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第5章 非平衡载流子 在半导体物理和器件中，非平衡载流子起着极其重要 作用。许多重要的半导体效应都是与非平衡载流子的激 发、运动、复合等过程密切相关的，实际的半导体器件 大部分也是利用非平衡载流子而工作的。常见的比如光 敏电阻就是利用光照半导体产生电导现象制成的;半导 体二极管的整流运动、晶体管的放大作用、发电和发光 现象也是直接依赖于非平衡载流子的产生和运动。因 此，对非平衡载流子性质的研究是半导体物理的重要内 容之一，也是了解半导体器件工作原理的基础。 内 容 5.1 非平衡载流子的注入和复合 5.2 非平衡载流子的寿命 5.3 准费米能级 5.4 复合理论 5.5 陷阱效应 5.6 载流子的扩散运动 5.7 载流子的漂移运动， 5.8 爱因斯坦关系式 5.9 连续性方程 §5.1非平衡载流子的注入和复合 处于热平衡状态下的半导体，在一定温度下，载流子浓度是一定的。这种处于热平衡状态下的载流子浓度，称为平衡载流子浓度。用n0、p0分别表示平衡电子浓度和空穴浓度。在非简并情况下半导体处于热平衡状态载流子浓度有如下关系： 此时n0、p0只是温度的函数。在非简并情况下，无 论掺杂多少，平衡载流子浓度n0和p0必定满足上述 关系，它是非简并半导体的热平衡状态条件之一。 热平衡时： 非热平衡时： 非平衡载流子： 比平衡状态多出来的这部分载流子称为非 平衡载流子 非热平衡时： 一，非平衡载流子的注入（产生） 1．注入方式； 电注入 光注入 在一般情况下，注入的非平衡载流子浓度比 平衡时的多数载流子浓度小得多。满足这个 条件的注入称为小注入． 2．少数载流子起重要作用 例如对于n型硅，电阻率为1Ω·cm，n0=ND=5.5X 1015cm-3， Po=3.1 X104cm-3， 若注入非平衡载流子△n=△p=1010cm-3， △n ＜＜n0 ，是小注入，但是△p＞＞P0。 说明，即使在小注入的情况下非平衡少数载流子浓度还是可以比平衡少数载流子浓度大得多，它的影响就显得十分重要了，而相对来说非平衡多数载流子的影响可以忽略。所以实际上往往是非平衡少数载流子起着重要作用，通常说的非平衡载流子都是指非平衡少数载流子。 3．非平衡少数载流子的检测 光照产生非平衡载流子 光注入引起附加光电导 思路： 光照注入非平衡载流子 △n＝△p＝1010Cm－3 光注入引起附加电导率： 所以，从示波器上观测到的半导体上电压降的 变化就直接反映了附加电导率的变化，也间接 地检验了非平衡少数载流子的注入（产生）。 二.非平衡载流子复合 光照： 平衡 → 非平衡， 产生 复合 光照停止；非平衡 → 平衡， 复合 产生 非平衡载流子的复合： 由非平衡态恢复到平衡态，过剩载流子逐渐 消失。这一过程称为非平衡载流子的复合。 热平衡并不是一种绝对静止的状态。就半导 体中的载流子而言，任何时候电子和空穴总 是不断地产生和复合，在热平衡状态，产生 和复合处于相对的平衡，每秒钟产生的电子 和空穴数目与复合掉的数目相等，从而保持 载流子浓度稳定不变。 §5.2 非平衡载流子的寿命 ▲ 非平衡载流子的寿命： 可以通过这个实验，观察光照停止后，非平衡载流子 浓度△p随时间变化的规律。实验表明,光照停止后， △p随时间按指数规律减少，这说明非平衡载流子并 不是立刻全部消失，而是有一个过程，即它们在导带 和价带中有一定的生存时间，有的长些，有的短些。 非平衡载流子的平均生存时间称为非平衡载流子的寿 命，用τ表示。 ▲少数载流子寿命： 由于相对于非平衡多数载流子， 非平衡少数载流子的 影响处于主导的、决定的地位，因而非平衡载流子的寿命常称为非平衡少数载流子寿命。 复合几率：