《非平衡载流子》PPT课件 (2)

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1、第五章 非平衡载流子 1 1 非平衡载流子的寿命非平衡载流子的寿命 2 2 准费米能级准费米能级 3 3 复合理论概要复合理论概要 4 4 陷阱效应陷阱效应 5 5 载流子的扩散和漂移载流子的扩散和漂移 6 6 连续性方程连续性方程1精选PPT基本概念基本概念 1 1、非平衡态、非平衡态 一定温度下，在外界作用下（光照、电场），一定温度下，在外界作用下（光照、电场），半导体载流子浓度发生变化，偏离热平衡状态，半导体载流子浓度发生变化，偏离热平衡状态，这种状态就是非平衡状态。这种状态就是非平衡状态。2精选PPT2、非平衡载流子、非平衡载流子(过剩载流子过剩载流子) 热平衡状态热平衡状态: n0,

2、p0 (载流子浓度的乘积仅是温度的函数载流子浓度的乘积仅是温度的函数) 非平衡载流子非平衡载流子(过剩载流子过剩载流子) 比平衡状态多出来的这部分载流子比平衡状态多出来的这部分载流子: n, p n= n0+ n, p= p0 +p非平衡载流子：处于非平衡态中的载流子非平衡载流子：处于非平衡态中的载流子 （n，p）（另一种说法）（另一种说法）3精选PPT 3 3、光注入和电注入、光注入和电注入 (1)用光用光（hvEg）照射照射 半导体产生过剩载流半导体产生过剩载流 子的方法称为光注入。子的方法称为光注入。 光注入特点：光注入特点： p= n 电子空穴成对出现电子空穴成对出现光照光照npnop

3、o光照产生非平衡载流子光照产生非平衡载流子4精选PPT (2) 用电场使半导体中产生过剩载流子的方法用电场使半导体中产生过剩载流子的方法 称为电注入。称为电注入。 电子、空穴不一定同时出现。电子、空穴不一定同时出现。 p n5精选PPT4 4、小注入和大注入、小注入和大注入 (1)(1)过剩载流子浓度比热平衡时多数载流子过剩载流子浓度比热平衡时多数载流子浓度小很多浓度小很多小注入小注入 nn0 n型半导体型半导体 pp0 p型半导体型半导体 例：例：n型型Si 1cm n0=5.51015cm-3 光注入光注入 n= p=1010cm-3 p0=3.1104cm-36精选PPT(2)大注入大注

4、入 nn0 n型半导体型半导体 pp0 p型半导体型半导体7精选PPT1 1 非平衡载流子的寿命非平衡载流子的寿命1 1、非平衡载流子的、非平衡载流子的复合复合: : - -当外界因素撤除当外界因素撤除, ,非平衡载流子逐渐消失非平衡载流子逐渐消失,(,(电子电子- -空穴复合空穴复合),),体系由非平衡态回到平体系由非平衡态回到平衡态衡态. .8精选PPT热平衡是动态平衡热平衡是动态平衡. .当存在外界因素当存在外界因素, ,产生非平衡载流子产生非平衡载流子, ,热平衡被破坏热平衡被破坏. .稳态稳态当外界因素保持恒定当外界因素保持恒定, ,非平衡载流子的数目非平衡载流子的数目宏观上保持不变

5、宏观上保持不变. .9精选PPT光注入引起附加光电导光注入引起附加光电导光光照照R R半半导导体体2 2、非平衡时的附加电导、非平衡时的附加电导 10精选PPT热平衡时：热平衡时： 非平衡时：非平衡时： 11精选PPT附加电导率附加电导率 n型：型： 多子：多子： 少子：少子： 12精选PPT3 3、非平衡载流子的检测、非平衡载流子的检测设外接电阻设外接电阻Rr(Rr(样品的电阻样品的电阻) ) 外外13精选PPT 无光照时无光照时 ：有光照后有光照后 ：14精选PPT15精选PPT4、非平衡载流子随时间的变化规律、非平衡载流子随时间的变化规律(1)随光照时间的变化随光照时间的变化t=0，无光

