非平衡載流子的產(chǎn)生與復合課件

趙君20110702125余洋20110702126石蘭20110702127非平衡載流子的產(chǎn)生與復合處于非平衡狀態(tài)的半導體，其載流子濃度也不再是n0和p0（此處0是下標），可以比他們多出一部分。比平衡狀態(tài)多出來的這部分載流子稱為非平衡載流子。（1）非平衡載流子的產(chǎn)生：非平衡狀態(tài)的半導體有兩種情況，一種是比平衡載流子多出了一部分載流子，為注入情況；另一種是比平衡載流子缺少了一部分載流子，為抽出情況。（2）非平衡載流子的壽命：在沒有外界作用時，所多出的載流子——非平衡載流子將要復合而消失（半導體恢復到平衡狀態(tài)），非平衡載流子的平均消失時間就是載流子的“復合壽命”；相反，對于缺少了載流子的半導體，將要產(chǎn)生出載流子、以恢復到平衡狀態(tài)，這時，產(chǎn)生出缺少了的一部分載流子所需要的時間就是載流子的“產(chǎn)生壽命”。復合與產(chǎn)生的機理與半導體種類有關(guān)，Si主要是復合中心的間接復合機理。

非平衡載流子Non-equilibriumcarrier（3）非平衡載流子多半是少數(shù)載流子：由于半導體電中性條件的要求，一般不能向半導體內(nèi)部注入、或者從半導體內(nèi)部抽出多數(shù)載流子，而只能夠注入或者抽出少數(shù)載流子，所以半導體中的非平衡載流子一般就是非平衡少數(shù)載流子。（4）非平衡載流子的運動：因為作為少數(shù)載流子的非平衡載流子能夠產(chǎn)生濃度梯度，所以，非平衡載流子的擴散是一種重要的運動形式；在小注入時，盡管非平衡載流子的數(shù)量很小，但是它可以形成很大的濃度梯度，從而能夠產(chǎn)生出很大的擴散電流。相對來說，非平衡載流子受電場作用而產(chǎn)生的漂移電流卻往往較小。1.載流子的產(chǎn)生速率Q與復合速率R

~指單位時間，單位體積內(nèi)所產(chǎn)生（或復合掉)的電子—空穴對的數(shù)目。2.熱平衡狀態(tài)

~1.產(chǎn)生速率Q=復合速率R；2.宏觀性質(zhì)保持不變；3.統(tǒng)計意義上的動態(tài)平衡。4.對非簡并的半導體（半導體中摻入一定量的雜質(zhì)時，使費米能級Ef位于導帶和價帶內(nèi)，即Ev+3KT<=Ef<=Ec-3KT時，半導體成為非簡并的。），熱平衡的判據(jù)式為：n0*p0=ni^2。3.非平衡狀態(tài)

~指在外界條件作用下，平衡條件被破壞，系統(tǒng)處于與熱平衡狀態(tài)相偏離的狀態(tài)。。4.非平衡載流子（過剩載流子）~指處于非平衡狀態(tài)下的載流子濃度n、p與熱平衡狀態(tài)時的載流子濃度n0、p0之差，即△n=n-n0、△p=p-p0，且△n=△p。非平衡狀態(tài)與非平衡載流子平衡態(tài)半導體的標志就是具有統(tǒng)一的費米能級EF，此時的平衡載流子濃度n0和p0唯一由EF決定。平衡態(tài)非簡并半導體的n0和p0乘積為稱n0p0=ni2為非簡并半導體平衡態(tài)判據(jù)式。非平衡載流子的產(chǎn)生與復合

但是半導體的平衡態(tài)條件并不總能成立，如果某些外界因素作用于平衡態(tài)半導體上，如圖所示的一定溫度下用光子能量hγ≥Eg的光照射n型半導體，這時平衡態(tài)條件被破壞，樣品就處于偏離平衡態(tài)的狀態(tài)，稱作非平衡態(tài)。光照前半導體中電子和空穴濃度分別是n0和p0，并且n0>>p0。光照后的非平衡態(tài)半導體中電子濃度n=n0+Δn

，空穴濃度p=p0+Δp

，并且Δn=Δp

，比平衡態(tài)多出來的這部分載流子Δn和Δp就稱為非平衡載流子。n型半導體中稱Δn為非平衡多子，Δp為非平衡少子。n型半導體非平衡載流子的光注入因此相對來說非平衡多子的影響輕微，而非平衡少子的影響起重要作用。通常說的非平衡載流子都是指非平衡少子。非平衡載流子的存在使半導體的載流子數(shù)量發(fā)生變化，因而會引起附加電導率當產(chǎn)生非平衡載流子的外部作用撤除以后，非平衡載流子也就逐漸消失，半導體最終恢復到平衡態(tài)。半導體由非平衡態(tài)恢復到平衡態(tài)的過程，也就是非平衡載流子逐步消失的過程，稱為非平衡載流子的復合。平衡態(tài)也不是靜止的、絕對的平衡，而是動態(tài)平衡。1.定義~指在外界作用下使半導體產(chǎn)生非平衡載流子的過程。2.分類~1.非平衡載流子的光注入和電注入。

2.小注入（△n=△p<<n）和大注入（△n=△p~n）。

3.非平衡多數(shù)（少數(shù)）載流子~對于n型半導體，非平衡電子△n稱為非平衡多數(shù)載流子；而非平衡空穴△p稱為非平衡少數(shù)載流子。

！非平衡少子的濃度通常高于平衡態(tài)少子濃度。非平衡載流子的注入光照產(chǎn)生非平衡載流子的方式稱作非平衡載流子的光注入，此外還有電注入等形式。通常所注入的非平衡載流子濃度遠遠少于平衡態(tài)時的多子濃度。例如n型半導體中通常的注入情況是Δn<<n0，Δp<<n0，滿足這樣的注入條件稱為小注入。要說明的是即使?jié)M足小注入條件，非平衡少子濃度仍然可以比平衡少子濃度大得多。例如：磷濃度為5×1015cm-3

