固体物理学_半导体电子论之非平衡载流子

1、07_05_非平衡载流子 半导体电子论07_05 非平衡载流子非平衡载流子 N型半导体型半导体 主要载流子是电子，也有少量的空穴主要载流子是电子，也有少量的空穴电子电子 多数载流子多数载流子 多子多子空穴空穴 少数载流子少数载流子 少子少子P型半导体型半导体 主要载流子是空穴，也有少量的电子主要载流子是空穴，也有少量的电子空穴空穴 多数载流子多数载流子 多子多子电子电子 少数载流子少数载流子 少子少子01/1507_05_非平衡载流子 半导体电子论热平衡下电子和空穴的浓度热平衡下电子和空穴的浓度半导体中的杂质电子，或价带中的电子通过吸收热能半导体中的杂质电子，或价带中的电子通过吸收热能激发到导

2、带中激发到导带中 载流子的产生载流子的产生电子回落到价带中和空穴发生复合电子回落到价带中和空穴发生复合 载流子的复合载流子的复合 达到平衡时，载流子的产生率和复合率相等达到平衡时，载流子的产生率和复合率相等 电子和空穴的浓度有了一定的分布电子和空穴的浓度有了一定的分布电子和空穴的浓度电子和空穴的浓度TkEBgeNNpn00 热平衡条件热平衡条件07_05_非平衡载流子 半导体电子论在外界的影响作用下，电子和空穴浓度可能偏离平衡值在外界的影响作用下，电子和空穴浓度可能偏离平衡值有有00nnnppp 非平衡载流子非平衡载流子 非平衡电子和非平非平衡电子和非平 衡空穴的浓度相同衡空穴的浓度相同np

3、如本征光吸收产生电子如本征光吸收产生电子 空穴对空穴对07_05_非平衡载流子 半导体电子论非平衡载流子对多子和少子的影响非平衡载流子对多子和少子的影响 多子的数目很大多子的数目很大 非平衡载流子对多子的影响不明显非平衡载流子对多子的影响不明显 对少子将产生很大影响对少子将产生很大影响 在讨论在讨论非平衡载流子非平衡载流子的问题时的问题时 主要关心主要关心是非平衡少数载流子是非平衡少数载流子1 非平衡载流子的复合和寿命非平衡载流子的复合和寿命 在热平衡下，载流子的浓度具有稳定值在热平衡下，载流子的浓度具有稳定值非平衡载流子非平衡载流子 光照可以产生载流子光照可以产生载流子07_05_非平衡载流

4、子 半导体电子论 开始光照开始光照，载流子的产生率增大，载流子的产生率增大 同时复合率也增大载流子的浓度偏离热平衡时的浓度同时复合率也增大载流子的浓度偏离热平衡时的浓度一段时间光照后，非平衡载流子的浓度具有确定的数目一段时间光照后，非平衡载流子的浓度具有确定的数目 载流子的载流子的产生率和复合率相等产生率和复合率相等 载流子浓度到达一个新的平衡载流子浓度到达一个新的平衡000000(,)() ,()Light irradiationTTnpnnpp 05/1507_05_非平衡载流子 半导体电子论 载流子的浓度到达一个新的平衡载流子的浓度到达一个新的平衡000000(,)() ,() Ligh

5、t irradiationTTnpnnpp 撤去光照撤去光照，载流子复合率大于产生率，载流子复合率大于产生率000000() ,() (,)No Light irradiationTTnnppnp 经过一段时间载流子的浓度又恢复到热平衡下的数值经过一段时间载流子的浓度又恢复到热平衡下的数值07_05_非平衡载流子 半导体电子论 单位时间、单位体积复合的载流子数目单位时间、单位体积复合的载流子数目 光照稳定时的非平衡载流子浓度光照稳定时的非平衡载流子浓度0()n()dnndt /0()tnn e 撤去光照后，非平衡载流子浓度随时间的变化关系撤去光照后，非平衡载流子浓度随时间的变化关系 为非平衡载

