第3章--非热平衡状态下的半导体-《半导体物理学简明教程》ppt课件

01 01 十月十月 2022 2022西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平1第三章 非热平衡状态下的半导体3.1 半导体的非热平衡状态3.2 复合理论3.3 额外载流子的运动3.4 电流连续性方程及其应用3.5 半导体的光吸收3.6 半导体的光电导和光致发光1西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平01 01 十月十月 2022 20223.1 半导体的非热平衡状态3.1.1 额外载流子的产生与复合 1、非热平衡态的特征2、额外载流子的产生3、弛豫过程3.1.2 额外载流子的寿命 1、额外载流子参与导电的实验 2、复合几率、复合率与产生率 3、额外载流子密度随时间衰减的规律 4、额外载流子的寿命及其测量3.1.3 准费米能级 1、准平衡状态2、非热平衡状态下的载流子统计2西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平01 01 十月十月 2022 20223.2 复合理论3.2.1 直接辐射复合 1、直接辐射复合过程中的复合率和产生率 2、由直接辐射复合决定的少子寿命3.2.2 通过单一复合中心的间接复合 1、通过单一复合中心的复合过程（SRH模型）2、通过单一复合中心的净复合率 3、复合中心的有效性 4、通过单一复合中心的间接复合寿命 5、俘获系数与俘获截面3.2.3 表面复合 1、表面复合速度 2、考虑表面复合的有效寿命2.3.4 俄歇复合2.3.5 陷阱效应及其对复合的影响 1、陷阱条件 2、陷阱中心的有效性 3、陷阱对复合过程的影响3西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平01 01 十月十月 2022 202201 01 十月十月 2022 202201 01 十月十月 2022 20223.5 半导体的光吸收3.5.1 吸收系数及相关光学常数 1、折射率和吸收系数 2、反射率、吸收率和透射率3.5.2 半导体的本征吸收 1、本征吸收过程中的能量关系2、本征吸收过程中的选择定则 3、直接跃迁和间接跃迁3.5.3 其他吸收过程 1、激子（exciton）吸收 2、杂质吸收 3、自由载流子吸收 4、晶格振动吸收6西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平01 01 十月十月 2022 20223.6 半导体的光电导和光致发光3.6.1 半导体的光电导 1、稳态光电导及其弛豫过程 2、光电导灵敏度与光电导增益 3、复合和陷阱效应对光电导的影响 4、光电导谱3.6.2 半导体的光致发光 1、本征辐射复合（带间复合发光）2、通过杂质的辐射复合 3、激子复合发光7西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平01 01 十月十月 2022 2022西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平8第三章 非热平衡状态下的半导体3.1 半导体的非热平衡状态3.2 复合理论3.3 额外载流子的运动3.4 电流连续性方程及其应用3.5 半导体的光吸收3.6 半导体的光电导和光致发光8西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平01 01 十月十月 2022 20223.1 半导体的非热平衡状态3.1.1 额外载流子的产生与复合 1、非热平衡态的特征2、额外载流子的产生3、弛豫过程3.1.2 额外载流子的寿命 1、额外载流子参与导电的实验 2、复合几率、复合率与产生率 3、额外载流子密度随时间衰减的规律 4、额外载流子的寿命及其测量3.1.3 准费米能级 1、准平衡状态2、非热平衡状态下的载流子统计9西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平01 01 十月十月 2022 20223.1.1 额外载流子的产生与复合 1、非热平衡态的特征2、额外载流子的产生3、弛豫过程 比平衡状态多出来的载流子称为额外载流子。产生的额外载流子一般都用n，p来表示达到动态平衡后:n=n0+n p=p0+p n0，p0为热平衡时电子浓度和空穴浓度 10西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平01 01 十月十月 2022 20221、非热平衡态的特征2）、额外载流子的注入、额外载流子的注入1）、非平衡状态下的载流子密度、非平衡状态下的载流子密度 n 和和 p 表示额外载流子的密度表示额外载流子的密度 用光照使得半导体内产生的额外载流子的方法称为额外载流子的光注入。在强电场下，半导体中的点阵原子有可能被电离而成对产生大量额外载流子。称额外载流子的这种产生方式为电注入。p-n结正向工作时以及金属探针与半导体的接触是常用的额外载流子电注入。11西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平01 01 十月十月 2022 20222、额外载流子的产生额外载流子的额外载流子的光注入光注入 光注入额外载流子不一定总是n=p，光子被半导体吸收也不一定会产生额外载流子.额外载流子的注入必然导致半导体电导率增大。光电导光电导光电导光电导-光照使半导体电导率增大的现象。光照使半导体电导率增大的现象。光照使半导体电导率增大的现象。光照使半导体电导率增大的现象。12西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平01 01 十月十月 2022 2022西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平13大注入、小注入大注入、小注入 注入的额外载流子浓度大于平衡时的多子浓度，称为大注入。n型：nn0，p型：pp0 注入的额外载流子浓度大于平衡时的少子浓度，小于平衡时的多子浓度，称为小注入。