半导体物理与器件第六章课件.ppt

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1、半导体物理与器件陈延湖第六章半导体中的非平衡过剩载流子前面几章讨论的半导体的载流子均为热平衡载流子，在一定温度下由本征激发和杂质激发产生的载流子浓度是一定的，用n0和p0表示热平衡电子浓度和空穴浓度:导带电子和价带空穴系统具有统一的费米能级EF对非简并半导体上式为非简并半导体处于热平衡的判据外界作用（如光照等）可以改变半导体的热平衡状态，使其处于非平衡状态，载流子浓度比平衡时多（少）一部分，称为非平衡载流子或过剩载流子在各种半导体器件中，非平衡载流子起了决定性作用非平衡过剩载流子的产生与复合的机理非平衡过剩载流子的寿命在存在漂移和扩散运动时，非平衡过剩载流子的

2、时空分布特性分析——连续性方程连续性方程的应用本章重点问题：本章主要内容非平衡载过剩流子的产生、复合、寿命（6.16.5）表面效应表面复合（6.6）准费米能级（6.4）过剩载流子的性质-连续性方程（6.2）连续性方程的深入-过剩载流子的双极输运方程及应用（6.3）6.1载流子的产生与复合产生：电子和空穴的生成过程复合：电子和空穴消失的过程载流子的产生：热产生：热激发产生载流子，如:导带与价带之间直接热产生（产生电子空穴对），杂质电离产生（电子或空穴）光产生：光照激发产生载流子（产生电子和空穴对）电注入：外加电压注入载流子（注入电子或空穴）直接复合：•°EcEv

3、间接复合：EcEv•Et°载流子的复合按复合过程分为两种：直接复合：导带与价带之间直接跃迁复合间接复合：通过禁带中的能级（复合中心）复合按复合发生的位置分表面复合体内复合按放出能量的形式分如：发射光子（发光）如：俄歇复合发射声子（发热）辐射复合无辐射复合G：载流子的产生率，单位时间，单位体积内产生的导带电子或价带空穴数。个/cm-3R：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。个/cm-3产生率与导带中的空状态密度Nc以及价带中相应的电子占据状态密度成正比，对非简并半导体，因电子和空穴浓度与导带和价带的状态密度相比非常小，因而电

4、子和空穴密度几乎不影响产生率复合率与电子空穴的浓度成正比直接带间产生率与复合率的分析对于直接复合而言，电子与空穴直接相遇而复合，其复合率R可表示为：直接复合：•°EcEv••••°°°°为比例系数，它是一个电子与一个空穴相遇而复合的几率，与温度相关，而与n，p无关。np所以一定温度下的直接带间的热致产生率G为：如前所述在所有非简并情况下（非平衡或平衡态）G与n，p无关，则带间直接热产生率Gth在平衡与非平衡态时相同，Gth仅与温度有关对热平衡半导体，n0和p0不随时间发生变化则产生率：对直接带间产生和复合，是电子空穴成对产生和复合则：对非热平衡半导体载流子的复

5、合率：载流子的产生率：载流子浓度:热平衡载流子复合率过剩载流子复合率热平衡载流子产生率过剩载流子产生率载流子浓度随时间变化：从示波器上观测到的半导体上电压降的变化直接反映了附加电导率的变化，间接地检验了非平衡载流子的变化。在t=0时无光照，Vr=0，即p=n=0分析非平衡载流子的产生与复合（随时间变化的规律）在t>0时有光照，Vr↑，即p=n不断增多，载流子有净产生维持光照，由于载流子的复合，非平衡载流子不会无限增多，在t=ts时，Vr饱和，即p=n不再增多，产生与复合达到平衡△Vrtc0↑有净产生ts↓有净复合t在tc时刻去掉光照，由于载流

6、子的复合，非平衡载流子不断减少，最后Vr=0，即p=n=0，系统重回热平衡状态定性分析t<0时，无光照，处于热平衡，此时t=0时，开始光照，产生附加的过剩载流子产生率过剩载流子浓度开始净增加定量分析：t>0时，由于由于G>R，故过剩载流子浓度由零不断增加，由此将引起过剩载流子的复合为过剩载流子复合率，其值应与过剩载流子浓度δn、δp有关，且随着过剩载流子浓度的增加而增大当t=ts时，过剩载流子产生率与其复合率相等，过剩载流子浓度保持常量t>tc时，光照撤除，过剩载流子产生率为零，此时，所以，复合大于产生，过剩载流子浓度不断减少在此阶段产生率复合率：由于直

7、接带间产生电子和空穴是成对产生的，因而过剩多数载流子和少数载流子的浓度相同，即：可简化为：则t>tc时，过剩载流子的变化规律符合下式：基于特定的非平衡过程对上述公式进行分析过剩载流子复合率若注入的非平衡载流子比平衡时的多数载流子浓度小得多，则称其为小注入。对小注入，非平衡多子浓度远少于平衡多子，其影响可以忽略小注入条件下:而非平衡少子远多于平衡少子，其影响不可忽略，在器件中起到重要的作用，因此通常所说的非平衡载流子一般都是指的非平衡少数载流子对n型半导体：对p型半导体：对n型半导体：对p型半导体：§5.1§5.2非平衡载流子的注入、复合、寿命例如电阻率为的N型

8、半导体，热平衡载流子浓度若注入非平衡载