2022-2023学年高二物理竞赛课件：近本征半导体中非平衡载流子的扩散和漂移

近本征半导体中非平衡

载流子的扩散和漂移

近本征半导体中非平衡载流子的扩散和漂移可以忽略的,分析了非本征半导体中非平衡少子的扩散和漂移。本节，我们讨论近本征半导体中非平衡载流子的扩散和漂移。所谓近本征半导体，是指电子和空穴的平衡浓度相差不多的半导体。此时，必须考虑，由于两种载流子扩散和漂移运动的差异所引起的电场分布的变化，以及它对两种载流子运动的影响.一、双极扩散（无外电场）

考虑光照在表面薄层内产生电子－空穴对，使表面的电子和空穴浓度比内部高,这必然引起它们由表面向内部的扩散。该电场是由于电子和空穴扩散运动的差异引起的，只有在Dn=Dp时，才有ε=0.所以由于Dn>Dp,电子比空穴扩散的快，结果将在样品中产生沿x方向的电场ε.在这种情况下,空穴和电子的电流密度都包含扩散电流和漂移电流两个部分.在达到稳定时,总的电流密度jn+jp=0,即设Δn≈Δp,则有其中,称为双极扩散系数.在过剩载流子浓度很小时，上式中的n和p可以分别用n0和p0来代替。在形式上与前面的相同，只是Dn和Dp被一个双极扩散系数D所代替。D综合了载流子的扩散运动和漂移运动，就好象电子和空穴都以双极扩散系数做单纯的扩散运动一样.

在小注入情况下，对于N型半导体(p<<n),，D≈Dp；对于P型半导体(n<<p)，D≈Dn.对于本征半导体，D=2DnDp/(Dn+Dp).二、双极扩散和漂移对于近本征半导体，尽管电中性条件仍能近似成立，但是少子和多子相差不多，(Δp-Δn)项不能忽略。于是有流密度：图7.11D：双极扩散系数，已不是载流子本身的漂移速度，代表扰动△p或△n

的漂移速度。

在海恩斯-消克莱实验中，根据过剩少子浓度Δp的漂移所得到的迁移率，称为漂移迁移率。在近本征材料中，它是上式给出的双极迁移率。只有在非本征半导体中(n>>p或者p>>n)，少子的漂移迁移率才等于电导迁移率。非本征半导体：

N型，n>>p，

P型，p>>n，本征半导体：n=p，µ＝0，电场不影响过剩载流子的空间分布N型，n>p，µ>0，扰动沿正电场方向（过剩空穴漂移方向）漂移；P型，p>n，µ<0，扰动沿电场反方向（过剩电子漂移方向）漂移；

扰动在电场中沿着少子的漂移方向运动近本征半导体：当Et在禁带下部时，只是在高阻区的寿命变为四、寿命与复合中心能级位置的关系复合中心能级Et在禁带中的位置不同，它对非平衡载流子复合的影响将有很大的差别。一般说来，只有杂质的能级Et比费米能级离导带底或价带顶更远的深能级杂质，才能成为有效的复合中心。

复合中心能级位于禁带中央附近时，对非平衡载流子的复合作用最大。对于有效复合中心，其电子俘获系数与空穴俘获系数相差不大。即复合中心的复合作用最强。此时，寿命达到极小值当Et离开Ei而偏向Ec或Ev时，电子或空穴激发过程的几率增大，减弱复合作用。五、寿命随温度的变化对于一定的样品，当温度变化时，n0，p0，n1和p1都要随之改变，从而引起寿命的变化。设样品是N型的，复合中心能级Et在禁带的上半部，如图7.18（b）所示。下面我们根据寿命公式，分三个温度区讨论寿命随温度的变化。图7.18N型半导体中电子浓度、费米能级和寿命随温度的关系杂质电离区饱和电离区本征激发区⑴在温度较低时,随着温度的升高，费米能级EF从导带底附近单调下降,一直到它与复合中心能级Et重合.在这个温度范围内，由⑵温度再升高，EF继续下降，一直到饱和电离区的最高温度，在此温度区内，n0是常数，并且n1>>n0，n0>>p0，p1。于是其中，A是与T无关的常数。上式表明，随着温度的升高，寿命基本上按指数规律增大。因此，根据实验数据画出lnて～1/T曲线，由其斜率可确定复合中心能级的位置（Ec-Et）。⑶温度继续上升，进入本征激发区以后，n0≈p0=ni，则弱P型区 费米能级EF在Et′和本征费米能级Ei之间（Et′<EF<Ei），这时，n1>>p0>>

n0>>p1，于是这时，寿命与空穴（多子）的浓度p0成反比，越偏离本征区，与电子复合的空穴数目越多，寿命则越短。

⒋强P型区 费米能级EF在价带顶E