n型：p0nn0，或p型：n0n0的非平衡态向平衡态弛豫的复合过程中,为了保持能量守恒和动量守恒而释放相应能量的方式主要有3种：1)发射光子发射光子,即所谓辐射复合；即所谓辐射复合；2)发射声子发射声子,即把能量传递给晶格振动即把能量传递给晶格振动,多声子复合多声子复合 3)激发另外的电子或空穴激发另外的电子或空穴,即所谓俄歇即所谓俄歇(Auger)复合复合四对复合四对复合产生过程产生过程 直接辐射复合直接辐射复合 其逆过程为本征激发（含热激发）其逆过程为本征激发（含热激发）直接俄歇复合直接俄歇复合 其逆过程为碰撞电离其逆过程为碰撞电离 通过体内复合中心的间接复合通过体内复合中心的间接复合其逆过程为间接激发其逆过程为间接激发 通过表面复合中心的间接复合通过表面复合中心的间接复合 其逆过程为间接激发其逆过程为间接激发15西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平01 01 十月十月 2022 20223.1 半导体的非热平衡状态3.1.1 额外载流子的产生与复合 1、非热平衡态的特征2、额外载流子的产生3、弛豫过程3.1.2 额外载流子的寿命 1、额外载流子参与导电的实验 2、复合几率、复合率与产生率 3、额外载流子密度随时间衰减的规律 4、额外载流子的寿命及其测量3.1.3 准费米能级 1、准平衡状态2、非热平衡状态下的载流子统计16西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平01 01 十月十月 2022 20221、额外载流子参与导电的实验限流电阻R与直流电源的串联代表一个恒流源.因为流过半导体试样的是恒定电流,试样受均匀光照而发生的电导率变化必然会通过试样两端的电压变化反映出来.这个变化实际上就是额外载流子密度p的变化.额外载流子注入必然导致半导体电导率增大,对n=p的光注入，电导率增量可表示为17西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平01 01 十月十月 2022 20222、复合几率、复合率与产生率额外载流子的平均生存时间称为其寿命。由于相对于额外多数载流子,额外少数载流子的影响处于主导的、决定地位,因而额外载流子的寿命常称为少子寿命。单位时间单位体积中复合消失的电子-空穴对数称为额外载流子的复合率U。显然，U=p/就代表额外载流子的复合率。把单位时间、单位体积内通过光照等激发机构产生的电子空穴对数称为产生率，通常用G表示在一个额外载流子的产生机构（例如光照）和复合机构并存，且稳定发挥作用的情况下，该系统在产生率等于复合率时进入稳定的非平衡状态，具有不变的额外载流子密度p。根据稳定非平衡态下根据稳定非平衡态下U=G知18西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平01 01 十月十月 2022 20223、额外载流子随时间衰减的规律一束光在一块一束光在一块n型半导体内均匀产生额外载流子型半导体内均匀产生额外载流子n和和p。在。在t0时刻，光照突然停止。考虑时刻，光照突然停止。考虑p随时间衰减的过程。随时间衰减的过程。单位时间内额外载流子密度的减少应等于复合率，即单位时间内额外载流子密度的减少应等于复合率，即设寿命设寿命是与是与p(t)无关的恒量，则此方程的通解为无关的恒量，则此方程的通解为按初始条件按初始条件p(0)p，知常数，知常数Cp，于是得衰减式，于是得衰减式19西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平01 01 十月十月 2022 2022西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平20有净产生4、额外载流子的寿命及其测量 VRt0有净复合0 t=0-,有光照t=0+,取消光照,有净复合 t=0-,无光照t=0+,加光照,有净产生VRt20西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平01 01 十月十月 2022 2022不同材料的少子寿命不同材料的少子寿命相差很大。一般而言，直接禁带半导体的少子寿命较短，间接禁带半导体的少子寿命较长。锗、硅、砷化镓相比，锗的少子寿命最长，硅次之，砷化镓少子寿命最短.锗单晶中少子寿命最长可超过10 ms，而砷化镓的少子寿命一般在ns范围。同种材料的少子寿命在不同状况下变化范围也很大。纯度和晶格完整性特别好的硅单晶的少子寿命最长可达1ms以上，制造功率器件的区熔硅的寿命一般在几十到几百微秒的范围，而含有微量重金属杂质或晶格缺陷的硅，其寿命也可降到ns量级。【例题例题】一一块块n型半导体样品的少子寿命型半导体样品的少子寿命 =10 s，今用光照在，今用光照在其中均匀注入额外载流子，产生率为其中均匀注入额外载流子，产生率为1016 6cm-3 s s-1-1。问问光照撤光照撤销销后后20 s时刻其额外载流子密度衰减到原值时刻其额外载流子密度衰减到原值的百分之几？的百分之几？即光照撤销后经过即光照撤销后经过2 2倍于少子寿命的时间仍有倍于少子寿命的时间仍有13.5%的额外载流的额外载流子尚未消失子尚未消失,其密度其密度值为值为1.35101010 cm-3-3()()21西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平01 01 十月十月 2022 20223.1 半导体的非热平衡状态3.1.1 额外载流子的产生与复合 1、非热平衡态的特征2、额外载流子的产生3、弛豫过程3.1.2 额外载流子的寿命 1、额外载流子参与导电的实验 2、复合几率、复合率与产生率 3、额外载流子密度随时间衰减的规律 4、额外载流子的寿命及其测量3.1.3 准费米能级 1、准平衡状态 2、非热平衡状态下的载流子统计22西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平01 01 十月十月 2022 2022西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平233.1.3 准费米能级u费米能级和统计分布函数都是指热平衡状态，半导体处于热平衡状态时具有统一的费米能级，统一的费米能级是半导体处于热平衡状态的标志。u当半导体处于非平衡状态时，不再存在统一的费米能级。然而分别就价带和导带的电子而言，各自又基本处于平衡态，而导带和价带之间则处于非平衡态。23西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平01 01 十月十月 2022 2022西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平241 准费米能级u对于非平衡态，费米能级和统计分布函数分别对导带和价带各自仍然适用。u对于非平衡态下的导带和价带分别引人导带费米能级和价带费米能级，称为“准费米能级”。u导带费米能级EFn也称电