半导体物理非热平衡状态下的半导体

第3章非热平衡状态下的半导体§3.1半导体的非平衡状态一、非平衡状态的建立和驰豫2、额外载流子的注入1、非平衡状态下的载流子密度

n和p表示额外载流子的密度

1）光注入ħω1

ħω2

ħω3

光照可能引起的载流子跃迁过程2）电注入：正偏pn结&金属探针与半导体的接触。3）大注入和小注入：以热平衡多子密度为参考标准∆n<<n0

∆n≈或＞n0

4)额外载流子导电：额外载流子的注入必然导致半导体电导率增大，相应的电导率增量为光电导

光照使半导体电导率增大的现象。额外载流子就是非平衡少子2、额外载流子的复合产生和复合是半导体的载流子系统恢复热平衡态的动力1）恢复热平衡状态的三种途径表面复合（产生）速度少子寿命差别在于复合中心的来源及其空间分布2）额外载流子在复合过程中释放能量的三种形式

(1)发射光子，即所谓辐射复合；

(2)发射声子，即把能量传递给晶格振动，多声子复合

(3)激发另外的电子或空穴，即所谓俄歇（Auger）复合。3）四对复合

产生过程

直接辐射复合

本征激发（含热激发）直接俄歇复合

碰撞电离通过体内复合中心的间接复合

间接激发通过表面复合中心的间接复合

间接激发。直接辐射复合和直接俄歇复合通过单一复合中心的间接复合表面复合二、驰豫过程的时间规律1、额外载流子寿命实验表明，光照停止后，额外载流子的消失有一个过程，它们在导带和价带中有一定的生存时间。额外载流子的平均生存时间称为寿命，用τ表示。2、复合率1/τ表示单位时间内额外载流子的复合几率。U＝∆p/τ就表示单位时间单位体积通过复合消失的额外载流子数，称为额外载流子的复合率。产生率G，热平衡时G=U3、额外载流子随时间衰减的规律一束光在一块n型半导体内均匀产生额外载流子∆n和∆p。在t＝0时刻，光照突然停止。考虑∆p随时间衰减的过程。单位时间内额外载流子密度的减少应等于复合率，即设寿命τ是与∆p(t)无关的恒量，则此方程的通解为按初始条件∆p(0)＝∆p，知常数C＝∆p，于是得衰减式全部额外载流子的平均生存时间即额外载流子寿命三、寿命测量

p

p/

不同材料的少子寿命相差很大。直接禁带半导体的少子寿命较短，间接禁带半导体的少子寿命较长。锗、硅、砷化镓相比，锗的少子寿命最长，硅次之，砷化镓少子寿命最短。同种材料的少子寿命在不同状况下变化范围也很大。一块n型半导体样品的少子寿命

=10

s，今用光照在其中均匀注入额外载流子，产生率为1016cm-3

s-1。问光照撤销后20

s时刻其额外载流子密度衰减到原值的百分之几？还有多大？四、非平衡状态下的载流子统计1、准平衡状态在整个系统处于非平衡态的情况下，价带和导带子系统中的空穴与电子各自仍基本处于平衡态，有各自的费米能级，称之为子系统的“准费米能级”，分别用EFn和EFp表示。这样，统计分布函数分别对子系统仍然适用。2、准费米能级利用准费米能级分别计算非平衡状态下的电子和空穴密度。准费米能级偏离EF的程度是额外载流子密度高低的标志。但是EFn和EFp的偏离程度不同。一般情况下，非平衡态中多数载流子的准费米能级偏离不多，少数载流子的准费米能级则偏离很大。图3-4平衡态费米能级与非平衡态准费米能级对比图（a）热平衡态（b）

n=

p的非平衡态EFEFnEFpEi即便是小注入，额外载流子密度也很容易超过本征载流子密度，一般空穴的准费米能级在本征费米能级之下。对n型半导体，在∆n<<n0的小注入条件下对p型半导体，小注入条件…EFn和EFp的距离直接反映乘积np和ni2的差距，即反映了半导体偏离热平衡态的程度。准费米能级的意义:决定非平衡状态下的载流子密度是电子在各子系统中的能量分布保持平衡或近平衡的标志，虽然其数量分配上确已偏离平衡。若额外载流子在能量分布上是近平衡的，描述载流子近平衡输运性质的参数适合于额外载流子，例如弱场迁移率和后面即将用到的载流子扩散系数。额外载流子在能量分布上究竟是不是平衡或近平衡的呢？作业:3－1、2、3§3.2复合理论一、直接辐射复合

1、直接辐射复合过程中的复合率和产生率由热平衡状态下复合率等于热产生率，得2、直接辐射复合过程决定的少子寿命r

:复合系数由净复合率得定义1）小注入条件∆p<<(n

0+p

0)这说明，在小注入条件下，寿命与多数载流子密度成反比，或者说，半导体电导率越高，直接辐射复合寿命就越短。当温度和掺杂浓度一定时，小注入辐射复合寿命是一个常数。2)大注入条件∆p>>(n

0+p

0)大注入辐射复合寿命与额外载流子密度成反比，随注入量的增大而缩短，在温度和掺杂浓度一定时，不再是常数。对本征材料

3）实际半导体的直接辐射复合寿命表3-1一些半导体的室温直接辐射复合数据材料 禁带类型 r(cm3/s)

(s) GaAs

直接 (1.2

7.2)×10-10 (8.3

1.4)×10-7

GaN

直接 1.1×10-8 9.1×10-9

InP

直接 (0.06

1.26)×10-9 (16.7

0.79)×10-7

InAs

直接 8.5×10-11 1.18×10-6

GaSb

直接 2.39×10-11 4.2×10-6

InSb

直接 4.6×10-11 2.18×10-6

CdTe

直接 1.0×10-9 1.0×10-7

Si

间接 (1.8

3.0)×10-15 (5.56

3.3)×10-2

Ge

间接 5.25×10-14 1.9×10-3

GaP

间接 (0.3

5.27)×10-14 (33

1.9)×10-3

理论计算得到室温时本征锗和硅的r和τ值如下：锗r＝6.5×10-14cm3／s,τ=0.3s硅r＝10-11cm3／s,τ=3.5s然而，锗、硅材料的实际少子寿命比上述数据要低得多，最长寿命不过几毫秒。这个事实说明，对于锗和硅，寿命主要不是由直接辐射复合过程决定，一定有另外的复合机构起主要作用，决定着材料的额外载流子寿命。

二、间接复合额外载流子通过复合中心进行的的复合1、通过单一复合中心的复合过程（SRH模型）①俘获电子②发射电子利用热平衡条件，得俘获率电子净俘获率

发射率

n1是什么？ECETEV复合中心③俘获空穴俘获率④发射空穴：发射率利用热平衡条件得空穴净俘获率

ECETEV复合过程中，复合中心对电子和空穴的净俘获率必相等2、通过单一复合中心的净复合率由此解得将nt代入电