非平衡载流子的产生与复合课件

赵君20110702125余洋20110702126石兰20110702127非平衡载流子的产生与复合赵君20110702125非平衡载流子的产生与复合1处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度也不再是n0和p0（此处0是下标），可以比他们多出一部分。比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子。（1）非平衡载流子的产生：非平衡状态的半导体有两种情况，一种是比平衡载流子多出了一部分载流子，为注入情况；另一种是比平衡载流子缺少了一部分载流子，为抽出情况。（2）非平衡载流子的寿命：在没有外界作用时，所多出的载流子——非平衡载流子将要复合而消失（半导体恢复到平衡状态），非平衡载流子的平均消失时间就是载流子的“复合寿命”；相反，对于缺少了载流子的半导体，将要产生出载流子、以恢复到平衡状态，这时，产生出缺少了的一部分载流子所需要的时间就是载流子的“产生寿命”。复合与产生的机理与半导体种类有关，Si主要是复合中心的间接复合机理。

非平衡载流子Non-equilibriumcarrier处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度也不再是n0和p0（此处2（3）非平衡载流子多半是少数载流子：由于半导体电中性条件的要求，一般不能向半导体内部注入、或者从半导体内部抽出多数载流子，而只能够注入或者抽出少数载流子，所以半导体中的非平衡载流子一般就是非平衡少数载流子。（4）非平衡载流子的运动：因为作为少数载流子的非平衡载流子能够产生浓度梯度，所以，非平衡载流子的扩散是一种重要的运动形式；在小注入时，尽管非平衡载流子的数量很小，但是它可以形成很大的浓度梯度，从而能够产生出很大的扩散电流。相对来说，非平衡载流子受电场作用而产生的漂移电流却往往较小。（3）非平衡载流子多半是少数载流子：由于半导体电中性条件的要31.载流子的产生速率Q与复合速率R

~指单位时间，单位体积内所产生（或复合掉)的电子—空穴对的数目。2.热平衡状态

~1.产生速率Q=复合速率R；2.宏观性质保持不变；3.统计意义上的动态平衡。4.对非简并的半导体（半导体中掺入一定量的杂质时，使费米能级Ef位于导带和价带内，即Ev+3KT<=Ef<=Ec-3KT时，半导体成为非简并的。），热平衡的判据式为：n0*p0=ni^2。3.非平衡状态

~指在外界条件作用下，平衡条件被破坏，系统处于与热平衡状态相偏离的状态。。4.非平衡载流子（过剩载流子）~指处于非平衡状态下的载流子浓度n、p与热平衡状态时的载流子浓度n0、p0之差，即△n=n-n0、△p=p-p0，且△n=△p。非平衡状态与非平衡载流子1.载流子的产生速率Q与复合速率R

~指单位时4平衡态半导体的标志就是具有统一的费米能级EF，此时的平衡载流子浓度n0和p0唯一由EF决定。平衡态非简并半导体的n0和p0乘积为称n0p0=ni2为非简并半导体平衡态判据式。非平衡载流子的产生与复合

平衡态半导体的标志就是具有统一的费米能级EF，此时的平衡非平5

但是半导体的平衡态条件并不总能成立，如果某些外界因素作用于平衡态半导体上，如图所示的一定温度下用光子能量hγ≥Eg的光照射n型半导体，这时平衡态条件被破坏，样品就处于偏离平衡态的状态，称作非平衡态。光照前半导体中电子和空穴浓度分别是n0和p0，并且n0>>p0。光照后的非平衡态半导体中电子浓度n=n0+Δn