6、流子的寿命为非平衡载流子的寿命 载流子的复合是以固定概率发生的载流子的复合是以固定概率发生的n非平衡载流子的复合率非平衡载流子的复合率07_05_非平衡载流子 半导体电子论非平衡载流子的寿命非平衡载流子的寿命 的意义的意义 /0()tnn e 1) 光照使半导体的导电率明显增加光照使半导体的导电率明显增加 光电导效应光电导效应 决定着变化的光照时，光电导反应的快慢决定着变化的光照时，光电导反应的快慢 两个光信号的间隔两个光信号的间隔 可以分辨相应电流信号变化，才可以分辨两个光信号可以分辨相应电流信号变化，才可以分辨两个光信号t 07_05_非平衡载流子 半导体电子论2) 非平衡载流子的寿命非平

7、衡载流子的寿命 越大，光电导效应越明显越大，光电导效应越明显 非平衡载流子的浓度减小为平衡值的非平衡载流子的浓度减小为平衡值的1/e 所需的时间所需的时间 越大，非平衡载流子浓度减小得越慢越大，非平衡载流子浓度减小得越慢 一个非平衡载流子只在一个非平衡载流子只在 时间里起到增加电导的作用时间里起到增加电导的作用 越大，产生一个非平衡载流子对增加电导作用越大越大，产生一个非平衡载流子对增加电导作用越大非平衡载流子的寿命非平衡载流子的寿命 的意义的意义 /0()tnn e 07_05_非平衡载流子 半导体电子论非平衡载流子的寿命非平衡载流子的寿命 对光电导效应有着重要的意义对光电导效应有着重要的意

8、义 通过测量光电导衰减，通过测量光电导衰减， 可确定非平衡载流子的寿可确定非平衡载流子的寿命命4) 寿命寿命 与半导体材料所含的杂质与缺陷有关与半导体材料所含的杂质与缺陷有关 深能级杂质的材料深能级杂质的材料，电子先由导带落回一个空的杂，电子先由导带落回一个空的杂 质深能级，然后由杂质深能级落回价带中空的能级质深能级，然后由杂质深能级落回价带中空的能级 非平衡载流子寿命的测量可鉴定半导体材料晶体质量非平衡载流子寿命的测量可鉴定半导体材料晶体质量 深能级起着复合作用，降低了非平衡载流子的寿命深能级起着复合作用，降低了非平衡载流子的寿命/0()tnn e 10/1507_05_非平衡载流子 半导体

9、电子论2 非平衡载流子的扩散非平衡载流子的扩散 金属和一般的半导体中金属和一般的半导体中载流子在外场作用下的定向运动载流子在外场作用下的定向运动 形成形成漂移电流漂移电流半导体中载流子浓度的不均匀而形成扩散运动半导体中载流子浓度的不均匀而形成扩散运动 产生产生扩散电流扩散电流 非平衡少数载流子产生明显的扩散电流非平衡少数载流子产生明显的扩散电流 多数载流子，漂移电流是主要的多数载流子，漂移电流是主要的07_05_非平衡载流子 半导体电子论一维扩散电流的讨论一维扩散电流的讨论 均匀光照射半导体表面均匀光照射半导体表面 光在表面很薄的一层内被吸收光在表面很薄的一层内被吸收光照产生非平衡少数载流子光照产生非平衡少数载流子 在稳定光照射下在稳定光照射下 向体内运动向体内运动 一边扩散一边复合一边扩散一边复合 半导体中建立起半导体中建立起稳定稳定 的非平衡载流子分布的非平衡载流子分布07_05_非平衡载流子 半导体电子论 非平衡载流子的扩散是热运动的结果非平衡载流子的扩散是热运动的结果 非平衡少数载流子边扩散非平衡少数载流子边扩散 一边复合，形成稳定分布一边复合，形成稳定分布浓度满足连续方程浓度满足连续方程0)(NdxdNDdxd/N 载流子的复合率载流子的复合率 单位时间、通过单位横截面积载流子数目单位时间、通过单位横截面积载流子数目dxdND 扩散流密度扩散流密度07_05_非