半导体物理基础（4）.ppt

1、5.1 noneguilibrium carriers G-R（非平衡载流子的产生与复合）,Chapter 5 Noneguilibrium Carriers (非平衡载流子),如果在外界作用下，平衡条件破坏，偏离了热平衡的状态-非平衡状态。,外界作用使半导体中产生非平衡载流子的过程叫非平衡载流子的注入（injection） 。,光照引起的附加光电导：,通过附加电导率测量可计算非平衡载流子。,excess carries (过剩载流子),n型半导体：n=p n0， p型半导体 n=p p0,n型半导体： nMajority carriers（多数载流子） n非平衡多数载流子； p Minori

2、ty carriers （少数载流子）， p非平衡少数载流子。,非平衡少数载流子在器件中起着极其重要的作用。,外部条件拆除后，非平衡载流子逐渐消失，这一过程称为非平衡载流子的复合。,小注入,热平衡时：,导带电子增加，意味着EF更靠近EC。,外界作用,价带空穴增加，意味着EF更靠近EV。,5.2. 非平衡载流子浓度的表达式,引入准费米能级：,非平衡态时，,5.3. 非平衡载流子的衰减 寿命,若外界条件撤除（如光照停止），经过一段时间后，系统才会恢复到原来的热平衡状态。有的非子生存时间长、有的短。非子的平均生存时间称为非子的寿命。,在小注入时，与P无关，则,设t=0时， P(t)= P(0)= (

3、P)0, 那么C= (P)0，于是,非平衡载流子的寿命主要与复合有关。,t=0时，光照停止，非子浓度的减少率为,5.4. 非平衡载流子的复合机制,复合,直接复合(direct recombination):导带电子与价带空穴直接复合.,间接复合(indirect recombination):通过位于禁带中的杂质或缺陷能级的中间过渡。,表面复合(surface recombination)：在半导体表面发生的 复合过程。,将能量给予其它载流子,增加它们的动能量。,从释放能量的方法分:,Radiative recombination (辐射复合),Non-radiative recombinat

4、ion (非辐射复合),Auger recombination (俄歇复合),1 direct/band-to-band recombination（直接复合）,产生率G Generation rate：,单位时间和单位体积内所产生的电子-空穴对数,复合率R Recombination rate：,单位时间和单位体积内复合掉的电子-空穴对数,非平衡载流子的直接净复合,净复合率=复合率-产生率,U=R-G,代入,非平衡载流子寿命：,小注入：,n型材料：,2 间接复合(indirect recombination),半导体中的杂质和缺陷在禁带中形成一定的能级，它们有促进复合的作用。这些杂质和缺陷称

5、为复合中心。,nt：复合中心能级上的电子浓度,Nt：复合中心浓度,pt ：复合中心能级上的空穴浓度,* 俘获电子 Electron capture,* 发射电子 Electron emission,* 俘获空穴 Hole capture,* 发射空穴 Hole emission,电子俘获率：,空穴俘获率：,电子产生率：,空穴产生率：,热平衡时：,电子俘获率=电子产生率,空穴俘获率=空穴产生率,EF与Et重合时导带的平衡电子浓度。,同理，得,空穴俘获率=空穴产生率,其中,表示EF与Et重合时价带的平衡空穴浓度。,稳定复合时：,俘获电子-发射电子=俘获空穴-发射空穴,-,=,-,和,又,净复合率：

6、,U=俘获电子-发射电子=,通过复合中心复合的普遍公式,-,注意到：,非平衡载流子的寿命为,分析讨论:,(1)小注入条件下：,n型半导体,强n型区：,高阻区：,*在较重掺杂的n型半导体中，空穴俘获系数起主要作用，而与电子俘获系数无关。,p型半导体,强p型区：,高阻区：,(2) 大注入,若Et靠近EC：俘获电子的过程增强， 但发射电子的能力也增强。,不利于复合,Et处禁带中央，复合率最大。,(3) 最有效的复合中心,3 其它复合,半导体表面状态对非平衡载流子也有很大影响，表面处的杂质和表面特有的缺陷也在禁带形成复合中心。,（1）表面复合,表面氧化层、水汽、杂质的污染、表面缺陷或损伤。,（2） 俄歇复合,载流子从高能级向低能级跃迁，发生电子-空穴复合时，把多余的能量传给另一个载流子，使这个载流子被激发到能量更高的能级上去，当它重新跃迁回低能级时，多余的将能量常以声子形式放出。 非辐射复合,影响半导体发光器件的发光效率。,例