半导体物理笔记五章(修正版)

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1、§2非平衡载流子的寿命l当外界因素撤除后，非平衡载流子浓度△n（△p）是随时间按指数规律逐渐衰减，即非平衡载流子在导带和价带之间有一定的生存时间，但长短不一。非平衡载流子在外界因素撤除后的生存时间的平均值称为非平衡载流子的寿命，记作，因非平衡少子作用显著，通常指非平衡在少子寿命自由时间倒数=P，寿命的倒数相当于复合几率l非平衡载流子的复合率：单位时间单位体积净复合而消失的电子--空穴对数复合率=-，设t=0时刻非平衡载流子浓度为(Δp)0，并在此时突然停止光照，Δp(t)将因为复合而随时间变化，也就是非平衡载流子浓度随时间的变化率-dΔp(t

2、)/dt等于非平衡载流子的复合率Δp/τ，即解为τ是△n（△p）平均生存时间，因为令t=τ则l非平衡载流子的平均生存时间，也就是非平衡载流子浓度衰减到原值的倍时经历的时间l的大小反映了外界激励因素撤除后非平衡载流子衰减速度的不同，寿命越短衰退越快。l不同材料或同一种材料在不同条件下，其寿命τ相差很大Ge~Si~GaAs-s数量级§3准费米能级热平衡条件下，非简并半导体具有统一的费米能级。，称为电子/空穴的准费米能级平衡态下无统一的费米能级比EF高，但偏离很小;比EF低，且偏离很大上式说明，和两者之差反映了样品偏离平衡态的程度。和之差越大距离平

3、衡态就越远，反之就越接近平衡态，若和重合就是平衡态了下图是n型半导体小注入前后EF、和示意图§4复合理论非平衡载流子复合→直接复合：电子在导带和价带之间的直接跃迁而引起的电子和空穴的复微观机制合消失过程↘间接复合：电子空穴通过禁带中的能级复合伴随着复合过程，载流子要将多余能量释放出来，方式→发射声子↘释放光子↘传递给其他载流子（俄歇复合）位置上区分：体内复合，表面复合直接复合带间直接复合带间俄歇复合间接复合直接俘获俄歇俘获1、直接复合P120~P122设导带（价带）电子（空穴）的浓度为n（p），则复合率R=rnp，产生率G=常数=热平衡态下R

4、=直接复合的净复合率直接复合决定的l复合几率r越大，净复合率Ud越大，τ就越小。lτ与平衡和非平衡载流子浓度n0、p0、Δp都有关。l小注入下，τ≈1/r(n0+p0)为常数（对于Δp<<(n0+p0)n型τ≈1/rn0，对于Δn<<(n0+p0)p型，τ≈1/rp0）。若大注入下Δp>>(n0+p0)，则τ≈1/rΔp不为常数。lSi、Ge两种半导体的寿命远小于直接复合模型所得到的计算值，说明直接复合不是主要机制。但对InSb，Eg=0.18eV，Te的Eg=0.3eV等窄禁带半导体直接复合占优势。另外对GaAs而言直接复合也不能忽略。l直

5、接复合对直接带隙半导体都不是主要复合机构l直接复合强弱与能带结构和Eg值等因素有关2、间接复合u实验表明半导体杂质和缺陷越多，非平衡载流子的寿命越短，反映了杂质能级和缺陷能级具有促进复合的作用，促进复合过程的杂质能级和缺陷能级为复合中心u非平衡载流子通过复合中心的作用复合称为间接复合当只存在一个复合中心能级Et时，相对于Et存在如图所示的四个过程：(甲)复合中心能级Et从导带俘获电子；(乙)复合中心能级Et向导带发射电子；(丙)复合中心能级Et上电子落入价带与空穴复合；(丁)价带电子被激发到复合中心能级Et。(甲)和(乙)互为逆过程，(丙)和

6、(丁)也互为逆过程。设导带（价带）电子（空穴）的浓度为n（p），假定复合中心浓度Nt，复合中心能级Et上的电子浓度nt，则（Nt-nt）是未被电子占据的复合中心能级（浓度）①②乙过程：单位时间单位体积复合中心能级Et向导带发射的电子数，称为电子产生率。热平衡态时，甲=乙，∴非简并情况下③丙过程：空穴俘获率=④丁过程：空穴产生率=热平衡态下丙=丁，则有稳态时，甲+丁→Et俘获电子过程乙+丙→Et发射电子过程（电子积累）甲+丁=乙+丙（电子减少）净复合率：（净俘获的电子）甲—乙=丙—丁（净俘获的空穴）定义：，间接复合率表达式由得到：，推导详细过程

7、见P125结论：①②与Δp、Δn无关间接复合中：与有关，Ec-EF，Ev-EF，Ec-Et，Ev-Et有关，几个量有数量级之差，只须考虑最大值即可设n型半导体，Et比Ei偏下点，Et与Ei的对称位置为Et'（a）强n型区（b）高阻区讨论：①EF位于Ec和之间（强n型区）中，n0最大，∴②EF位于和Et之间（弱n型区或高阻区）中，P1最大∴u位于禁带中线附近的复合能级是最有效的复合中心，如掺入Cu、Fe、Au等形成的复合能级。§6载流子的扩散运动1、在均匀掺杂的n-Si型半导体一侧用恒定光()照射，若光在样品表面极薄区域被完全吸收，在x=0处产

8、生非平衡载流子(Δp)0，向晶体内部扩散，一维情况下在x方向上的浓度梯度为dΔp(x)/dx定义单位时间垂直通过单位面积的粒子数称为扩散流密度，设空穴的扩散流密度为