半导体物理第五章非平衡载流子.ppt

第五章 非平衡载流子,在外界因素的作用下，能带中的载流子数目发生明显的改变，即产生非平衡载流子。 晶体管放大 半导体发光 光电导 本章内容： 非平衡载流子的注入，非平衡载流子的复合与寿命，陷阱效应，非平衡载流子的扩散等。,5.1非平衡载流子的注入与复合 1、半导体的热平衡状态与非平衡状态 载流子产生率：单位时间单位体积半导体内产生电子空穴对数目。 载流子复合率：单位时间单位体积内复合的电子空穴对数目。 热平衡：产生率复合率 平衡载流子浓度：,通常对于半导体内产生的非平衡载流子满足：,如果非平衡载流子的浓度远小于平衡多数载流子的浓度，称小注入。 如n0=5.51015,P0=3.1104，n1010,即使在小注入的情况下，非平衡少数载流子比平衡少数载流子的浓度大很多，非平衡多数载流子可以忽略。 在非平衡状态下，载流子浓度不满足npni2,2、非平衡载流子的注入和检验 外界因素的作用使半导体产生非平衡载流子，称非平衡载流子的注入。,5.2非平衡载流子寿命 1.非平衡载流子复合衰减规律及其寿命,2、寿命测量的实验方法 实验测量非平衡载流子的寿命通常称为半导体材料的寿命,5.3 准费米能级,分别引入导带和价带费米能级准费米能级,(1)非平衡载流子浓度越高，准费米能级偏离越远； (2)一般在非平衡态时，往往总是少数载流子准费米能级的偏离大于多数载流子能级的偏离； (3)np与n0p0的偏离反映半导体偏离热平衡的程度,5.4非平衡载流子复合 1复合过程的性质 半导体中电子和空穴相遇而消失的过程称为载流子复合（对应产生），复合率，产生率。,热平衡： 产生率复合率n0,p0 不变,非平衡注入： 产生率复合率n, p 增加,稳定注入： 产生率复合率n, p 稳定,注入撤销： 产生率复合率n, p 减少,恢复平衡： 产生率复合率n0,p0 不变,对于注入撤销时的非平衡态：,复合过程：直接复合和间接复合 直接复合：直接从导带跃迁到价带引起电子空穴复合。 间接复合：电子和空穴通过禁带中的能级进行复合。 载流子复合时释放能量： 发射光子，发射声子，俄歇复合。,载流子复合率载流子产生率载流子的净复合率 非平衡载流子复合率p/,2.直接复合,载流子复合率：,载流子产生率：,小注入：,大注入：,载流子的净复合率 非平衡载流子复合率p/,计算Si:3.5s，Ge：0.3S 实验测量大概在几个ms。 结论：直接复合不是决定作用，间接复合其主要作用，决定材料的寿命。,3.间接复合,杂质和缺陷在禁带中形成的杂质能级，有促进非平衡载流子复合的作用，称这些起促进复合作用的杂质和缺陷为复合中心，对应的杂质能级为复合中心能级。,（1）俘获电子过程,（2）发射电子过程,单位体积单位时间被复合中心俘获的电子数。Nt复合中心浓度，nt复合中心上电子浓度。,电子产生率s-nt 平衡时，甲乙过程相互抵消，s-nt0=rnno(Nt-nto),s-=rnn1,（3）俘获空穴过程,（4）发射空穴过程,平衡时空穴的产生和俘获相互抵消,结论： （1）非平衡载流子的寿命与复合中心密度成反比；,（3）对于小注入轻掺杂n型半导体，寿命与电导率成反比。,（2）对于小注入n型高掺杂半导体 ，与材 料电导 率无关；,作为间接复合的例子，讨论金在硅中的复合作用,EtA在导带底下0.54V；EtD在价带顶上0.35V.,实验：（1）金浓度51015cm-3，p=1.710-9s, n=3.210-9s ； (2) 在n型中，金浓度从10141017cm-3, 寿命从10-710-10s,5.5 陷阱效应 陷阱效应与陷阱中心 杂质能级：施主作用，复合中心，缺陷陷阱效应 杂质能级的积累非平衡载流子的作用就称为陷阱效应。陷阱效应也是杂质能级在有非平衡载流子的情况下发生的一种效应。相应的杂质和缺陷称为陷阱中心。 陷阱效应的分析,5.6 非平衡载流子的扩散 1.一维稳定扩散,Sp扩散流密度，Dp扩散系数,单位时间单位体积内积累的空穴数,(1)样品足够厚,(2)样品厚度w,如果wLp,2. 径向稳定扩散,扩散流密度：,5.7 载流子既漂移又扩散的运动 爱因斯坦关系 1、载流子的既漂移又扩散时的电流 外电场时电流：,2、爱因斯坦关系,5.8 连续性方程 1、方程的建立,由于扩散，空穴的积累率,由于漂移，空穴的积累率,2、连续性方程的应用 1）光激发撤销非平衡载流子的衰减,2）一维稳态下的非平衡载流子的漂移和扩散运动,稳态连续方程,若Lp(E)Lp(强场）,