半导体物理_第7讲教材

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1、严谨严格求实求是严谨严格求实求是 半导体物理 光源与照明 严谨严格求实求是严谨严格求实求是 第五章 非平衡载流子 处于热平衡状态的半导体，在一定温度下，载流子 浓度是一定的。这种处于热平衡状态下的载流子浓 度称为平衡载流子浓度。 热平衡时，载流子的产生及复合相等，则有GR。 统一的费米能级是热平衡状态的标志。 非平衡态是指在外界因素影响下，载流子数目发生 变化，有GR，呈现出与热平衡态相偏离的状态。 外界因素消失后，马上回到热平衡态。 严谨严格求实求是严谨严格求实求是 非平衡载流子 n, p称为非平衡载流子，也称过剩载流子。 根据电子和空穴数量的多少或N型和P型材料的种类 ，分别称为非平衡多数

2、载流子和非平衡少数载流子。 严谨严格求实求是严谨严格求实求是 本章内容 非平衡载流子的注入与复合，寿命，准费米能级 复合理论 陷阱效应 载流子的扩散运动 载流子的漂移运动，爱因斯坦关系式 连续性方程式 严谨严格求实求是严谨严格求实求是 5.1非平衡载流子的产生，寿命，准费米能级 非平衡载流子的产生 非平衡载流子的寿命 非平衡载流子的准费米能级 严谨严格求实求是严谨严格求实求是 非平衡载流子的产生 载流子的产生方法有两种： 光注入：即用光照方法产生过剩载流子的方法。 当光子进入半导体时，其能量hvEg，电子吸收后跃 迁到导带中，从而产生光电导。 严谨严格求实求是严谨严格求实求是 光吸收实验 严谨

3、严格求实求是严谨严格求实求是 光照产生示意图 严谨严格求实求是严谨严格求实求是 严谨严格求实求是严谨严格求实求是 非平衡载流子的产生 电注入：对PN结或对金半接触上加电压，也可产生非平衡 载流子。 注入的分类 大注入：即产生的非平衡载流子浓度接近或大于平衡载流 子浓度。 小注入：注入的非平衡载流子浓度比平衡时的多数载流子 浓度小得多。 严谨严格求实求是严谨严格求实求是 非平衡载流子的产生 小注入情况下，非平衡少数载流子浓度比平衡少 数载流子浓度大得多，影响十分重要。 小注入情况下，注入的非平衡载流子浓度比平衡 多数载流子浓度小得多，其影响可以忽略。 例，n-Si，n0=21015cm-3 p0

4、=105cm-3,若有注入 的非平衡载流子浓度p1010cm-3，则空穴增加几 个量级,而电子浓度几乎不受影响。 严谨严格求实求是严谨严格求实求是 非平衡载流子的复合 注入的非平衡载流子并不能一直存在下去，在 外界因素消失后，会逐渐消失，即原来激发到 导带的电子又回到价带。 产生非平衡载流子的外部作用撤除后，由于半 导体的内部作用，使它由非平衡态恢复到平衡 态，这一过程称为非平衡载流子的复合。 严谨严格求实求是严谨严格求实求是 复合及产生 严谨严格求实求是严谨严格求实求是 非平衡载流子的寿命 非平衡载流子并不是立刻消失，而是有一个过程，它 们在导带和价带中有一定的生存时间。 定义：非平衡载流子

5、的平均生存时间。由于相对之下 ，非平衡少数载流子的 影响处于主导的决定的地位 ，所以也称少子寿命，用表示。 严谨严格求实求是严谨严格求实求是 非平衡载流子的寿命 非平衡载流子的复合率：单位时间单位体积内净复 合消失的电子空穴对数。 非平衡载流子的复合几率：1/即为单位时间内非平 衡载流子的复合几率，用P表示。 复合几率可以理解为每个过剩载流子，在单位时间 内发生复合的次数。 严谨严格求实求是严谨严格求实求是 非平衡载流子的寿命 例，设一束光在一块n型半导体内部均匀地产生非平 衡载流子n和p,在t=0时刻突然光照停止。则p 将随时间变化。单位时间内非平衡载流子浓度的减 少应等于非平衡载流子复合率

