第四章 非平衡载流子.ppt

第四章 非平衡载流子 §1 非平衡载流子的注入与复合 §2 准费米能级 §3 复合理论概要 §4 载流子的扩散和漂移 §5 连续性方程 §1 非平衡载流子的注入与复合 (1)??? 非平衡载流子 (2)??? 非平衡载流子的注入与复合 (3) 非平衡载流子的寿命 ★ 非平衡载流子 热平衡状态: n0,p0 (载流子浓度的乘积仅是温度的函数) 非平衡载流子(过剩载流子) – 比平衡状态多出来的这部分载流子: △n,△p n= n0+ △n, p= p0 +△p ★ 非平衡载流子的注入与复合 ①引入非平衡载流子(过剩载流子)的过程--非平衡载流子的注入 最常用的注入方式:光注入,电注入. 光注入: △n=△p 通常讨论小注入: △n,△p? (n0+p0 ) n型半导体: △n,△p? n0 p型半导体: △n,△p? p0 ②非平衡载流子的复合: --当外界因素撤除,非平衡载流子逐渐消失,(电子-空穴复合),体系由非平衡态回到平衡态. 热平衡是动态平衡. 当存在外界因素,产生非平衡载流子,热平衡被破坏. 稳态—当外界因素保持恒定,非平衡载流子的数目宏观上保持不变. ★ 非平衡载流子的寿命 指数衰减律: ①寿命τ —非平衡子的平均存在时间. ?复合几率P=1/τ —一个非平衡子,在单位时间内发生复合的次数. ②复合率Δp/τ —单位时间内复合掉的非平衡子浓度 ?当有外界因素对应空穴产生率Gp,则有: §2 准费米能级 (1)??? 热平衡电子系统的费米能级 (2)??? 准费米能级的引入 ★ 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 ★ 准费米能级的引入 ①准平衡态:非平衡态体系中,通过载流子与晶格的相互作用,导带电子子系和价带空穴子系分别很快与晶格达到平衡. --可以认为:一个能带内实现热平衡. ?导带和价带之间并不平衡(电子和空穴的数值均偏离平衡值) ②准费米能级EF- , EF+—用以替代EF ,描述导带电子子系和价带空穴子系 §3 复合理论概要 (1)??? 复合机制 (2)??? 直接复合 (3)??? 间接复合 (4) 表面复合 ★ 复合机制 复合过程: 直接复合—导带电子直接跃迁到价带 间接复合--导带电子跃迁到价带之前,要经历某一(或某些)中间状态. ?这些中间状态是禁带中的一些能级—复合中心.复合中心可以位于体内,也可以与表面有关. 三种释放能量的方式: 发射光子 (以光子的形式释放能量) —辐射复合(光跃迁) 发射声子(将多余的能量传给晶格) —无辐射复合(热跃迁) Auger复合(将多余的能量给予第三者) --无辐射复合(三粒子过程) ★ 直接复合(直接辐射复合) ①复合率(单位时间,单位体积内复合掉的电子-空穴对数): R=γnp, γ-直接复合系数 R- 1/(cm3 · S), γ-(cm3/S) ?对非简并半导体, γ=γ(T) ?这里的”复合”,不是净复合. ②产生率(单位时间,单位体积内产生的电子-空穴对数): G’= γni2 ?这里的”产生”,与外界因素无关. ③净复合率: Ud= - d△p(t)/dt = △p/τ Ud=R-G’= γ(np-ni2) ④寿命: ?小注入条件下: ★ 间接复合 间接复合 —非平衡子通过复合中心的复合 ① 四个基本跃迁过程： A. 电子俘获 B. 电子产生 C. 空穴俘获 D. 空穴产生 A.电子俘获率：Ra= γ-n(Nt-nt) ① B.电子产生率：Rb= S-nt= γ-n1nt ② C.空穴俘获率：Rc= γ+pnt ③ D.空穴产生率：Rd= S+(Nt-nt) = γ+p1(Nt-nt) ④ γ- 电子俘获系数， S- 电子激发几率 γ+ 空穴俘获系数， S+ 空穴激发几率 单位: 产生率，俘获率 R (1/cm3?s)