，空穴浓度p=p0+Δp

，并且Δn=Δp

，比平衡态多出来的这部分载流子Δn和Δp就称为非平衡载流子。n型半导体中称Δn为非平衡多子，Δp为非平衡少子。n型半导体非平衡载流子的光注入但是半导体的平衡态条件并不总能成立，如果某些6因此相对来说非平衡多子的影响轻微，而非平衡少子的影响起重要作用。通常说的非平衡载流子都是指非平衡少子。非平衡载流子的存在使半导体的载流子数量发生变化，因而会引起附加电导率当产生非平衡载流子的外部作用撤除以后，非平衡载流子也就逐渐消失，半导体最终恢复到平衡态。半导体由非平衡态恢复到平衡态的过程，也就是非平衡载流子逐步消失的过程，称为非平衡载流子的复合。平衡态也不是静止的、绝对的平衡，而是动态平衡。因此相对来说非平衡多子的影响轻微，而非平衡少子的影71.定义~指在外界作用下使半导体产生非平衡载流子的过程。2.分类~1.非平衡载流子的光注入和电注入。

2.小注入（△n=△p<<n）和大注入（△n=△p~n）。

3.非平衡多数（少数）载流子~对于n型半导体，非平衡电子△n称为非平衡多数载流子；而非平衡空穴△p称为非平衡少数载流子。

！非平衡少子的浓度通常高于平衡态少子浓度。非平衡载流子的注入1.定义非平衡载流子的注入8光照产生非平衡载流子的方式称作非平衡载流子的光注入，此外还有电注入等形式。通常所注入的非平衡载流子浓度远远少于平衡态时的多子浓度。例如n型半导体中通常的注入情况是Δn<<n0，Δp<<n0，满足这样的注入条件称为小注入。要说明的是即使满足小注入条件，非平衡少子浓度仍然可以比平衡少子浓度大得多。例如：磷浓度为5×1015cm-3

的n-Si，室温下平衡态多子浓度n0=5×1015cm-3，少子浓度p0=ni2/n0=4.5×104cm-3，如果对该半导体注入非平衡载流子浓度Δn=Δp=1010cm-3，此时Δn<<n0，Δp<<p0，满足小注入条件。但必须注意尽管此时Δn<<n0，而Δp(1010cm-3)却远大于p0(4.5×104cm-3)。光照产生非平衡载流子的方式称作非平衡载流子的光注入，91.定义~指非平衡载流子在导带和价带中的平均生存时间，记为τ。2.非平衡载流子的复合当产生非平衡载流子的外作用撤出后，由于半导体内部的作用，使它由非平衡态恢复到平衡态，过剩载流子逐渐消失。这一过程称为非平衡载流子的复合。3.非平衡载流子的复合率~单位时间单位体积内复合消失的电子-空穴对数称为非平衡载流子的复合率；很明显，△p/τ就代表了复合率。可见单位时间内非平衡载流子的减少应当等于非平载流子的复合率.非平衡载流子的寿命1.定义非平衡载流子的寿命10

非平衡载流子的寿命光照停止后非平衡载流子生存一定时间然后消失，把撤除光照后非平衡载流子的平均生存时间τ称为非平衡载流子的寿命。由于非平衡少子的影响占主导作用，故非平衡载流子寿命称为少子寿命。为描述非平衡载流子的复合消失速度，定义单位时间单位体积内净复合消失的电子-空穴对数为非平衡载流子的复合率。非平衡载流子的寿命光照停止后非平衡载流子生存一定时间然后11寿命τ标志着非平衡载流子浓度减小到原值的1/e时所经历的时间。寿命不同，非平衡载流子衰减的速度不同。寿命越短，衰减越快。通常非平衡载流子的寿命是通过实验方法测量的。各种测量方法都包括非平衡载流子的注入和检测两个基本方面。1.直流光电导衰减法；2.光磁电法(短寿命非平衡子)；3.扩散长度法；4.双脉冲法；5.漂移法…6.典型材料中非平衡载流子的寿命锗：10^4μs硅：10^3μs砷化镓：10^-8~10^-9s不同的材料寿命很不相同。即使是同种材料，在不同的条件下的寿命也可以有很大范围的变化。非平衡载流子寿命的测量寿命τ标志着非平衡载流子浓度减小到原值的1/e时所经历的时12非平衡状态时①在一个能带内，载流子跃迁十分频繁，碰撞多，能量交换充分，故载流子间仍处于热平衡状态；②在能带之间，载流子跃迁非常稀少，碰撞少，能量交换不充分，故载流子间处于不平衡状态。可见，统计分布分别对于导带和价带仍然适用，即系统处于一种准平衡态。所以，对应于导带和价带，可以分别引入导带费米能级和价带费米能级，分别用来描述导带中电子的分布和价带中空穴的分布。通常称Efn、Efp它们为准费米能级准费米能级非平衡状态时准费米能级13™微观机构™