6、。 即非平衡载流子浓度随时间按指数规律衰减 严谨严格求实求是严谨严格求实求是 严谨严格求实求是严谨严格求实求是 光照开始阶段 严谨严格求实求是严谨严格求实求是 光照停止阶段 严谨严格求实求是严谨严格求实求是 非平衡载流子的寿命 特点 只在小注入时成立 受材料性质，制备方法和条件的影响 一般器件，越高越好 开关器件， 越低越好 举例： 单晶Ge =104us 单晶Si =103us GaAs =10-810-9us 严谨严格求实求是严谨严格求实求是 准费米能级 处于热平衡态的半导体有统一的费米能级。统一的费 米能级是平衡状态的标志。 电子系统的热平衡状态是通过热跃迁实现的。在一个 能带范围内，热

7、跃迁十分频繁，极短时间内就可以实 现；而能带之间热跃迁则少得多，因为之间隔着禁带 。 严谨严格求实求是严谨严格求实求是 准费米能级 平衡：通常指电子与晶格振动之间交换能量达到平衡 热平衡：GR（无外界因素）。伴随着电子空穴 对的产生和复合的平衡 非平衡：GR（有外界因素），为准平衡态。是把 导带中的电子和价带中的空穴看成子系，电子子系与 空穴子系分别与晶格达到平衡 非平衡仅指数量上的偏离平衡值，能量分布仍可与平 衡分布相同 严谨严格求实求是严谨严格求实求是 准费米能级 当平衡态被破坏存在非平衡载流子时，价带和导带中 的电子分别各自处于平衡态，而导带和价带之间处于 不平衡状态。 费米能级和统计分

8、布函数对导带和价带各自仍是适用 的，从而可分别引入导带费米能级和价带费米能级， 均是局部的费米能级，称为准费米能级。 导带的准费米能级也称为电子准费米能级，价带的准 费米能级称为空穴准费米能级，分别用EFn,EFp表示。 导带和价带之间的不平衡表现为它们的准费米能级是 不重合的。 严谨严格求实求是严谨严格求实求是 严谨严格求实求是严谨严格求实求是 准费米能级 非平衡态下载流子浓度表示式： 适用条件：载流子浓度不是太高，以致使得准费米 能级进入导带或价带中。 严谨严格求实求是严谨严格求实求是 准费米能级 以n型半导体为例。 小注入时，即np0,Pp0,则EFP比EF更靠近价带，且比EFN 更显著

9、地偏离了EF。 EFP和EFn的偏离大小直接反映出np与ni2相差的程度 ，反映了半导体偏离平衡态的程度。 严谨严格求实求是严谨严格求实求是 准费米能级的深入理解 准费米能级的平衡，是一种准平衡，指把导带电子和价带空 穴看成子系，电子子系和空穴子系分别与晶格达到平衡。 从化学势来看，存在过剩载流子时，由于导带和价带这两个 子系的化学势不相等，子系之间是不平衡的。电子将从化学 势较高的子系导带流入化学势较低的子系价带，直到最 后两者化学势相等。 若由于某种原因造成少数载流子的欠缺，则不难看出价带化 学势将超过导带，这时将出现相反的情况，价带电子要转移 到导带中，形成电子空穴对，直到恢复平衡。 可

10、见电子流动的方向并不是由它所处的能级的高低决定的， 而是决定于它所处的子系统的化学势，即准费米能级的高低 。 严谨严格求实求是严谨严格求实求是 5.2 复合 复合的概念 直接复合 间接复合 严谨严格求实求是严谨严格求实求是 复合的概念 复合由半导体的内因决定。复合的过程是一 微观过程。 根据不同的因素，有以下分类。 根据复合的微观机构，复合可分为两类： 直接复合：电子在导、价带之间的直接复合。 间接复合：电子与空穴通过禁带的复合能级进行复 合。 根据复合过程发生的位置，有以下两类： 体内复合 表面复合 严谨严格求实求是严谨严格求实求是 复合的概念 根据复合时能量释放的形式，分为： 辐射复合（发

11、光复合）：伴随发光，发射光子。 通过和电磁波的作用，能量以光子形式释放。 非辐射复合：多余能量传给晶格，发射声子。载 流子将多余的能量传给晶格，增强晶格的振动。 俄歇复合：能量给予其它载流子，增加它们的动 能。 严谨严格求实求是严谨严格求实求是 严谨严格求实求是严谨严格求实求是 直接复合 产生率：单位时间和单位体积内所产生的电子 空穴对数称为产生率。 复合率：单位时间和单位体积内复合掉的电子 空穴对数称为复合率。 由电子在导带与价带间直接跃迁而引起的非平 衡载流子的复合过程就是直接复合。 严谨严格求实求是严谨严格求实求是 直接复合 复合率表示为：Rrnp 其中，n,p为电子和空穴浓度。r为电子