6、照，无光照， Vr=0t0，加光照，加光照Vrt0有净产生16精选PPT(2) 取消光照取消光照在在t=0时，取消照，时，取消照，复合复合产生产生 。 非平衡载流子在半非平衡载流子在半导体中的生存时间导体中的生存时间称为非子寿命。称为非子寿命。Vrt0有净复合17精选PPT 5、非平衡载流子的平均寿命、非平衡载流子的平均寿命 假设假设t=0时，停止光照时，停止光照 t=t时，非子浓度为时，非子浓度为 p(t) t=t+ t时，非子浓度为时，非子浓度为 p(t+ t) 在在 t时间间隔中，非子的减少量：时间间隔中，非子的减少量： p(t) p(t+ t) 单位时间、单位体积中非子的减少为：单位时

7、间、单位体积中非子的减少为： t0 18精选PPTPP：一个非平衡子：一个非平衡子, ,在单位时间在单位时间 内发生复合的次数。内发生复合的次数。假设复合几率为假设复合几率为 C为积分常数为积分常数 t=0 时，时，19精选PPT0t20精选PPT非子的平均寿命：非子的平均寿命： t=t= 时，非子浓度减到：时，非子浓度减到： 为非平衡载流子的寿命为非平衡载流子的寿命21精选PPT复合率复合率p/p/ 单位时间内复合掉的非平衡子浓度单位时间内复合掉的非平衡子浓度（单位时间单位体积净复合消失的电子、空穴对）（单位时间单位体积净复合消失的电子、空穴对） 当有外界因素对应空穴产生率当有外界因素对应空

8、穴产生率GpGp, ,则有则有: :22精选PPT2 2 准费米能级准费米能级1 1、热平衡电子系统的费米能级、热平衡电子系统的费米能级2 2、准费米能级的引入、准费米能级的引入23精选PPT1 1、热平衡电子系统的费米能级、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热平衡电子系统有统一的费米能级24精选PPT25精选PPT2、准费米能级的引入准费米能级的引入(1)(1)准平衡态准平衡态: :非平衡态体系中非平衡态体系中, ,通过载流子与晶格通过载流子与晶格的相互作用的相互作用, ,导带电子子系和价带空穴子系分导带电子子系和价带空穴子系分别很快与晶格达到平衡别很快与晶格达到平衡.

9、 . - -可以认为可以认为: :一个能带内实现热平衡一个能带内实现热平衡。 导带和价带之间并不平衡导带和价带之间并不平衡( (电子和空穴的数值电子和空穴的数值均偏离平衡值均偏离平衡值) )EcEcEvEvhvEg导带内电子交换能量导带内电子交换能量价带内空穴交换能量价带内空穴交换能量26精选PPT(2)准费米能级准费米能级EFn , EFP用以替代用以替代EF ,描述导带描述导带电子子系和价带空穴子系电子子系和价带空穴子系导带准费米能级导带准费米能级 价带的准费能级价带的准费能级 27精选PPT28精选PPT(3) (3) 准费米能级的位置准费米能级的位置 29精选PPTn n型材料：型材料

10、： 略高于略高于E EF F , ,远离远离E EF F p p型材料：型材料： 略低于略低于E EF F , ,远离远离E EF F 小，小，大，大，30精选PPTn n型型EcEcEvEvE EF FE EF Fn nE EF Fp pp p型型EcEcEvEvE EF FE EF Fp pE EF Fn n31精选PPT(4) (4) 非平衡态的浓度积与平衡态时的浓度积非平衡态的浓度积与平衡态时的浓度积32精选PPT33精选PPT(5) 问题 掺杂、改变温度和光照激发均能改变半导体的电导率，它们之间有何区别？在平衡情况下，载流子有没有复合这种运动形式？为什么着重讨论非平衡载流子的复合运动

11、？34精选PPT3 3 复合理论概要复合理论概要 1 1、 复合类型复合类型 2 2、 直接复合直接复合 3 3、 间接复合间接复合 4 4、 表面复合表面复合35精选PPT直接复合直接复合导带电子直接跃迁到价带导带电子直接跃迁到价带间接复合间接复合-导带电子跃迁到价带之前导带电子跃迁到价带之前, ,要经历某要经历某一一( (或某些或某些) )中间状态中间状态. . 这些中间状态是禁带中的一些能级这些中间状态是禁带中的一些能级复合中心复合中心. .复合中心可以位于体内复合中心可以位于体内, ,也可以与表面有关也可以与表面有关. .1、复合类型、复合类型(1)按复合机构分按复合机构分36精选PP

