第三章02非平衡载流子new.ppt

§3.2 非平衡态下载流子的运动 对非平衡载流子有两种定向运动： ●电场作用下的漂移运动； ●浓度差引起的扩散运动。 一、非平衡载流子的扩散运动和扩散电流 1．非子的扩散运动和一维稳态时的扩散方程 均匀掺杂的N型半导体 非子从一端沿整个表面均匀产生， 且只在x方向形成浓度梯度 ， 非子是沿x方向运动。 光照 x 非平衡载流子的扩散 A B 0 x x+Δx 在 x=x 处，取截面 A，x = x + ?x 处取截面 B，两截面垂直于 x 轴，并且都为单位面积 1 cm2 扩散流密度 Jp(x)： 单位时间通过扩散的方式流过垂直的单位 截面积的载流子 非子浓度梯度 Dp为扩散系数，量纲为cm2/s 3．非平衡载流子的扩散电流密度 空穴扩散电流密度 电子扩散电流密度 (Jp)扩→ (Jn)扩← 二、载流子的扩散和漂移运动 N型材料, 在 x 方向方向加光照、电场 (Jp)漂→ (Jn)漂→ x, E 1．空穴电流 非平衡扩散电流： +x方向 非平衡空穴和平衡空穴形成的漂移电流： +x方向 电流密度： 2．电子电流密度 非平衡电子形成的扩散电流： -x方向 平衡多子与非平衡多子的漂移电流： +x方向 ?电子电流密度： 3．总的电流密度 J=Jp+Jn 三、爱因斯坦关系 非简并情况下载流子 迁移率和扩散系数关系 迁移率：反映载流子在电场作用下运动的 难易程度 扩散系数：反映存在浓度梯度时载流子运 动的难易程度 考虑一块处于热平衡状态的非均匀的N型半导体，其中施主杂质浓度随x增加而下降，电子浓度为no(x) 电子扩散电流密度： 漂移电流： 平衡时电子的总电流等于0 Jn=(Jn)漂+(Jn)扩=0 导带底的能量应为Ec－qV(x)， －qV(x)附加的静电能 对于空穴： 室温时：KT = 0.026 eV Si中：?n=1350cm2/vs 总电流密度： §3.3 非平衡载流子的复合 产生非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，非子逐渐消失，这一过程叫复合。 一、复合类型 按复合机构分 直接复合： ? ° Ec Ev 间接复合： Ec Ev ? ° Et 按复合发生的位置分 表面复合 体内复合 按放出能量的形式分 发射光子 俄歇复合 发射声子 → 辐射复合 →无辐射复合 俄歇复合－－非辐射复合 载流子从高能级向低能级跃迁，发生电子 －－空穴复合时，将多余的能量传给另一载 流子，使此载流子被激发到能量更高的能 级上去，当它重新跃迁回低能级时，多余 的能量以声子形式放出。 §3.4 非平衡载流子的产生 和寿命 一、非平衡载流子的产生 1．光注入 用波长比较短的光 照射到半导体 光照 ?n ?p no po 光照产生非平衡载流子 2．电注入 3．非平衡载流子浓度的表示法 产生的非子一般都用?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 ， ?n，?p为非子浓度。 对同块材料 ： ?n=?p 热平衡时n0·p0=ni2，非平衡时n·p＞ni2 n型： ?n—非平衡多子 ?p—非平衡少子 p型： ?p—非平衡多子 ?n—非平衡少子 注意： ?n，?p—非平衡载流子的浓度 n0，p0—热平衡载流子浓度 n，p—非平衡时导带电子浓度 和价带空穴浓度 4．大注入、小注入 ● 注入的非平衡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 ●注入的非平衡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：p0?nn0，或p型：n0?pp0 例： ? ? 1 ??cm的n型硅中，n0 ? 5.5?1015cm-3, p0 ?3.1 ?104cm-3. 注入非子 ?n= ? p=1010cm-3 则 ?n n0，小注入 但 ?pp0。 非平衡少子浓度平衡少子浓度 即使小注入， 实际上，非平衡少子起重要作用。 二、非平衡时的附加电导 热平衡时： 非平衡时： ——附加电导率 n型： 多子： 少子： 光注入引起附加光电导 光照 R 半导体 三、非平衡载流子的检测与寿命 1．非平衡载流子的检测 设外接电阻 R r (样品的电阻) 外 无光照时 ： 有光照后 ： 2．非平衡载流子随时间的变化规律 (1) 随光照时间