《半导体物理第六章》PPT课件

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1、第6章半导体中的非平衡过剩载流子本章学习要点：1.掌握过剩载流子产生与复合的概念；2.掌握描述过剩载流子运动特性的连续性方程及扩散方程；3.掌握双极输运方程及其典型的应用实例；4.建立准费米能级的概念；5.了解分析过剩载流子的复合过程及其寿命；6.了解表面效应对过剩载流子复合的影响。如果半导体材料受到外部的激励(如温度的突然升高），那么在原来热平衡浓度的基础上，会增加额外的导带电子和价带空穴----非平衡过剩载流子，过剩载流子是半导体器件工作的基础。本章重点学习描述非平衡过剩载流子随空间位置和时间变化状态---双极输运方程，这是研究分析PN结和双极型晶体管

2、特性的基础。§6.1载流子的产生与复合载流子的产生：把一个价带电子激发至导带，形成一对可以参与导电的电子－空穴对的过程；载流子的复合：一个导带电子跃迁至价带，使得一对本来可以参与导电的电子－空穴对消失的过程。对于热平衡状态的任何偏离，都会导致半导体材料中电子浓度和空穴浓度的变化。例如：温度的突然升高，会导致电子和空穴热产生率的增大，从而导致半导体材料中电子和空穴浓度随着时间而变化，直到最后达到新的平衡。外部的光照，也会产生额外的电子－空穴对，从而建立起一个非热平衡状态。6.1.1热平衡状态半导体的产生和复合处于热平衡状态的半导体材料，其电子和空穴的浓度不随

3、时间发生变化，但实际这是一种动态平衡。在半导体材料中仍然不断地存在着大量电子－空穴对的产生过程，也存在着大量电子－空穴对的复合过程。电子的产生率---Gn0空穴热产生率---Gp0，单位：cm-3·s-1。对于导带与价带之间的直接产生过程，电子和空穴是成对产生的，因此有：电子的复合率---Rn0空穴的复合率---Rp0单位：cm-3·s-1。对于导带与价带之间的直接复合过程，电子和空穴也是成对复合掉的，因此有：在热平衡状态下，电子和空穴的浓度不随时间改变，即达到动态平衡，因此有：6.1.2过剩载流子的产生与复合讨论过剩载流子产生和复合过程常用的符号过剩

4、载流子的产生当有外界激发条件（如光照）时，会把半导体价带中的电子激发至导带，从而在导带中产生导电电子，同时也会在价带中产生导电空穴，即受到外部激励时，半导体材料相对于热平衡状态额外产生了电子－空穴对。额外产生的电子------过剩电子额外产生的空穴------过剩空穴过剩电子的产生率为：gn′过剩空穴的产生率为：gp′单位---cm-3·s-1对于导带与价带之间的直接产生过程来说，过剩电子和过剩空穴也是成对产生的，因此有：当有过剩载流子产生时，导带中电子的浓度和价带中空穴的浓度就会高出热平衡时的浓度，即：n0和p0分别是热平衡状态下电子和空穴的浓度；δn和δ

5、p分别是过剩电子和过剩空穴的浓度；注意：δn和δp—过剩载流子浓度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当有过剩载流子产生时，外界的激发作用打破了热平衡状态，因此这时半导体材料不再处于热平衡状态。电子和空穴的浓度也不再满足热平衡时的条件，即：过剩载流子的复合半导体中，即使有稳定的过剩载流子产生也不会导致过剩电子浓度和过剩空穴浓度的持续增加。过剩电子也会不断地和过剩空穴相复合。假设过剩电子和过剩空穴的复合率分别为Rn′、Rp′由于过剩电子和过剩空穴是成对复合掉的，因此：下图所示为半导体材料中过剩载流子的复合过程。如果撤掉外界作用

6、，由于过剩载流子的复合作用，非热平衡状态会逐渐向热平衡状态恢复。复合率和产生率（直接复合）复合率：R定义：单位时间、单位体积中被复合掉的载流子数。单位：对（个）/cm3·sRnpR=αrnpαr--复合系数，表示单位时间一个电子与一个空穴相遇的几率。当半导体处于热平衡状态，则：n=n0p=p0此时，单位时间单位体积被复合掉的电子、空穴对数=αrn0p0G：在所有非简并情况下基本相同，与温度有关，与n,p无关。即过剩电子和过剩空穴总是成对产生的，因此通称其为过剩载流子，即：利用上述关系，上面的方程可进一步变换为：求小注入条件下，上述方程的解。小注入条件：过剩载

7、流子浓度远远低于热平衡时多数载流子浓度。大注入条件：过剩载流子浓度接近或超过热平衡时多数载流子浓度。小注入：对于非本征的N型半导体材料：通常n0>>p0，n0>>δp对于非本征的P型半导体材料：则有p0>>n0，p0>>δn在小注入条件下，对于P型半导体材料上述方程可简化为：此方程的解为一个指数衰减函数：τn0：过剩少数载流子的寿命。对小注入条件，τn0是一个常数；上式反映了过剩少数载流子电子的衰减过程。过剩少数载流子电子的净复合率：（通常取正值）对于带与带之间的直接复合过程来说，过剩多数载流子空穴也将以同样的速率发生复合，即：在小注入条件下，对于N型半导体材

8、料少数载流子空穴的浓度将以时间常数τp