半导体物理课件 第六章 非平衡载流子.doc

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1、第六章非平衡载流子处于热平衡状态的半导体在一定温度下载流子密度是一定的。但在外界作用下，热平衡状态将被破坏，能带中的载流子数将发生明显改变，产生非平衡载流子。在半导体中非平衡载流子具有极其重要的作用，许多效应都是由它们引起的，如晶体管电流放大，半导体发光和光电导等都与非平衡载流子密切相关。在大多数情况下，非平衡载流子都是在半导体的局部区域产生的，这些载流子除了在电场作用下作漂移运动外，还要作扩散运动。本章主要讨论非平衡载流子的运动规律及其产生和复合机理。§6-1非平衡载流子的产生和复合一．非平衡载流子的产生。若用n0和p0分别表示热平衡

2、时的电子和空穴密度，则当对半导体施加外界作用使之处于非平衡状态时，半导体中的载流子密度就不再是n0和p0，要比它们多出一部分。比平衡态多出的这部分载流子称过剩载流子，习惯上也称非平衡载流子。设想有一块n型半导体，若用光子能量大于其禁带宽度的光照射该半导体，则可将其价带中的电子激发到导带，使导带比热平衡时多出一部分电子，价带多出了一部分空穴，从而有：（6-1）（6-2）且=（6-3）式中，n和p分别为非平衡状态下的电子和空穴密度，称非平衡多子，称非平衡少子，对于p型半导体则相反。和统称非平衡载流子。图6-1为光照产生非平衡载流子的示意图。

3、通过光照产生非平衡载流子的方法称光注入，如果非平衡载流子密度远小于热平衡多子密度则称小注入。虽然小注入对多子密度的影响可以忽略，但是对少子密度的影响却可以很大。光注入产生的非平衡载流子可以使半导体的电导率由热平衡时的增加到，其中，称附加电导率或光电导，并有：（6-4）若=，则（6-5）67通过附加电导率的测量可直接检验非平衡载流子是否存在。除了光注入外，通过电注入等其他方法也能产生非平衡载流子。二．非平衡载流子的复合与寿命。非平衡载流子是在外界作用下产生的。当外界作用撤除以后，导带中的非平衡电子将回落到价带的空状态中，使电子和空穴成对地

4、消失，直到热平衡状态为止，这个过程即为非平衡载流子的复合。通常把单位时间单位体积内产生的载流子数称为载流子产生率，而把单位时间单位体积内复合的载流子数称为载流子复合率。在热平衡情况下，产生率与复合率相等，使载流子维持一定的密度。当有外界作用时，热平衡状态被破坏，产生率将大于复合率，产生非平衡载流子，使半导体中载流子数目增多。随着非平衡载流子数目的增多，复合率不断增大，当复合率增加到与产生率相等时，非平衡载流子数目则不再增加，达到稳定值。在外界作用撤除后，复合率将大于产生率，从而使非平衡载流子逐渐减少，最后恢复到热平衡状态。实验表明，在只

5、存在体内复合的简单情况下，如果非平衡载流子数目不是太大，则在单位时间内，由于少子与多子的复合而引起非平衡载流子密度的变化，与其密度成正比，即有（6-6）式中比例系数表示每个非平衡载流子在单位时间内被复合的几率，而则是非平衡载流子的复合率。求解（6-6）式可得（6-7）式中，为t=0时的非平衡载流子密度。上式表明，非平衡载流子密度随时间按指数规律衰减。是反映衰减快慢的时间常数，它标志着非平衡载流子在复合前平均存在的时间，所以通常称其为载流子寿命。寿命是表征半导体材料质量的主要参数之一。对于种类﹑纯度和结构完整性不同的半导体，寿命可在10-

6、2~10-9s的范围内变化。一般地，Si﹑Ge容易获得长寿命的样品，可达毫秒量级，GaAs的寿命则很短，约为纳秒量级。三．准费米能级。如前所述，在热平衡情况下，可以用统一的费米能级Ef描述半导体中电子在能级之间的分布。在非平衡情况下，由于有非平衡载流子存在，不再存在统一的费米能级。此时，处于非平衡态的电子系统和空穴系统可以定义各自的费米能级，这种费米能级称准费米能级。设电子和空穴的准费米能级分别为和，则电子和空穴占据能级的几率fn和fp可写为（6-8）（6-9）67对于非简并半导体，电子和空穴密度的表示式与（4-19和（4-22）式有相

7、同的形式（6-10）（6-11）由以上两式可求出电子与空穴密度的乘积为（6-12）由上式容易看出，和之间的差距直接反映了半导体偏离热平衡态的程度，间距越大，偏离越显著。当与重合时，则有统一的费米能级，半导体处于热平衡态。下面讨论一下准费米能级与热平衡态费米能级之间的相对位置。为此，可把（6-10）和（6-11）式改写为==（6-13）==（6-14）或（6-15）（6-16）在有非平衡载流子存在时，由于n>n0，p>p0，所以无论是还是都偏离Ef。偏向导带底，而则偏向价带顶，但二者的偏离程度却是不同的，一般来说多数载流子的准费米能级偏离

8、平衡态费米能级较小，而少子的则很大。§6-2连续性方程当外界作用在半导体中产生非平衡载流子时，电子密度与空穴密度都是空间坐标和时间的函数。连续性方程就是用来描述非平衡载流子的这种函数关系的基本运动方程。一．