《非平衡载流子》课件

非平衡载流子非平衡载流子是指在半导体材料中，电子和空穴的数量不处于平衡状态的载流子。非平衡载流子的产生通常是由外部能量源引起的，例如光照或电场。一、导言本节课将深入探讨非平衡载流子的概念、产生、复合、分布以及在半导体器件中的应用。什么是非平衡载流子平衡状态在平衡状态下，电子和空穴的数量相等，它们均匀分布在整个材料中，不会产生净电流。非平衡状态当半导体受到外界的能量激励，比如光照或电压，电子和空穴的数量会发生变化，导致非平衡状态。非平衡载流子非平衡状态下，多余的电子或空穴被称为非平衡载流子，它们会产生电流，并影响半导体的电学性质。非平衡载流子的产生1热激发高温下，电子吸收热能，跃迁到导带，留下空穴2光激发光子能量大于半导体禁带宽度时，电子吸收光子能量，跃迁到导带3注入通过pn结、肖特基结等结构，将载流子注入到半导体材料中4辐射高能粒子轰击半导体材料，产生电子-空穴对非平衡载流子是指在半导体材料中，电子和空穴的数量不处于平衡状态，即电子数量大于空穴数量或空穴数量大于电子数量非平衡载流子的复合过程直接复合电子和空穴直接相遇，发生能量交换，回到价带。辐射复合电子和空穴复合时释放能量，以光子的形式辐射出去。无辐射复合电子和空穴复合时将能量传递给晶格，以热能的形式释放。陷阱复合电子或空穴被缺陷或杂质捕获，然后与另一个载流子复合。非平衡载流子的浓度分布非平衡载流子的浓度分布取决于它们的产生和复合速率，以及扩散和漂移。情况浓度分布均匀激发均匀分布局部激发非均匀分布，随距离衰减非平衡载流子的扩散与漂移1扩散从高浓度区域向低浓度区域移动，直到浓度均匀分布。2漂移在电场作用下，带电粒子沿着电场方向移动，形成电流。3扩散电流由非平衡载流子浓度梯度引起的电流，方向与浓度梯度方向相反。4漂移电流由电场引起的电流，方向与电场方向相同。二、半导体中的非平衡载流子半导体材料中存在着电子和空穴，这些载流子在热平衡状态下，它们的数量是相等的。当半导体受到外界的激励，例如光照、电场或温度变化等，就会产生非平衡载流子。这些非平衡载流子会改变半导体的电学性质，并导致一系列物理现象。pn结的正向偏压下1外加电压正向偏压2能带弯曲导带更低3载流子注入电子注入p区4电流增加正向电流在pn结正向偏压下，外加电压抵消了pn结的内建电场，使能带弯曲程度减小，导带和价带更低，电子更容易从n区注入p区，空穴更容易从p区注入n区。这导致载流子注入，进而使pn结电流增加，形成正向电流。发光二极管工作原理发光二极管（LED）是一种能够将电能直接转化为光能的半导体器件，其工作原理基于非平衡载流子的复合过程。当正向偏压加在pn结上时，电子从n区注入p区，空穴从p区注入n区，在pn结附近形成非平衡载流子，这些非平衡载流子会与多数载流子复合，释放能量，从而发出光。二极管光生伏特效应当光照射在pn结上时，光子被吸收，产生电子-空穴对。电子-空穴对在pn结内分离，形成电流，称为光生伏特效应。pn结的光生伏特效应，是太阳能电池的核心原理。光生伏特效应应用广泛，例如太阳能电池、光电探测器等。这些器件通过将光能转换为电能，为我们的生活提供能量。三、非平衡载流子在器件中的应用非平衡载流子在现代半导体器件中扮演着至关重要的角色，它们是各种功能的基石，例如光电探测、太阳能转换和信号放大。光电探测器原理光电探测器是一种将光信号转换成电信号的器件。当光照射到光电探测器时，光子会与材料中的电子相互作用，产生电子-空穴对。这些载流子在电场的作用下移动，形成电流，从而将光信号转换为电信号。光电探测器广泛应用于光通信、光学成像、医学诊断等领域。太阳能电池工作原理太阳能电池利用光生伏特效应将光能直接转换为电能。当光子照射到PN结时，产生电子-空穴对，在PN结内建电场的作用下，电子和空穴分别被分离到N型和P型区域，从而形成电流。太阳能电池的效率取决于材料的性质、结构设计和光照强度等因素。常用的太阳能电池材料包括硅、砷化镓和碲化镉等。双极性晶体管原理基本结构双极性晶体管由两个PN结组成，分别是发射结和集电结。工作原理通过发射结注入少数载流子，形成集电极电流。NPN型发射极材料为N型，基极材料为P型，集电极材料为N型。PNP型发射极材料为P型，基极材料为N型，集电极材料为P型。四、小结非平衡载流子是半导体物理中的重要概念。它们在半导体器件的性能中起着至关重要的作用。非平衡载流子的物理意义热力学平衡半导体材料在热力学平衡状态下，电子和空穴的数量相等，保持动态平衡。非平衡状态当半导体材料受到外界激励，如光照、电压等，就会打破平衡状态，产生非平衡载流子。物理意义非平衡载流子是指半导体材料中，电子和空穴的数量不再相等，处于非平衡状态。影响特性非平衡载流子的存在会改变半导体的电导率、光学特性、以及其他物理性质。非平衡载流子在半导体器件中的作用电流产生非平衡载流子导致电荷移动，产生电流。器件功能非平衡载流子参与半导体器件工作，例如二极管、晶体管等。光电效应非平衡载流子驱动光电器件，例如太阳能电池、光电探测器等。本节课的重点与难点理解非平衡载流子非平衡载流子概念及其物理意义掌握非平衡载流子应用半导体器件中非平衡载流子的应用场景掌握非平衡载流子理论非平衡载流子的产生、复合、扩散和漂移过程相关知识点补充除了课本上的内容外，还需要了解一些额外的知识点，比如，非平衡载流子的寿命、扩散长度、漂移速度等参数。这些参数在实际应用中非常重要，例如，在设计半导体器件时，需要考虑非平衡载流子的寿命和扩散长度，以确保器件的正常工作。此外，还可以学习一些关于非平衡载流子的理论模型，例如，Shockley-Read-Hall复合模型和Auger复合模型。这些模型可以帮助我们更好地理解非平衡载流子的行为，并预测器件的性能。思考题与练习本节课学习了非平衡载流子的概念和性质。请同学们思考以下问题