哈工大半导体物理-第5章.ppt

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1、第5章非平衡载流子主要讨论非平衡载流子的产生和复合机制及它们的运动规律。§5.1非平衡载流子的注入与复合§5.2非平衡载流子的寿命§5.3准费米能级§5.4复合理论§5.5陷阱效应§5.6载流子的扩散运动§5.7载流子的漂移运动，爱因斯坦关系式§5.8连续性方程式1第5章非平衡载流子§5.1非平衡载流子的注入与复合一、平衡载流子和非平衡载流子平衡载流子：处于热平衡态的半导体，在一定温度下，载流子浓度是恒定的。本章用n0和p0分别表示平衡电子浓度和平衡空穴浓度。非简并热平衡半导体判据：n0p0=NcNvexp(-Eg

2、/k0T)=ni2G0=R0EvEcG0R0n0p0EiG0载流子的产生率；R0载流子的复合率2第5章非平衡载流子非平衡载流子：对半导体施加外界作用，可使其处于非平衡状态，此时比平衡态多出来的载流子称为非平衡载流子，也称为过剩载流子。n型半导体，电子称为多数载流子，空穴称为少数载流子：n>p对于P型材料则相反。EvEcGRG>R外界作用通常为局部的光，电，太空射线等3第5章非平衡载流子二、非平衡载流子的注入设想有一个N型半导体，用光照射，光子的能量大于禁带宽度时,则可将该半导体价带的电子激发到导带，使导带比平衡时多

3、出一部分电子Δn,价带比平衡时多出一部分空穴Δp。在这种情况下称为载流子的光注入。电子浓度和空穴浓度分别为:Δn和Δp就是非平衡载流子浓度，Δn为非平衡多数载流子浓度，简称非平衡多子；Δp为非平衡少数载流子浓度，简称非平衡少子。EvEcGRG>R且Δn=Δphv>EgΔnΔpΔn4第5章非平衡载流子二、非平衡载流子的注入小注入：如果非平衡少数载流子的浓度远小于平衡多数载流子的浓度，则称为小注入。小注入判据：n型半导体Δp<

4、-3；p0=3.1×104cm-3注入非平衡载流子Δn=Δp=1010cm-3则Δp<>p0由此说明，即使在小注入情况下，虽然多子浓度变化很小，可以忽略。但非平衡少子浓度还是比平衡少子浓度大很多，因而它的影响是十分重要。非平衡少子起着主要作用。通常所说的非平衡载流子都是指非平衡少数载流子5第5章非平衡载流子因，Δn=Δp电导调制效应：注入的非平衡载流子可以引起半导体的电导率由平衡值σ0增加为σ0+Δσ，附加电导率Δσ可表示为：则有，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。R>>r,V=I

5、r,小注入ΔV=IΔr,ΔV∝Δp半导体附加光电导实验hv6第5章非平衡载流子载流子注入方法：即能量传递方式，有多种产生非平衡载流子的方法：光注入：用光照产生非平衡载流子的方法电注入：用电场产生非平衡载流子的方法。如，P-N结加正向电压，在接触面附近产生非平衡载流子。另外，当金属与半导体接触时，加上适当极性的电压，也可以注入非平衡载流子。7第5章非平衡载流子三、非平衡载流子的复合非平衡载流子是在外界作用下产生的,当外界作用撤除后，由于半导体的内部作用,非平衡载流子将逐渐消失,也就是导带中的非平衡载流子落入到价带的空

6、状态中,使电子和空穴成对地消失,这个过程称为非平衡载流子的复合8第5章非平衡载流子非平衡载流子的复合是半导体由非平衡态趋向平衡态的一种驰豫过程此过程。载流子的复合率S大于产生率G，有净复合。载流子的产生率G：把单位时间单位体积内产生的载流子数称为载流子的产生率载流子数的复合率S：单位时间单位体积内复合的载流子数称为载流子的复合率。t=0时，外界作用停止，Δp将随时间变化，衰减Δp→0半导体载流子复合实验9第5章非平衡载流子§5.1节小结①在热平衡情况下，由于半导体的内部作用，产生率和复合率相等，使载流子浓度维持一定

7、。②当有外界作用时(如光照)，破坏了产生和复合之间的相对平衡，产生率将大于复合率，使半导体中载流子的数目增多,即产生非平衡载流子。③随着非平衡载流子数目的增多，复合率增大。当产生和复合这两个过程的速率相等时，非平衡载流子数目不再增加,达到稳定值。④在外界作用撤除以后，复合率超过产生率，结果使非平衡载流子逐渐减少，最后恢复到热平衡状态。10第5章非平衡载流子§5.2非平衡载流子的寿命实验证明：n型半导体，Δp<

8、的变化dΔp/dt，与它们的浓度Δp成比例，即：一、少子寿命11第5章非平衡载流子所以，1/τ是单位时间内每个非平衡载流子被复合掉的几率；Δp/τ是非平衡载流子的复合率。1/τ表示在单位时间内复合掉的非平衡载流子在现存的非平衡载流子中所占的比例。解方程,得：t=0时，Δp(0)=Δp0,C=Δp00tΔp0Δp0/eΔpτ12第5章非平衡载流子て是反映Δp衰