非平衡载流子xin课件.ppt

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1、第五章非平衡载流子§1非平衡载流子的寿命§2准费米能级§3复合理论概要§4陷阱效应§5载流子的扩散和漂移§6连续性方程基本概念1、非平衡态一定温度下，在外界作用下（光照、电场），半导体载流子浓度发生变化，偏离热平衡状态，这种状态就是非平衡状态。2、非平衡载流子(过剩载流子)热平衡状态:n0,p0(载流子浓度的乘积仅是温度的函数)非平衡载流子(过剩载流子)–比平衡状态多出来的这部分载流子:△n,△pn=n0+△n,p=p0+△p非平衡载流子：处于非平衡态中的载流子（n，p）（另一种说法）3、光注入和电注入(1)用光（hv≧Eg）照射半导体产生过剩载流子的方法称为光注入。光注入

2、特点：△p=△n电子空穴成对出现光照∆n∆pnopo光照产生非平衡载流子(2)用电场使半导体中产生过剩载流子的方法称为电注入。电子、空穴不一定同时出现。pn4、小注入和大注入(1)过剩载流子浓度比热平衡时多数载流子浓度小很多—小注入△n＜＜n0n型半导体△p＜＜p0p型半导体例：n型Si1Ωcmn0=5.5×1015cm-3光注入△n=△p=1010cm-3p0=3.1×104cm-3(2)大注入△n＞＞n0n型半导体△p＞＞p0p型半导体§1非平衡载流子的寿命1、非平衡载流子的复合:--当外界因素撤除,非平衡载流子逐渐消失,(电子-空穴复合),体系由非平衡态回到平衡态.热

3、平衡是动态平衡.当存在外界因素,产生非平衡载流子,热平衡被破坏.稳态—当外界因素保持恒定,非平衡载流子的数目宏观上保持不变.光注入引起附加光电导光照R半导体2、非平衡时的附加电导热平衡时：非平衡时：——附加电导率n型：多子：少子：3、非平衡载流子的检测设外接电阻R>>r(样品的电阻)外无光照时：有光照后：4、非平衡载流子随时间的变化规律随光照时间的变化t=0，无光照，Vr=0t>0，加光照△Vrt0↑有净产生(2)取消光照在t=0时，取消照，复合>产生。非平衡载流子在半导体中的生存时间称为非子寿命。△Vrt0↓有净复合5、非平衡载流子的平均寿命假设t=0时，停止光照t=t

4、时，非子浓度为p(t)t=t+t时，非子浓度为p(t+t)在t时间间隔中，非子的减少量：p(t)—p(t+t)单位时间、单位体积中非子的减少为：t0→—P：一个非平衡子,在单位时间内发生复合的次数。假设复合几率为C为积分常数t=0时，0τt非子的平均寿命：t=时，非子浓度减到：τ为非平衡载流子的寿命复合率Δp/τ—单位时间内复合掉的非平衡子浓度（单位时间单位体积净复合消失的电子、空穴对）♦当有外界因素对应空穴产生率Gp,则有:§2准费米能级1、热平衡电子系统的费米能级2、准费米能级的引入1、热平衡电子系统的费米能级热平衡电子系统有统一的费米能级2、准

5、费米能级的引入(1)准平衡态:非平衡态体系中,通过载流子与晶格的相互作用,导带电子子系和价带空穴子系分别很快与晶格达到平衡.--可以认为:一个能带内实现热平衡。导带和价带之间并不平衡(电子和空穴的数值均偏离平衡值)Ec’EcEv’Evhv>Eg导带内电子交换能量价带内空穴交换能量(2)准费米能级EFn,EFP—用以替代EF,描述导带电子子系和价带空穴子系—导带准费米能级—价带的准费能级(3)准费米能级的位置n型材料：略高于EF,远离EFp型材料：略低于EF,远离EF小，大，n型EcEvEFEFnEFpp型EcEvEFEFpEFn(4)非平衡态的浓度积与平衡态时的浓度积(5)

6、问题①掺杂、改变温度和光照激发均能改变半导体的电导率，它们之间有何区别？②在平衡情况下，载流子有没有复合这种运动形式？为什么着重讨论非平衡载流子的复合运动？§3复合理论概要1、   复合类型2、   直接复合3、   间接复合4、表面复合直接复合—导带电子直接跃迁到价带间接复合--导带电子跃迁到价带之前,要经历某一(或某些)中间状态.♦这些中间状态是禁带中的一些能级—复合中心.复合中心可以位于体内,也可以与表面有关.1、复合类型(1)按复合机构分直接复合：•°EcEv间接复合：EcEv•°Et(2)按复合发生的位置分表面复合体内复合表面复合中心(3)按放出能量的形式分发射光

7、子俄歇复合发射声子→辐射复合→无辐射复合→无辐射复合三种释放能量的方式:发射光子(以光子的形式释放能量)—辐射复合(光跃迁)发射声子(将多余的能量传给晶格)—无辐射复合(热跃迁)Auger复合(将多余的能量给予第三者)--无辐射复合(三粒子过程)2、直接复合（1）复合率和产生率①复合率：单位时间、单位体积中被复合的载流子对单位：对(个)/s·cm3RRnpR=rnpr：比例系数——复合几率单位时间一个电子与一个空穴相遇的几率当n=n0，p=p0时，Rn0p0=热平衡态时单位时间、单位体积被复合掉的电子、空穴对数对