测出寿命τ二、准费米能级热平衡是，用统一的费米能级Ef描述平衡态时载流子在能级之间的分布，非简并时EF反映载流子填充水平:N型→EF偏向EC→n多P型→EF偏向EV→p多非
4、平衡态时，上式不再成立，不存在统一的费米能级以N型为例：非平衡载流子出现导带上电子数目变化很小但即价带上空穴数目变化很大；即（电子准费米能级）,偏离很小但（空穴准费米能级）,偏离很大此时有：(5－2)(5－3)意义：与偏离越大，半导体偏离平衡态越远，和也越大而当和重合时，→回到平衡态，无和5．2非平衡载流子的扩散和漂移一、浓度梯度的形成：均匀掺杂，浓度梯度1，扩散：外界作用→在一定区域产生非平衡载流子→→形成浓度梯度→扩散扩散机理：浓度（化学势）梯度作用下→载流子（粒子）定向运动扩散流密度：单位时间穿过单位面积的粒子数∝梯度（浓度，化学势）(5－4)Dn,Dp分别为电子、空穴的扩
5、散系数[]负号表示扩散流从高浓度向低浓度进行2，半导体扩散电流的作用：对非平衡少子非常重要∵1）非平衡时，少子数目少→电场下少子漂移电流可忽略（与多子比）；且少量少子无法形成显著的浓度梯度→平衡少子扩散电流也可忽略2）非平衡少子→比平衡少子高几个数量级，且分布不均匀→可形成显著的扩散电流。3）低电场时：多子漂移可忽略;少子扩散电流可成为主要电流二、非平衡少子的扩散：光1,无限厚样品：如右图光照产生非平衡载流子空穴左多右少→梯度、扩散→当→时,JP随x而变，则对dx薄层中单位时间单位体积内积累的空穴数（积累率）为(5－5)稳定时应等于单位时间单位体积内复合掉的空穴数:少子寿命，R:
6、复合率稳态扩散方程为：(5－6)通解为：(5－7):非平衡少子扩散长度边界条件：x=0,∆p=∆po;x=∞时Δp=0代入得A=Δp0,B=0指数衰减（5－8）非平衡少子平均扩散距离：扩散长度（5－8）代入（5－4），得扩散流密度为：(5－9)意义：1)Dp,τ越大，Lp越大，深入体内越深2)因扩散流密度是速度与浓度的乘积称Dp/Lp为空穴的扩散速度3)若光照时单位面积上产生的电子—空穴对数目为Q则稳定时Q应等于表面的扩散流密度，即2,有限厚度w，且非平衡少子在另一端因表面或电极抽取而消失即边值为：x=0,Δp=Δp0；x=w,Δp=0则由(5－7)可得(sin应为sinh)(5
7、－10)对极薄样品扩散流密度是常数意义：1)平均浓度梯度～Δp0/w2)扩散流密度jp是常数，因薄区内无复合3)与晶体管基区的情况相符3,扩散电流密度：因空穴带电→形成非平衡空穴扩散电流(5－11)仿此对电子扩散可得扩散方程为(5－12)非平衡电子扩散电流:(5－13)三，非平衡少子的漂移（N型）：设电场较强，少子扩散可忽略少子连续性方程：(5－14)令,上式解为(5－15)意义：1)由于复合，非平衡少子在漂移时浓度随距离呈指数衰减2)空穴牵引长度LE：非平衡空穴因漂移在复合前的
