非平衡载流子分析课件.ppt

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1、非平衡载流子Non-equilibriumCarrier第五章主要内容：*掌握非平衡载流子的概念，以及其产生与复合的一般过程，了解非平衡载流子对电导率的影响。*理解非平衡载流子寿命的概念，掌握非平衡载流子浓度随时间的变化规律及常用的测量寿命的方法。*理解准费米能级的概念，并能用其表征非平衡态时载流子浓度和衡量半导体偏离平衡态的程度。*掌握几种复合机构和复合理论。*理解陷阱的概念和陷阱效应。*载流子的扩散运动和漂移运动，了解爱因斯坦关系式及少数载流子遵循的方程——连续性方程。§5.1非平衡载流子的注入与复合处于热平衡状态的半导体，在一定温度

2、下，载流子的浓度是一定的。平衡载流子非简并条件下，半导体处于热平衡的判据式：当对半导体施加外界作用时，出现与平衡态的偏离，载流子浓度发生变化，可比no和po多出一部分，即非平衡载流子。一、非平衡载流子的产生1．光注入光照∆n∆pnopo光照产生非平衡载流子用波长比较短的光照射到半导体2．电注入（PN结正向工作时）3．非平衡载流子浓度的表示法产生的非子一般都用n，p来表示。达到动态平衡后：n=n0+np=p0+pn0，p0为热平衡时电子浓度和空穴浓度，n，p为非子浓度。对同块材料：非平衡载流子浓度有：n=p热平衡时n0·p0

3、=ni2，非平衡时，n·p＞ni2n型：n—非平衡多子p—非平衡少子p型：p—非平衡多子n—非平衡少子注意：n，p—非平衡载流子的浓度n0，p0—热平衡载流子浓度n，p—非平衡时导带电子浓度和价带空穴浓度4．大注入、小注入●注入的非平衡载流子浓度大于平衡时的多子浓度，称为大注入。n型：n>n0，p型：p>p0●注入的非平衡载流子浓度大于平衡时的少子浓度，小于平衡时的多子浓度，称为小注入。n型：p0<n

4、了，对多子而言，影响可以忽略。所以，非子就是指非平衡少子。二、非平衡时的附加电导光照R半导体光注入引起附加光电导电阻R比半导体的电阻大得多，可以认为通过半导体的电流基本不变△V△σ△p或△n的变化热平衡时：非平衡时：——附加电导率n型：多子：少子：当外加的作用撤销后，将会有什么现象？三、非平衡载流子的复合光照停止，即停止注入，系统从非平衡态回到平衡态，电子-空穴对逐渐消失的过程。即：△n=△p0§5.2非平衡载流子的寿命1、非平衡载流子的寿命2．非子的平均寿命的计算(1)随光照时间的变化t=0，无光照，Vr=0（由于光照导致半导体电阻

5、变化造成的压降变化）t>0，加光照△Vrt0↑有净产生(2)取消光照在t=0时，取消照射，复合>产生。△Vrt0非平衡载流子在半导体中的生存时间称为非子寿命。↓有净复合（3）非子的平均寿命假设t=0时，停止光照t=t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：当t0时，t时刻单位时间单位体积被复合掉的非子数，为：复合概率为：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∴§5

6、.3准费米能级一、非平衡态的电子与空穴各自处于热平衡态准平衡态：对于价带和导带的电子而言，它们各自基本处于平衡态，尽管导带和价带之间不平衡二、非平衡态时的载流子浓度1．表达式：热平衡态时：非平衡时：非子越多，准费米能级偏离原来EF就越远2．准费米能级的位置同理：n型材料N型材料：略高于EF,远离EF（因为⊿p>>p0）P型材料：略低于EF,远离EF小，大，N型EcEvEFEFnEFpP型EcEvEFEFpEFn3．非平衡态的浓度积与平衡态时的浓度积ni2EFn和EFp两者相差愈大偏离平衡愈厉害§5.4复合理论一、载流子的复合形式：按复合机

7、构分：直接复合：间接复合：•EcEvEcEv•Et内部的相互作用引起微观过程之间的平衡，即非平衡向平衡的过度，即非子的复合。复合理论是个统计性的理论。直接复合：间接复合：EgEvEc按复合发生的位置分表面复合体内复合按放出能量的形式分发射光子俄歇复合发射声子→辐射复合→无辐射复合二、非子的直接复合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（电子—空穴对），量纲为：对(个)/s·cm3用R(restore)表示RnpR=rnpr：比例系数，它表示单位时间一个电子与一个空穴相遇的几率，通常称为复合系数或复合概率和速

8、度相关的统计量当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、空穴对数对直接复合，用Rd表示复合率Rd=rdnp—非平衡Rd=rdn0p0—热平衡rd为直接复合