直接复合：电子在导带和价带之间的直接跃迁引发电子和空穴的直接复合；间接复合：电子和空穴通过禁带中的局域能级（复合中心）进行的复合。™发生位置体内复合：在半导体体内发生的复合；表面复合：在半导体表面发生的复合。复合的分类™微观机构™

直接复合：电子在导带和价带之间的直接跃迁引发14发射光子——伴随着复合将会有发光现象，常称为发光复合或辐射复合。发射声子——载流子将多余的能量传递给晶格，加强晶格的振动。俄歇复合——将能量给予其它的载流子，增加它们的动能。复合过程中能量的释放发射光子复合过程中能量的释放15产生率G：单位时间单位体积内产生的电子-空穴对数,为温度的函数，与载流子浓度无关。¾复合率R：单位时间单位体积内复合掉的电子-空穴对数。其中r为复合概率，是温度的函数，与载流子浓度无关。R=rnp达到热平衡时，G=rn0p0=rni^2直接复合产生率G：单位时间单位体积内产生的电子-空穴对数,为温度的16

间接复合杂质和缺陷在半导体禁带中形成能级，它们不但影响半导体导电性能，还可以促进非平衡载流子的复合而影响其寿命。通常把具有促进复合作用的杂质和缺陷称为复合中心。通常把具有促进复合作用的杂质和缺陷称为复合中心。实验表明半导体中杂质和缺陷越多，载流子寿命就越短。复合中心的存在使电子-空穴的复合可以分为两个步骤，先是导带电子落入复合中心能级，然后再落入价带与空穴复合，而复合中心被腾空后又可以继续进行上述过程。相反的逆过程也同时存在。间接复合17定义：电子和空穴通过禁带中的局域能级（复合中心）进行的复合。复合中心：处在禁带中、促进电子和空穴进行复合的局域能级。过程分析:甲—俘获电子；乙—发射电子；丙—俘获空穴；丁—发射空穴；达到平衡时，有甲=乙丙=丁间接复合定义：电子和空穴通过禁带中的局域能级（复合中心）进行的复合18

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：(1)复合中心能级Et从导带俘获电子；(2)复合中心能级Et向导带发射电子；(3)复合中心能级Et上电子落入价带与空穴复合；(4)价带电子被激发到复合中心能级Et

。这四个过程中(1)和(2)互为逆过程，(3)和(4)也互为逆过程。图

间接复合过程当只存在一个复合中心能级Et时，相对于Et存19谢谢大家~谢谢大家~20赵君20110702125余洋20110702126石兰20110702127非平衡载流子的产生与复合赵君20110702125非平衡载流子的产生与复合21处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度也不再是n0和p0（此处0是下标），可以比他们多出一部分。比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子。（1）非平衡载流子的产生：非平衡状态的半导体有两种情况，一种是比平衡载流子多出了一部分载流子，为注入情况；另一种是比平衡载流子缺少了一部分载流子，为抽出情况。（2）非平衡载流子的寿命：在没有外界作用时，所多出的载流子——非平衡载流子将要复合而消失（半导体恢复到平衡状态），非平衡载流子的平均消失时间就是载流子的“复合寿命”；相反，对于缺少了载流子的半导体，将要产生出载流子、以恢复到平衡状态，这时，产生出缺少了的一部分载流子所需要的时间就是载流子的“产生寿命”。复合与产生的机理与半导体种类有关，Si主要是复合中心的间接复合机理。

