固體物理學(xué)半導(dǎo)體電子論之非平衡載流子

1、07_05_非平衡載流子 半導(dǎo)體電子論07_05 非平衡載流子非平衡載流子 N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 主要載流子是電子，也有少量的空穴主要載流子是電子，也有少量的空穴電子電子 多數(shù)載流子多數(shù)載流子 多子多子空穴空穴 少數(shù)載流子少數(shù)載流子 少子少子P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 主要載流子是空穴，也有少量的電子主要載流子是空穴，也有少量的電子空穴空穴 多數(shù)載流子多數(shù)載流子 多子多子電子電子 少數(shù)載流子少數(shù)載流子 少子少子01/1507_05_非平衡載流子 半導(dǎo)體電子論熱平衡下電子和空穴的濃度熱平衡下電子和空穴的濃度半導(dǎo)體中的雜質(zhì)電子，或價帶中的電子通過吸收熱能半導(dǎo)體中的雜質(zhì)電子，或價帶中的電子通過吸收熱能激發(fā)到導(dǎo)

2、帶中激發(fā)到導(dǎo)帶中 載流子的產(chǎn)生載流子的產(chǎn)生電子回落到價帶中和空穴發(fā)生復(fù)合電子回落到價帶中和空穴發(fā)生復(fù)合 載流子的復(fù)合載流子的復(fù)合 達到平衡時，載流子的產(chǎn)生率和復(fù)合率相等達到平衡時，載流子的產(chǎn)生率和復(fù)合率相等 電子和空穴的濃度有了一定的分布電子和空穴的濃度有了一定的分布電子和空穴的濃度電子和空穴的濃度TkEBgeNNpn00 熱平衡條件熱平衡條件07_05_非平衡載流子 半導(dǎo)體電子論在外界的影響作用下，電子和空穴濃度可能偏離平衡值在外界的影響作用下，電子和空穴濃度可能偏離平衡值有有00nnnppp 非平衡載流子非平衡載流子 非平衡電子和非平非平衡電子和非平 衡空穴的濃度相同衡空穴的濃度相同np

3、如本征光吸收產(chǎn)生電子如本征光吸收產(chǎn)生電子 空穴對空穴對07_05_非平衡載流子 半導(dǎo)體電子論非平衡載流子對多子和少子的影響非平衡載流子對多子和少子的影響 多子的數(shù)目很大多子的數(shù)目很大 非平衡載流子對多子的影響不明顯非平衡載流子對多子的影響不明顯 對少子將產(chǎn)生很大影響對少子將產(chǎn)生很大影響 在討論在討論非平衡載流子非平衡載流子的問題時的問題時 主要關(guān)心主要關(guān)心是非平衡少數(shù)載流子是非平衡少數(shù)載流子1 非平衡載流子的復(fù)合和壽命非平衡載流子的復(fù)合和壽命 在熱平衡下，載流子的濃度具有穩(wěn)定值在熱平衡下，載流子的濃度具有穩(wěn)定值非平衡載流子非平衡載流子 光照可以產(chǎn)生載流子光照可以產(chǎn)生載流子07_05_非平衡載流

4、子 半導(dǎo)體電子論 開始光照開始光照，載流子的產(chǎn)生率增大，載流子的產(chǎn)生率增大 同時復(fù)合率也增大載流子的濃度偏離熱平衡時的濃度同時復(fù)合率也增大載流子的濃度偏離熱平衡時的濃度一段時間光照后，非平衡載流子的濃度具有確定的數(shù)目一段時間光照后，非平衡載流子的濃度具有確定的數(shù)目 載流子的載流子的產(chǎn)生率和復(fù)合率相等產(chǎn)生率和復(fù)合率相等 載流子濃度到達一個新的平衡載流子濃度到達一個新的平衡000000(,)() ,()Light irradiationTTnpnnpp 05/1507_05_非平衡載流子 半導(dǎo)體電子論 載流子的濃度到達一個新的平衡載流子的濃度到達一個新的平衡000000(,)() ,() Ligh

5、t irradiationTTnpnnpp 撤去光照撤去光照，載流子復(fù)合率大于產(chǎn)生率，載流子復(fù)合率大于產(chǎn)生率000000() ,() (,)No Light irradiationTTnnppnp 經(jīng)過一段時間載流子的濃度又恢復(fù)到熱平衡下的數(shù)值經(jīng)過一段時間載流子的濃度又恢復(fù)到熱平衡下的數(shù)值07_05_非平衡載流子 半導(dǎo)體電子論 單位時間、單位體積復(fù)合的載流子數(shù)目單位時間、單位體積復(fù)合的載流子數(shù)目 光照穩(wěn)定時的非平衡載流子濃度光照穩(wěn)定時的非平衡載流子濃度0()n()dnndt /0()tnn e 撤去光照后，非平衡載流子濃度隨時間的變化關(guān)系撤去光照后，非平衡載流子濃度隨時間的變化關(guān)系 為非平衡載

