半导体物理课件非平衡载流子.ppt

第五章　非平衡载流子 非平衡载流子的寿命与决定因素 准费米能级的意义 复合的机制与对非平衡载流子寿命的影响 复合中心与陷阱中心的异同 爱因斯坦关系式：扩散系数与迁移率的关系 非平衡载流子浓度随时间的变化规律（非稳态） 表面注入非平衡载流子浓度随位置的变化规律（稳态） §5.1 非平衡（Nonequilibrium）载流子的注入与复合 热平衡态（equilibrium）：确定的温度下：1、有统一的费米能级，载流子浓度一定；2、玻尔兹曼近似下，n0 p0 = ni2。是一种动态平衡。 非平衡态：当外界作用造成附加的产生率，使载流子浓度超过热平衡浓度n0和p0，额外的产生(Generation)和复合(Recombination)就显现出来。 非平衡载流子指相应部分的导带电子?n和价带空穴?p 。 　　?n＝n-n0 ?p＝p-p0　?n, ?p也称为过剩载流子(Excess Carries) n型样品：非平衡电子为非平衡多子，非平衡空穴为非平衡少子。 小注入条件：杂质半导体中，非平衡少子比平衡少子大得多，其影响显得十分重要 n型材料: n0Δn， p0Δn， p? Δp p型材料: p0Δp ，n0Δp，n? Δn 非平衡载流子的实验观察 设平衡态时半导体电导率为?0，光照引起的附加电导??，小注入时， ?= ?0+ ??≈?0， 电阻率改变??=1/?-1/?0?- ??/ ?02， 电阻改变为：?r? ?? ?V=I ?r ? ?? 。 产生过剩载流子的方式有： 光注入， Δn＝ Δp 光照在n型材料上，电导率增量Δ?＝q Δp( ?n ＋ ?p) 电注入(金属探针与pn结正向导通) 非平衡载流子的复合： 产生非平衡载流子的外部 作用逐渐撤除后，由于 半导体的内部作用，使它 从非平衡态恢复到平衡态 过剩载流子逐渐消失过程。 §5.2 非平衡载流子的寿命（Life-time） 寿命：外界作用撤消后，非平衡载流子会逐渐消失，半导体恢复热平衡态，非平衡载流子的消失过程需要一定的时间，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，非平衡载流子平均存在的时间就是载流子寿命。用?表示。 寿命与材料的关系很大，是材料结构灵敏参数（第4节）.通常寿命值在毫秒、微秒量级 寿命可以通过实验方法测量. 热平衡时： G：电子一空穴对的产生率，单位时间，单位体积内激发产生的导带电子和价带空穴数。 R：电子一空穴对的复合率，单位时间，单位体积内复合消失的导带电子和价带空穴数。 热平衡时为 R0 ，G0，n0，p0， 复合时少子的寿命起主要作用。 有外加激发时,有净的载流子产生。 G＝ G0＋? G 过剩载流子随时间的变化为： 撤除外加激发时,载流子有净复合 以光注入为例分析非平衡载流子产生过程 一块载流子均匀分布的半导体： 在t 0时，处于热平衡态； 在t = 0时，开始进行光照，假设光子被均匀地吸收，并在半导体建立起非平衡载流子，经历一段时间后达到稳态（Steady-State）； 在t = t1时，光照撤除， 在t t1时，经历一段时间后，样品重新回到热平衡态。 1. 在t0时，没有光照，样品处于热平衡，此时 产生率 复合率 载流子浓度 G0 ＝ R0 n0,p0 载流子浓度不变 2.在t=0时刻，开始光照，产生附加的产生率?G，此时 产生率 复合率 载流子浓度 G0 + ?G R0 n0,p0 载流子浓度开始增加 在t 0 时，由于G R，故载流子浓度提高n↑、p ↑ ，由此将引起复合率R 的上升。 U = R - R0，为净复合率，显然，它可以被看成是由于过剩载流子?n、? p的存在而导致的复合率的增加。 故，光照开始后，载流子浓度的变化规律为： 等式左边: 等式右边: 方程变为: 非典型齐次方程 的通解公式 可解出方程: 3. 在经历较长时间达到稳态后 产生率 复合率 载流子浓度 G0+?G ＝ R0 +?n/? n0+ ?n, p0+?p 载流子浓度不变 4.在某一时刻t1, 光照突然停止，附加产生率?G消失，此时 产生率 复合率 载流子浓度 G0 R0+?n