非平衡载流子Non-equilibriumcarrier处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度也不再是n0和p0（此处22（3）非平衡载流子多半是少数载流子：由于半导体电中性条件的要求，一般不能向半导体内部注入、或者从半导体内部抽出多数载流子，而只能够注入或者抽出少数载流子，所以半导体中的非平衡载流子一般就是非平衡少数载流子。（4）非平衡载流子的运动：因为作为少数载流子的非平衡载流子能够产生浓度梯度，所以，非平衡载流子的扩散是一种重要的运动形式；在小注入时，尽管非平衡载流子的数量很小，但是它可以形成很大的浓度梯度，从而能够产生出很大的扩散电流。相对来说，非平衡载流子受电场作用而产生的漂移电流却往往较小。（3）非平衡载流子多半是少数载流子：由于半导体电中性条件的要231.载流子的产生速率Q与复合速率R

~指单位时间，单位体积内所产生（或复合掉)的电子—空穴对的数目。2.热平衡状态

~1.产生速率Q=复合速率R；2.宏观性质保持不变；3.统计意义上的动态平衡。4.对非简并的半导体（半导体中掺入一定量的杂质时，使费米能级Ef位于导带和价带内，即Ev+3KT<=Ef<=Ec-3KT时，半导体成为非简并的。），热平衡的判据式为：n0*p0=ni^2。3.非平衡状态

~指在外界条件作用下，平衡条件被破坏，系统处于与热平衡状态相偏离的状态。。4.非平衡载流子（过剩载流子）~指处于非平衡状态下的载流子浓度n、p与热平衡状态时的载流子浓度n0、p0之差，即△n=n-n0、△p=p-p0，且△n=△p。非平衡状态与非平衡载流子1.载流子的产生速率Q与复合速率R

~指单位时24平衡态半导体的标志就是具有统一的费米能级EF，此时的平衡载流子浓度n0和p0唯一由EF决定。平衡态非简并半导体的n0和p0乘积为称n0p0=ni2为非简并半导体平衡态判据式。非平衡载流子的产生与复合

平衡态半导体的标志就是具有统一的费米能级EF，此时的平衡非平25

但是半导体的平衡态条件并不总能成立，如果某些外界因素作用于平衡态半导体上，如图所示的一定温度下用光子能量hγ≥Eg的光照射n型半导体，这时平衡态条件被破坏，样品就处于偏离平衡态的状态，称作非平衡态。光照前半导体中电子和空穴浓度分别是n0和p0，并且n0>>p0。光照后的非平衡态半导体中电子浓度n=n0+Δn

，空穴浓度p=p0+Δp

，并且Δn=Δp

，比平衡态多出来的这部分载流子Δn和Δp就称为非平衡载流子。n型半导体中称Δn为非平衡多子，Δp为非平衡少子。n型半导体非平衡载流子的光注入但是半导体的平衡态条件并不总能成立，如果某些26因此相对来说非平衡多子的影响轻微，而非平衡少子的影响起重要作用。通常说的非平衡载流子都是指非平衡少子。非平衡载流子的存在使半导体的载流子数量发生变化，因而会引起附加电导率当产生非平衡载流子的外部作用撤除以后，非平衡载流子也就逐渐消失，半导体最终恢复到平衡态。半导体由非平衡态恢复到平衡态的过程，也就是非平衡载流子逐步消失的过程，称为非平衡载流子的复合。平衡态也不是静止的、绝对的平衡，而是动态平衡。因此相对来说非平衡多子的影响轻微，而非平衡少子的影271.定义~指在外界作用下使半导体产生非平衡载流子的过程。2.分类~1.非平衡载流子的光注入和电注入。

