半导体物理学第五章0608

第四章非平衡载流子§1非平衡载流子的注入与复合

§2非平衡载流子的寿命

§3准费米能级

§4复合理论

§6载流子的扩散运动§7载流子的漂移运动爱因斯坦关系式

§8连续性方程2023/2/61热平衡状态下的载流子称为平衡载流子非简并半导体处于热平衡状态的判据式（只受温度T影响）§1非平衡载流子的注入与复合由于受外界因素如光、电的作用，半导体中载流子的分布偏离了平衡态分布，称这些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子，也称为非平衡载流子①引入非平衡载流子(过剩载流子)的过程---非平衡载流子的注入(injection)最常用的注入方式:光注入,电注入.非平衡载流子的光注入平衡时过剩载流子电中性：平衡载流子满足费米－狄拉克统计分布过剩载流子不满足费米－狄拉克统计分布且公式不成立小注入条件：注入的非平衡载流子浓度比平衡时的多数载流子浓度小的多N型材料P型材料例：室温下一受到微扰的掺杂硅，判断其是否满足小注入条件？解：满足小注入条件！（）注：（1）即使在小注入的情况下，非平衡少数载流子浓度还是可以比平衡少数载流子浓度大的多（2）非平衡少数载流子起重要作用，非平衡载流子都指非平衡少数载流子②非平衡载流子的复合:当外界因素撤除,非平衡载流子逐渐消失,(电子-空穴复合),体系由非平衡态回到平衡态.热平衡是动态平衡.当存在外界因素,产生非平衡载流子,热平衡被破坏.稳态—当外界因素保持恒定,非平衡载流子的数目宏观上保持不变.

2023/2/672023/2/68假定光照产生和，如果光突然关闭，和将随时间逐渐衰减直至0，衰减的时间常数，即非平衡子的平均存在时间称为寿命

，也常称为少数载流子寿命

在单位时间内一个非平衡载流子发生复合的次数，即非平衡载流子的复合概率单位时间内复合掉的非平衡子浓度，即非平衡载流子的复合率§2非平衡载流子的寿命当时，，故寿命标志着非平衡载流子浓度减小到原值的1/e所经历的时间；寿命越短，衰减越快n型材料中的空穴（1）热平衡电子系统的费米能级热平衡电子系统有统一的费米能级；统一的费米能级是热平衡状态的标志2023/2/611§3准费米能级（2）准费米能级的引入①准平衡态:非平衡态体系中,通过载流子与晶格的相互作用,导带电子子系和价带空穴子系分别很快与晶格达到平衡.

可以认为:一个能带内实现热平衡.

②导带和价带之间并不平衡(电子和空穴的数值均偏离平衡值)，它们各自处于平衡态，因此存在导带费米能级和价带费米能级，称其为“准费米能级”2023/2/612准费米能级

注：非平衡载流子越多，准费米能级偏离就越远。在非平衡态时，一般情况下，少数载流子的准费米能级偏离费米能级较大准费米能级

注：两种载流子的准费米能级偏离的情况反映了半导体偏离热平衡状态的程度2023/2/615物理过程2023/2/616物理过程(1)

复合机制

(2)

直接复合

(3)

间接复合

(4)表面复合

(5)Auger复合

(6)半导体类型

2023/2/617§4复合理论复合过程:

直接复合—导带电子直接跃迁到价带

间接复合--导带电子跃迁到价带之前,要经历某一(或某些)中间状态.♦这些中间状态是禁带中的一些能级—复合中心.复合中心可以位于体内,也可以与表面有关.2023/2/618(1)

复合机制2023/2/619图5-5三种释放能量的方式:

发射光子(以光子的形式释放能量)—辐射复合(光跃迁)

发射声子(将多余的能量传给晶格)—无辐射复合(热跃迁)Auger复合(将多余的能量给予第三者)--无辐射复合(三粒子过程)2023/2/620直接复合间接复合Auger复合（禁带宽度小的半导体材料）（窄禁带半导体及高温情况下）（具有深能级杂质的半导体材料）（2）直接复合(直接辐射复合)①复合率(单位时间,单位体积内复合掉的电子-空穴对数):

-直接复合系数单位：R-

1/(cm3·

S),γ-(cm3/S)♦对非简并半导体,

♦这里的”复合”,不是净复合.2023/2/6222023/2/623②产生率(单位时间,单位体积内产生的电子-空穴对数):，温度不变时，应该是一个常数

热平衡时，应有

③净复合率:

2023/2/624④寿命:

♦小注入条件下:2023/2/625（3）间接复合间接复合

—非平衡子通过复合中心的复合①

四个基本跃迁过程：

A.电子俘获

B.电子产生

C.空穴俘获

D.空穴产生2023/2/6262023/2/627NtA.电子俘获率①B.电子产生率

②C.空穴俘获率③D.空穴产生率④电子俘获系数，

电子激发几率

空穴俘获系数，

空穴激发几率单位:产生率，俘获率(1/cm3•s)

俘获系数(cm3/s),激发几率(1/s)2023/2/628热平衡时：热平衡时：非简并条件下，定义：A.电子俘获率

B.电子产生率

C.空穴俘获率D.空穴产生率简化参数：②求非平衡载流子的净复合率稳定情况下:nt=常数即A+D=B+C,由此方程可求出nt

非平衡载流子的净复合率：

U=A-B=C-D.得到:2023/2/631非平衡载流子的寿命:小注入条件下：--小注入条件下,非平衡子寿命与非平衡子浓度无关.2023/2/632小注入情况下,讨论τ随载流子浓度及复合中心能级Et的变化:ⓐ强n型(EC-EF)<(Et-EV)

起决定作用的是:复合中心对少子空穴的俘获系数2023/2/6332023/2/634ⓑ弱n型(EC-EF)>(Et-EV)(高阻型）

ⓒ强p型(EF-EV)<(Et-EV)

ⓓ弱p型(EF-EV)>(Et-EV)(高阻型）2023/2/635对间接复合讨论的主要结果:a.τ∝1/Ntb.有效复合中心—深能级杂质

c.一般情况下(强n型材料,强p型材料),寿命与多子浓度无关,限制复合速率的是少子的俘获