12、空穴复合几 率。 物理意义：单位体积内，每一个电子在单位时间内都 有一定的几率和空穴相遇而复合，这一几率与空穴浓 度成正比。 复合率R是温度的函数，与np无关。 严谨严格求实求是严谨严格求实求是 严谨严格求实求是严谨严格求实求是 直接复合 产生率仅是温度的函数，与n，p无关。 热平衡时，产生率必须等于复合率。有 非平衡载流子的净复合率：复合率减去产生率，有 严谨严格求实求是严谨严格求实求是 直接复合 小注入非简并时，非平衡时的产生率与平衡态时相 同，且仅是温度的函数。净复合率为 非平衡载流子的寿命为： R越大，净复合率越大，值越小。 严谨严格求实求是严谨严格求实求是 直接复合 对上式作分析，可

13、得 小注入时： 大注入时，有 严谨严格求实求是严谨严格求实求是 直接复合 总结： 小注入时，当温度和掺杂一定时，寿命是一个常 数，寿命与多数载流子的浓度成反比。 大注入时，寿命随非平衡载流子浓度而改变，不 再是常数。 寿命的大小，首先取决于复合几率r。一般的半导 体，并不完全是由直接复合过程所决定的，还有 另外的复合机构。 禁带越小，直接复合几率越大。 严谨严格求实求是严谨严格求实求是 间接复合 半导体中的杂质和缺陷有促进复合的作用。这些促进 复合的杂质和缺陷称为复合中心。 间接复合是指非平衡载流子通过复合中心的复合。 电子空穴的复合可分两步走：第一步，导带电子落 入复合中心能级；第二步，电子

14、再落入价带与空穴复 合。 当然也存在以上过程的逆过程。 严谨严格求实求是严谨严格求实求是 间接复合 间接复合的四个微观过程： 甲：俘获电子过程。复合中心能级从导带俘获电 子。 乙：发射电子过程。复合中心能级上的电子被激 发到导带。（甲逆） 丙：俘获空穴过程。电子由复合中心落入价带与 空穴复合。 丁：发射空穴过程。价带电子被激发到复合中心 上。（丙逆） 严谨严格求实求是严谨严格求实求是 严谨严格求实求是严谨严格求实求是 间接复合的相关概念 设Nt为复合中心浓度，nt表示复合中心能级上的电子 浓度。Nt-nt表示未被电子占据的复合中心浓度。 电子俘获率：单位时间单位体积被复合中心俘获的 电子数。

15、Rn:电子俘获系数。反映复合中心俘获能力的大小 电子产生率：单位时间单位体积复合中心向导带发 射的电子数。 S-称电子激发几率。 严谨严格求实求是严谨严格求实求是 间接复合的相关概念 空穴俘获率：单位时间单位体积被复合中心俘获的空穴数。 rp空穴俘获系数。只有被电子占据的复合中心能级才能俘获空穴。 空穴产生率：单位时间单位体积复合中心向价带发射的空穴 数。 S+:空穴激发几率 严谨严格求实求是严谨严格求实求是 间接复合 平衡时，有甲乙，丙丁，得 最后有 N1:等于费米能级EF与复合中心能级Et重合时导带的平衡电子 浓度 P1：等于费米能级EF与复合中心能级Et重合时价带的平衡空 穴浓度 严谨严格求实求是严谨严格求实求是 间接复合 非平衡，在稳定情况时，有 所以要保持复合中心上的电子数不变 甲丁乙十丙 为Et能级上电子的积累 Et能级上电子的减少 把各个情况的表达代入，有 严谨严格求实求是严谨严格求实求是 间接复合 稳定条件又可写为， 甲乙丙一丁 为导带上电子的减少价带空穴的减少 表示导带损失一个电子，价带损失一个空穴，两者在复合中 心复合，从而为净复合率。 最终有， 严谨严格求实求是严谨严格求实求是 间接复合 利用n1p1=ni2,