2.小注入（△n=△p<<n）和大注入（△n=△p~n）。

3.非平衡多数（少数）载流子~对于n型半导体，非平衡电子△n称为非平衡多数载流子；而非平衡空穴△p称为非平衡少数载流子。

！非平衡少子的浓度通常高于平衡态少子浓度。非平衡载流子的注入1.定义非平衡载流子的注入28光照产生非平衡载流子的方式称作非平衡载流子的光注入，此外还有电注入等形式。通常所注入的非平衡载流子浓度远远少于平衡态时的多子浓度。例如n型半导体中通常的注入情况是Δn<<n0，Δp<<n0，满足这样的注入条件称为小注入。要说明的是即使满足小注入条件，非平衡少子浓度仍然可以比平衡少子浓度大得多。例如：磷浓度为5×1015cm-3

的n-Si，室温下平衡态多子浓度n0=5×1015cm-3，少子浓度p0=ni2/n0=4.5×104cm-3，如果对该半导体注入非平衡载流子浓度Δn=Δp=1010cm-3，此时Δn<<n0，Δp<<p0，满足小注入条件。但必须注意尽管此时Δn<<n0，而Δp(1010cm-3)却远大于p0(4.5×104cm-3)。光照产生非平衡载流子的方式称作非平衡载流子的光注入，291.定义~指非平衡载流子在导带和价带中的平均生存时间，记为τ。2.非平衡载流子的复合当产生非平衡载流子的外作用撤出后，由于半导体内部的作用，使它由非平衡态恢复到平衡态，过剩载流子逐渐消失。这一过程称为非平衡载流子的复合。3.非平衡载流子的复合率~单位时间单位体积内复合消失的电子-空穴对数称为非平衡载流子的复合率；很明显，△p/τ就代表了复合率。可见单位时间内非平衡载流子的减少应当等于非平载流子的复合率.非平衡载流子的寿命1.定义非平衡载流子的寿命30

非平衡载流子的寿命光照停止后非平衡载流子生存一定时间然后消失，把撤除光照后非平衡载流子的平均生存时间τ称为非平衡载流子的寿命。由于非平衡少子的影响占主导作用，故非平衡载流子寿命称为少子寿命。为描述非平衡载流子的复合消失速度，定义单位时间单位体积内净复合消失的电子-空穴对数为非平衡载流子的复合率。非平衡载流子的寿命光照停止后非平衡载流子生存一定时间然后31寿命τ标志着非平衡载流子浓度减小到原值的1/e时所经历的时间。寿命不同，非平衡载流子衰减的速度不同。寿命越短，衰减越快。通常非平衡载流子的寿命是通过实验方法测量的。各种测量方法都包括非平衡载流子的注入和检测两个基本方面。1.直流光电导衰减法；2.光磁电法(短寿命非平衡子)；3.扩散长度法；4.双脉冲法；5.漂移法…6.典型材料中非平衡载流子的寿命锗：10^4μs硅：10^3μs砷化镓：10^-8~10^-9s不同的材料寿命很不相同。即使是同种材料，在不同的条件下的寿命也可以有很大范围的变化。非平衡载流子寿命的测量寿命τ标志着非平衡载流子浓度减小到原值的1/e时所经历的时32非平衡状态时①在一个能带内，载流子跃迁十分频繁，碰撞多，能量交换充分，故载流子间仍处于热平衡状态；②在能带之间，载流子跃迁非常稀少，碰撞少，能量交换不充分，故载流子间处于不平衡状态。可见，统计分布分别对于导带和价带仍然适用，即系统处于一种准平衡态。所以，对应于导带和价带，可以分别引入导带费米能级和价带费米能级，分别用来描述导带中电子的分布和价带中空穴的分布。通常称Efn、Efp它们为准费米能级准费米能级非平衡状态时准费米能级33™微观机构™

直接复合：电子在导带和价带之间的直接跃迁引发电子和空穴的直接复合；间接复合：电子和空穴通过禁带中的局域能级（复合中心）进行的复合。™发生位置体内复合：在半导体体内发生的复合；表面复合：在半导体表面发生的复合。复合的分类™微观机构™

直接复合：电子在导带和价带之间的直接跃迁