半导体物理与器件(吕淑媛)课件第4章过剩载流子.pptx

第 4 章 过剩载流子;　　半导体存在两种状态，一种是热平衡状态，一种是非热平衡状态。热平衡状态是半导体没有受到外界(电场、磁场、光照等)作用的状态，非热平衡状态是半导体受到外界作用的状态。当半导体处于热平衡状态时，半导体中的载流子浓度只有热平衡载流子浓度，它不随时间发生变化;而在非热平衡状态下，半导体中的载流子浓度包括热平衡载流子浓度和过剩载流子浓度。在非热平衡状态下，半导体中出现了过剩载流子，那么过剩载流子是怎么来的?过剩载流子有多少? 过剩载流子的漂移和扩散是怎样进行的? 解决了这些问题，就掌握了过剩载流子的性质和运动变化规律，运用这些规律，可以讨论它们对电流的贡献，确定半导体器件的工作原理。;4. 1 载流子的产生和复合;4. 1. 2 产生率和复合率　　载流子生成的快慢程度用产生率来描述，定义???单位体积、单位时间内载流子增加的数目，即单位时间内载流子浓度增加的数值。通常用 G n 和 G p 分别表示电子和空穴的产生率。当仅有载流子产生存在时，载流子浓度与产生率的关系为产生率的单位为 cm -3 s-1 。;　　载流子消失的快慢程度用复合率来描述，定义为单位体积、单位时间内载流子减少的数目，即单位时间内载流子浓度减少的数值。通常用 R n 和 R p 分别表示电子和空穴的复合率。当仅有载流子复合存在时，载流子浓度与复合率的关系为复合率的单位为 cm -3 s-1 。;4. 1. 3 载流子的产生源　　载流子是怎么产生的?当 T =0K 时，半导体价带为满带，导带为空带，所以半导体中的载流子浓度等于零。当 T 0K 时，导带有电子，价带有空穴，载流子浓度不为零。当把一块T =0K 的半导体放置在 T 0K 的环境中时，半导体中的载流子就会从无到有。可见，温度是产生载流子的一种源。事实上，载流子产生是需要能量的，对温度来说，这种能量就是热能。;　　除了温度这种载流子的产生源外，还有其他的载流子产生源，如光照，价带的电子吸收光能后跃迁到导带，就会产生电子和空穴，因此光也是载流子的产生源。　　当有这些产生源时，它们就会按照其产生率生成载流子。当产生源撤离时，载流子随即停止产生。;4. 1. 4 影响载流子复合的因素　　载流子的复合是载流子消失的过程。对于直接复合，一个电子从导带跃迁到价带，导带的一个电子消失，同时，价带的一个空穴也消失了。由于导带电子到价带的跃迁是能量减小的过程，所以，电子与空穴的复合就不需要其他外部的力量来激励。它是一个自然的过程，在同一位置，只要有电子和空穴，它们就必然会发生复合。复合率与电子和空穴浓度成正比，即;　　式中： n 、p 分别代表电子浓度和空穴浓度； α 是比例系数，与材料有关。由于是直接复合，因此电子的复合率和空穴的复合率是相等的。如果只有复合，载流子的浓度随时间是在减少的，则复合率也随时间减小。　　对于其他复合，由于有其他复合因素参与，复合不再只与载流子浓度有关，电子和空穴的复合率也不再始终相同。;4. 1. 5 热平衡状态下载流子的产生和复合　　影响热平衡状态下半导体载流子浓度变化的因素包括热平衡载流子产生率和热平衡载流子复合率。若热平衡状态下载流子的浓度分别为 n 0 、 p 0 ，则电子和空穴的热平衡复合率 R n0 、Rp0为;　　电子和空穴的热平衡产生率 G n0 、 Gp0取决于温度，但可以通过热平衡状态下载流子的浓度不变来确定其大小，即有所以，在热平衡状态下，电子和空穴的产生率和复合率有如下关系：　　在热平衡状态下，电子和空穴浓度保持不变，但电子和空穴的产生和复合的过程依然存在，只不过是产生的载流子和复合的载流子相等而已。;4. 1. 6 非热平衡状态下载流子的复合　　通常，把热平衡状态下的载流子称为热平衡载流子，而把非热平衡状态下比热平衡状态下多出的那部分载流子称为过剩载流子，包括过剩电子和过剩空穴。　　1. 非热平衡状态下载流子的复合率假设当 t =0 时在半导体中存在过剩载流子，过剩电子和过剩空穴的浓度分别为 δn 和δp，同时也存在热平衡电子浓度 n 0 和热平衡空穴浓度 p 0 。此时电子的总浓度和空穴的总浓度分别为;并且有此时，半导体中的产生源只有热产生源，而总的复合却包括热平衡载流子复合和过剩载流子复合两部分。;　　在非热平衡状态下，载流子的复合率可表示为;其中电子和空穴的热平衡复合率为过剩电子和空穴的复合率为;　　 2. 非热平衡状态下载流子的复合规律　　由于热平衡载流子的产生率和复合率相等，即单位时间增加的热平衡载流子浓度等于复合的热平衡载流子浓度，热平衡载流子的产生率和复合率同时存在的作用效果是热平衡载流子浓度不随时间变化。对于过剩载流子，当产生源消