6、流子的壽命為非平衡載流子的壽命 載流子的復(fù)合是以固定概率發(fā)生的載流子的復(fù)合是以固定概率發(fā)生的n非平衡載流子的復(fù)合率非平衡載流子的復(fù)合率07_05_非平衡載流子 半導(dǎo)體電子論非平衡載流子的壽命非平衡載流子的壽命 的意義的意義 /0()tnn e 1) 光照使半導(dǎo)體的導(dǎo)電率明顯增加光照使半導(dǎo)體的導(dǎo)電率明顯增加 光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng) 決定著變化的光照時，光電導(dǎo)反應(yīng)的快慢決定著變化的光照時，光電導(dǎo)反應(yīng)的快慢 兩個光信號的間隔兩個光信號的間隔 可以分辨相應(yīng)電流信號變化，才可以分辨兩個光信號可以分辨相應(yīng)電流信號變化，才可以分辨兩個光信號t 07_05_非平衡載流子 半導(dǎo)體電子論2) 非平衡載流子的壽命非平

7、衡載流子的壽命 越大，光電導(dǎo)效應(yīng)越明顯越大，光電導(dǎo)效應(yīng)越明顯 非平衡載流子的濃度減小為平衡值的非平衡載流子的濃度減小為平衡值的1/e 所需的時間所需的時間 越大，非平衡載流子濃度減小得越慢越大，非平衡載流子濃度減小得越慢 一個非平衡載流子只在一個非平衡載流子只在 時間里起到增加電導(dǎo)的作用時間里起到增加電導(dǎo)的作用 越大，產(chǎn)生一個非平衡載流子對增加電導(dǎo)作用越大越大，產(chǎn)生一個非平衡載流子對增加電導(dǎo)作用越大非平衡載流子的壽命非平衡載流子的壽命 的意義的意義 /0()tnn e 07_05_非平衡載流子 半導(dǎo)體電子論3) 非平衡載流子的壽命非平衡載流子的壽命 對光電導(dǎo)效應(yīng)有著重要的意義對光電導(dǎo)效應(yīng)有著重

8、要的意義 通過測量光電導(dǎo)衰減，通過測量光電導(dǎo)衰減， 可確定非平衡載流子的壽命可確定非平衡載流子的壽命4) 壽命壽命 與半導(dǎo)體材料所含的雜質(zhì)與缺陷有關(guān)與半導(dǎo)體材料所含的雜質(zhì)與缺陷有關(guān) 深能級雜質(zhì)的材料深能級雜質(zhì)的材料，電子先由導(dǎo)帶落回一個空的雜，電子先由導(dǎo)帶落回一個空的雜 質(zhì)深能級，然后由雜質(zhì)深能級落回價帶中空的能級質(zhì)深能級，然后由雜質(zhì)深能級落回價帶中空的能級 非平衡載流子壽命的測量可鑒定半導(dǎo)體材料晶體質(zhì)量非平衡載流子壽命的測量可鑒定半導(dǎo)體材料晶體質(zhì)量 深能級起著復(fù)合作用，降低了非平衡載流子的壽命深能級起著復(fù)合作用，降低了非平衡載流子的壽命/0()tnn e 10/1507_05_非平衡載流子

9、半導(dǎo)體電子論2 非平衡載流子的擴散非平衡載流子的擴散 金屬和一般的半導(dǎo)體中金屬和一般的半導(dǎo)體中載流子在外場作用下的定向運動載流子在外場作用下的定向運動 形成形成漂移電流漂移電流半導(dǎo)體中載流子濃度的不均勻而形成擴散運動半導(dǎo)體中載流子濃度的不均勻而形成擴散運動 產(chǎn)生產(chǎn)生擴散電流擴散電流 非平衡少數(shù)載流子產(chǎn)生明顯的擴散電流非平衡少數(shù)載流子產(chǎn)生明顯的擴散電流 多數(shù)載流子，漂移電流是主要的多數(shù)載流子，漂移電流是主要的07_05_非平衡載流子 半導(dǎo)體電子論一維擴散電流的討論一維擴散電流的討論 均勻光照射半導(dǎo)體表面均勻光照射半導(dǎo)體表面 光在表面很薄的一層內(nèi)被吸收光在表面很薄的一層內(nèi)被吸收光照產(chǎn)生非平衡少數(shù)載流子光照產(chǎn)生非平衡少數(shù)載流子 在穩(wěn)定光照射下在穩(wěn)定光照射下 向體內(nèi)運動向體內(nèi)運動 一邊擴散一邊復(fù)合一邊擴散一邊復(fù)合 半導(dǎo)體中建立起半導(dǎo)體中建立起穩(wěn)定穩(wěn)定 的非平衡載流子分布的非平衡載流子分布07_05_非平衡載流子 半導(dǎo)體電子論 非平衡載流子的擴散是熱運動的結(jié)果非平衡載流子的擴散是熱運動的結(jié)果 非平衡少數(shù)載流子邊擴散非平衡少數(shù)載流子邊擴散 一邊復(fù)合，形成穩(wěn)定分布一邊復(fù)合，形成穩(wěn)定分布濃度滿足連續(xù)方程濃度滿足連續(xù)方程0)(NdxdNDdxd/N 載流子的復(fù)合率載流子的復(fù)合率 單位時間、通過單位橫截面積載流子數(shù)目單位時間、通過單位橫截面積載流子數(shù)目dxdND 擴散流密度擴散流密度07_05_非