半导体物理学第五章（1）.pdf

第五章 过剩载流子 半导体中许多重要的现象，如pn 结注入、晶体管 放大、光电导、注入发光以及光生伏特效应等都 是和过剩载流子相联系的。 这一章主要介绍过剩载流子的变化(复合和产生) 和运动的规律。 1 §5 ．1 过剩载流子及其产生和复合 过剩载流子及其产生 在热平衡情形下，统计涨落∆n0 ~ n0 统计涨落和平衡载流子浓度n 其之比: 0 ∆n / n ≈1/ n 0 0 0 极其微小, 则载流子浓度是恒定的. 2 但在外界作用下，这种情况可以被破坏。 例如，若用hν ε 的光照射半导体表面，则可 g 将价带的电子激发至导带，使电子浓度和空穴 浓度分别增加∆n和∆p (如图5 ．1所示意，图中 虚线的框中表示过剩载流子) 4 n n0 +∆n (5-1-1) p p 0 +∆p (5-1-2) 通常把数量上超过平衡情形的载流子称为过剩载 流子。 在通常条件下，由于电中性的要求，过剩电子和 过剩空穴的浓度相等： ∆n=∆p (5-1-3) 5 过剩载流子在数量上对于多子和少子的影响不同: 多子的数量一般很大，过剩载流子通常不会对它的 数量产生显著影响。但对少子来说，数量的变化常 常十分显著。 例如室温下在n =2×1015cm-3 的n型Si 中，空穴浓度只 0 5 -3 10 -3 约有10 cm 。若引入10 cm 的过剩载流子，虽然电 子浓度的变化微不足道，但空穴浓度却增加了几个 数量级。 6 准费米能级 在平衡情形下，我们可以用一个统一的费米能级描 述半导体中包括导带、价带和杂质能级在内的电子 分布。在非简并情形下，由式(3-2-16)和(3-2-18)可 以得到n p =n 2 。 0 0 i 在有过剩载流子的情形下，此式不再成立。这种情 形下显然不再存在统一的费米能级。 7 设想用一光脉冲照射在半导体上。若光的频率足 够高，满足hυε ，则光产生的载流子的能量分 g 布一开始不同于平衡分布。 但是具有较高能量的电子和空穴只要经过10−11 ~10 −12秒的能量弛豫时间(载流子的动量弛豫时 间：10−12 ~10 −14秒) ，就可通过和晶格的碰撞把 多余的能量传递给晶格从而使自身的能量相应于 平衡分布。 8 这样短暂的时间和过剩载流子的平均存在时间( 即寿 命~微秒量级