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1、第5章非平衡载流子在第4章讲的电荷输运现象中，外场的作用，只是改变载流子在一个能带中能级之间的分布，而没有引起电子在能带之间的跃迁，在导带和价带中的载流子数目都没有改变。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。但是,有另外一种情况：在外界作用下，能带中的载流子数目发生明显改变，即产生非平衡载流子。大多数情况下,非平衡载流子都是在半导体的局部区域产生的.它们除了在电场作用下的漂移运动以外,还要作扩散运动.本章主要讨论非平衡载流子的运动规律及它们的产生和复合机制.§5.1非平衡载流子的注入与复合～一、非平衡载流子的产生处于热平衡态的半导体,在一定温度
2、下,载流子浓度是恒定的.本章用n0和p0分别表示平衡电子浓度和平衡空穴浓度.对半导体施加外界作用,可使其处于非平衡状态,此时比平衡态多出来的载流子,称为过剩载流子,或非平衡载流子.§5.1非平衡载流子的注入与复合如图所示,设想有一个N型半导体(n0>p0),若用光子的能量大于禁带宽度的光照射该半导体时,则可将价带的电子激发到导带,使导带比平衡时多出一部分电子Δn,价带比平衡时多出一部分空穴Δp.在这种情况下,电子浓度和空穴浓度分别为:而且Δn=Δp,其中Δn和Δp就是非平衡载流子浓度.§5.1非平衡载流子的注入与复合对N型半导体,电子称为非平衡多数载流子,而空
3、穴称为非平衡少数载流子.对于P型材料则相反.用光照产生非平衡载流子的方法,称为光注入。如果非平衡少数载流子的浓度远小于平衡多数载流子的浓度。则称为小注入。例如,在室温下n0=1.5×1015cm-3的N型硅中.空穴浓度p0=1.5×105cm-3.如果引入非平衡载流子Δn=Δp=1010cm-3,则Δp<>p0说明即使在小注入情况下，虽然多数载流子浓度变化很小，可以忽略，但非平衡少数载流子浓度还是比平衡少数载流子浓度大很多，因而它的影响是十分重要的。相对来说，非平衡多数载流子的影响可以忽略。实际上，非平衡载流子起着主要作用，通常所说的非平衡载流
4、子都是指非平衡少数载流子。§5.1非平衡载流子的注入与复合注入的非平衡载流子可以引起电导调制效应,使半导体的电导率由平衡值σ0增加为σ0+Δσ,附加电导率Δσ可表示为若Δn=Δp,则有通过附加电导率的测量可以直接检验非平衡载流子的存在.除了光注入,还可以用电注入方法或其他能量传递方式产生非平衡载流子。给P-N结加正向电压,在接触面附近产生非平衡载流子,就是最常见的电注入的例子.另外,当金属与半导体接触时,加上适当极性的电压,也可以注入非平衡载流子.§5.1非平衡载流子的注入与复合二、非平衡载流子的复合非平衡载流子是在外界作用下产生的,当外界作用撤除后，由于半导
5、体的内部作用,非平衡载流子将逐渐消失,也就是导带中的非平衡载流子落入到价带的空状态中,使电子和空穴成对地消失,这个过程称为非平衡载流子的复合.非平衡载流子的复合是半导体由非平衡态趋向平衡态的一种驰豫过程。通常把单位时间单位体积内产生的载流子数称为载流子的产生率；而把单位时间单位体积内复合的载流子数称为载流子的复合率。§5.1非平衡载流子的注入与复合①在热平衡情况下，由于半导体的内部作用，产生率和复合率相等，使载流子浓度维持一定。②当有外界作用时(如光照)，破坏了产生和复合之间的相对平衡，产生率将大于复合率，使半导体中载流子的数目增多,即产生非平衡载流子。③随着
6、非平衡载流子数目的增多，复合率增大。当产生和复合这两个过程的速率相等时，非平衡载流子数目不再增加,达到稳定值。④在外界作用撤除以后，复合率超过产生率，结果使非平衡载流子逐渐减少，最后恢复到热平衡状态。§5.2非平衡载流子的寿命1.非平衡载流子的平均生存时间称为非平衡载流子的寿命，用て表示。描述非平衡载流子复合的几个概念2.单位时间内一个载流子的复合次数为非平衡载流子的复合几率，记为PP=1/て3.单位时间内，单位体积中净复合的电子空穴对数定义为非平衡载流子的复合率§5.2非平衡载流子的寿命实验证明,在只存在体内复合的简单情况下,如果非平衡载流子的数目不是太大，
7、t=0时，外界作用停止，Δp将随时间变化，则在单位时间内，由于少子与多子的复合而引起非平衡载流子浓度的变化-dΔp/dt。每个非平衡载流子在单位时间内被复合消失的几率为1/て，每消失一个非平衡少子的同时必定消失一个非平衡多子。因此可以得到：§5.2非平衡载流子的寿命解方程,得其中,(Δp)0是t=0时的非平衡载流子浓度.上式表明,非平衡载流子浓度随时间按指数规律衰减,て是反映衰减快慢的时间常数,て越大,Δp衰减的越慢.所以,て标志着非平衡载流子在复合前平均存在的时间,通常称之为非平衡载流子的寿命。寿命是标志半导体材料质量的主要参数之一.依据半导体材料的种类、纯
8、度和结构完整性的不同,它可以在10-2