的n-Si，室溫下平衡態(tài)多子濃度n0=5×1015cm-3，少子濃度p0=ni2/n0=4.5×104cm-3，如果對該半導體注入非平衡載流子濃度Δn=Δp=1010cm-3，此時Δn<<n0，Δp<<p0，滿足小注入條件。但必須注意盡管此時Δn<<n0，而Δp(1010cm-3)卻遠大于p0(4.5×104cm-3)。1.定義~指非平衡載流子在導帶和價帶中的平均生存時間，記為τ。2.非平衡載流子的復合當產(chǎn)生非平衡載流子的外作用撤出后，由于半導體內(nèi)部的作用，使它由非平衡態(tài)恢復到平衡態(tài)，過剩載流子逐漸消失。這一過程稱為非平衡載流子的復合。3.非平衡載流子的復合率~單位時間單位體積內(nèi)復合消失的電子-空穴對數(shù)稱為非平衡載流子的復合率；很明顯，△p/τ就代表了復合率?？梢妴挝粫r間內(nèi)非平衡載流子的減少應當?shù)扔诜瞧捷d流子的復合率.非平衡載流子的壽命

非平衡載流子的壽命光照停止后非平衡載流子生存一定時間然后消失，把撤除光照后非平衡載流子的平均生存時間τ稱為非平衡載流子的壽命。由于非平衡少子的影響占主導作用，故非平衡載流子壽命稱為少子壽命。為描述非平衡載流子的復合消失速度，定義單位時間單位體積內(nèi)凈復合消失的電子-空穴對數(shù)為非平衡載流子的復合率。壽命τ標志著非平衡載流子濃度減小到原值的1/e時所經(jīng)歷的時間。壽命不同，非平衡載流子衰減的速度不同。壽命越短，衰減越快。通常非平衡載流子的壽命是通過實驗方法測量的。各種測量方法都包括非平衡載流子的注入和檢測兩個基本方面。1.直流光電導衰減法；2.光磁電法(短壽命非平衡子)；3.擴散長度法；4.雙脈沖法；5.漂移法…6.典型材料中非平衡載流子的壽命鍺：10^4μs硅：10^3μs砷化鎵：10^-8~10^-9s不同的材料壽命很不相同。即使是同種材料，在不同的條件下的壽命也可以有很大范圍的變化。非平衡載流子壽命的測量非平衡狀態(tài)時①在一個能帶內(nèi)，載流子躍遷十分頻繁，碰撞多，能量交換充分，故載流子間仍處于熱平衡狀態(tài)；②在能帶之間，載流子躍遷非常稀少，碰撞少，能量交換不充分，故載流子間處于不平衡狀態(tài)?？梢姡y(tǒng)計分布分別對于導帶和價帶仍然適用，即系統(tǒng)處于一種準平衡態(tài)。所以，對應于導帶和價帶，可以分別引入導帶費米能級和價帶費米能級，分別用來描述導帶中電子的分布和價帶中空穴的分布。通常稱Efn、Efp它們?yōu)闇寿M米能級準費米能級?微觀機構(gòu)?

直接復合：電子在導帶和價帶之間的直接躍遷引發(fā)電子和空穴的直接復合；間接復合：電子和空穴通過禁帶中的局域能級（復合中心）進行的復合。?發(fā)生位置體內(nèi)復合：在半導體體內(nèi)發(fā)生的復合；表面復合：在半導體表面發(fā)生的復合。復合的分類發(fā)射光子——伴隨著復合將會有發(fā)光現(xiàn)象，常稱為發(fā)光復合或輻射復合。發(fā)射聲子——載流子將多余的能量傳遞給晶格，加強晶格的振動。俄歇復合——將能量給予其它的載流子，增加它們的動能。復合過程中能量的釋放產(chǎn)生率G：單位時間單位體積內(nèi)產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù),為溫度的函數(shù)，與載流子濃度無關(guān)。?復合率R：單位時間單位體積內(nèi)復合掉的電子-空穴對數(shù)。其中r為復合概率，是溫度的函數(shù)，與載流子濃度無關(guān)。R=rnp達到熱平衡時，G=rn0p0=rni^2直接復合

間接復合雜質(zhì)和缺陷在半導體禁帶中形成能級，它們不但影響半導體導電性能，還可以促進非平衡載流子的復合而影響其壽命。通常把具有促進復合作用的雜質(zhì)和缺陷稱為復合中心。通常把具有促進復合作用的雜質(zhì)和缺陷稱為復合中心。實驗表明半導體中雜質(zhì)和缺陷越多，載流子壽命就越短。復合中心的存在使電子-空穴的復合可以分為兩個步驟，先是導帶電子落入復合中心能級，然后再落入價帶與空穴復合，而復合中心被騰空后又可以繼續(xù)進行上述過程。相反的逆過程也同時存在。定義：電子和空穴通過禁帶中的局域能級（復合中心）進行的復合。復合中心：處在禁帶中、促進電子和空穴進行復合的局域能級。過程分析:甲—俘獲電子；乙—發(fā)射電子；丙—俘獲空穴；丁—發(fā)射空穴；達到平衡時，有甲=乙丙=丁間接復合