12、T直接复合：直接复合： EcEv间接复合：间接复合： EcEvEt37精选PPT(2)按复合发生的位置分按复合发生的位置分 表面复合表面复合 体内复合体内复合 表表面面复合中心复合中心38精选PPT(3)按放出能量的形式分按放出能量的形式分 发射光子发射光子 俄歇复合俄歇复合 发射声子发射声子 辐射复合辐射复合 无辐射复合无辐射复合 无辐射复合无辐射复合 39精选PPTn三种释放能量的方式三种释放能量的方式: : 发射光子发射光子 ( (以光子的形式释放能量以光子的形式释放能量) ) 辐射复合辐射复合( (光跃迁光跃迁) ) 发射声子发射声子( (将多余的能量传给晶格将多余的能量传给晶格) )

13、 无辐射复合无辐射复合( (热跃迁热跃迁) ) AugerAuger复合复合( (将多余的能量给予第三者将多余的能量给予第三者) ) - -无辐射复合无辐射复合( (三粒子过程三粒子过程) )40精选PPT2 2、直接复合、直接复合 （1 1）复合率和产生率）复合率和产生率复合率：复合率： 单位时间、单位体积中被复合的载流子对单位时间、单位体积中被复合的载流子对单位：单位：对对(个个)/scm3 R R R np R = rnp r r：比例系数：比例系数复合几率复合几率 单位时间一个电子与一个空穴相遇的几率单位时间一个电子与一个空穴相遇的几率41精选PPT当当n=n0，p=p0时，时， Rn

14、0p0=热热平平衡衡态态时时单单位位时时间间、单单位位体体积积被被复复合合掉的电子、空穴对数掉的电子、空穴对数对直接复合，用对直接复合，用Rd表示复合率表示复合率 Rd=rdnp非平衡非平衡 Rd=rdn0p0热平衡热平衡 rd为直接复合的复合系数为直接复合的复合系数 42精选PPT 对非简并半导体对非简并半导体, r=r(T) 这里的这里的”复合复合”,不是净复合不是净复合.43精选PPT44精选PPT 产生率产生率G G为为温度的函数温度的函数 与与n、p无关无关45精选PPT非平衡态下的产生率非平衡态下的产生率热平衡态下的产生率热平衡态下的产生率热平衡态下的复合率热平衡态下的复合率46精

15、选PPT47精选PPT48精选PPT总结总结49精选PPT非平衡子通过复合中心的复合非平衡子通过复合中心的复合 (1) (1) 四个基本跃迁过程：四个基本跃迁过程： 甲甲. . 电子俘获电子俘获 乙乙. . 电子产生电子产生 丙丙. . 空穴俘获空穴俘获 丁丁. . 空穴产生空穴产生50精选PPTn n、p p：非平衡态下的电子和空穴浓度 N Nt t：复合中心的浓度 n nt t：复合中心上的电子浓度N Nt t-n-nt t：未被电子占有的复合中心浓度（复合中心的空穴浓度）51精选PPT( (甲甲) )( (乙乙) )( (丙丙) )( (丁丁) )电子俘获率电子俘获率=r=rn n(N(

16、Nt t-n-nt t)n)n电子产生率电子产生率=s=s- -n nt t平衡时s s- -n nt t=r=rn n(N(Nt t-n-nt t)n)ns s- -=r=rn nn n1 1E EF F= =E Et t时热平衡时热平衡的电子浓度的电子浓度 电子产生率电子产生率=r=rn nn n1 1n nt t空穴的俘获率空穴的俘获率=r=rp pn nt tp p空穴的产生率空穴的产生率=s=s+ +(N(Nt t-n-nt t) )热平衡时热平衡时r rp pn nt tp=sp=s+ +(N(Nt t-n-nt t) )s s+ +=r=rp pp p1 1E EF F= =E Et t时热平衡时热平衡的空穴浓度的空穴浓度空穴的产生率空穴的产生率= = rpp1 (N(Nt t-n-nt t) )52精选PPT 甲甲+ +丁丁 = = 乙乙+ +丙丙复合复合中心中心电子电子积累积累复合复合中心中心电子电子减少减少53精选PPT甲甲- -乙乙= = 丙丙- -丁丁导带导带减少减少电子电子数目数目价带价带减少减少空穴空穴数目数目54精选PPTn(1)(1)热平衡热平衡 np=