半导体物理基础PN结文件.PPT

2.6 非平衡载流子 非平衡载流子的注入与复合 非平衡载流子的寿命 准费米能级 复合机制 2.6.1 非平衡载流子的注入与复合 热平衡：一定温度下没有外力和激发作用的稳定态。 非平衡：自由载流子浓度偏离热平衡的情况。 非平衡载流子：在外界作用下，能带中的载流子数目发生明显的改变，比平衡态多出来的这部分载流子成为过量载流子，或非平衡载流子。 非平衡载流子的注入：导入过量载流子的过程。 在半导体中，非平衡载流子具有极其重要的意义，许多效应都是由它们引起的。 2.6.1 非平衡载流子的注入与复合 一定温度下，当没有光照时，N型半导体中电子和空穴的浓度满足: n0》p0，若用光子能量大于禁带宽度的光照射，则可将价带的电子激发到导带。导带和价带分别比平衡时多出一部分电子?n和空穴?p，称为非平衡载流子浓度。 导带电子浓度： 价带空穴浓度： ni:一定温度下，本征半导体中平衡载流子的浓度。 2.6.1 非平衡载流子的注入与复合 非平衡载流子的注入 光注入：用光照射半导体产生非平衡载流子的方法。（光-电器件，光-光器件） 电注入： （电-光器件） ? 给PN结加正向偏压，PN结在接触 面附近产生非平衡载流子。 ? 当金属和半导体接触时，加上适当的偏压，也可以注入非平衡载流子。 2.6.1 非平衡载流子的注入与复合 非平衡载流子的注——注入载流子数量的多少控制器件的工作状况。 小注入（低水平注入）：注入的过量载流子浓度与热平衡多数载流子浓度相比是很小的。 大注入（高水平注入）：注入的过量载流子浓度可以和热平衡多子浓度相比较。 N型半导体 2.6.1 非平衡载流子的注入与复合 非平衡载流子的复合 非平衡载流子的复合：非平衡载流子是在外界作用下产生的，当外界作用撤除以后，由于半导体的内部作用，导带中的非平衡电子将落入到价带的空状态中，使电子和空穴成对地消失。 非平衡载流子的复合是半导体由非平衡态趋向平衡态的一种弛豫过程，属于统计性的过程。 载流子的产生（复合）率：单位时间、单位体积内产生（复合）的载流子数。 2.6.1 非平衡载流子的注入与复合 统计性的过程 热平衡情况下，载流子的产生率 = 载流子复合率，使载流子浓度维持一定。 当有外界作用时（如光照），产生率 复合率，半导体中载流子数目增多，即产生非平衡载流子。随着非平衡载流子数目的增多，复合率增大，当产生率 =复合率时，非平衡载流子数目不再增多，达到稳定值。 外界作用撤除后，产生率 复合率，非平衡载流子数目逐渐减少，最后恢复到热平衡情况。 2.6.2 非平衡载流子的寿命 非平衡载流子的寿命 ? 实验证明，在只存在体内复合的情况下，t 时刻非平衡载流子的浓度为 ?p0为t=0时的非平衡载流子浓度。 ? 标志着非平衡载流子在复合前的平均存在时间，称为非平衡载流子的寿命，可以在10-2 ~ 10-9 s 的范围内变化。1/? 是单位时间内每个非平衡载流子被复合掉的概率。 硅、锗中非平衡载流子寿命长，达毫秒量级；GaAs的非平衡载流子寿命很短，为纳秒量级。 2.6.3 准费米能级 热平衡时，可以用一个统一的费米能级EF 来描述半导体中的电子和空穴的浓度。 非平衡时，由于非平衡载流子的注入，费米能级变得没有意义。但可以定义EFn 和 EFp来代替上式中的EF， EFn 和 EFp 分别为电子和空穴的准费米能级。 导带 价带 Ei EF N 型半导体 EFn EFp 2.6.4 复合机制 根据复合过程的微观机制，分为直接复合和间接复合。 根据复合过程发生的位置，分为体内复合和表面复合。 载流子复合时释放能量的方式：1）发射光子；2）发射声子；3）俄歇复合（将能量给予其他载流子，增加它们的动能）。 直接复合：电子由导带直接跃迁到价带的空状态，使电子和空穴成对消失。也称为带间复合。 如果直接复合过程中同时发射光子，则称为直接辐射复合或带间辐射复合。 一般地，禁带宽度越小，直接复合的概率越大。锑化铟（带隙0.18 eV）等小带隙的半导体中，直接复合占优势。 2.6.4 复合机制 2.6.4 复合机制 直接复合的复合率R：单位时间、单位体积半导体中复合掉的电子-空穴对数。与电子浓度n和空穴浓度p成正比:R=rnp，r称为复合系数。 一定温度下，r 值确定，与电子和空穴浓度无关。 小注入条件下，N型半导体中非平衡空穴寿命： （杂质饱和电离） ?与多子浓度成反比，即和杂质浓度成反比，因此，样品的电导率越高，非平衡少子寿命越短。 间接复合：最主要的是通过复合中心的复合。 复合中心：晶体中的一些杂质或缺陷，它们在禁带中引入