《非平衡載流子》課件

非平衡載流子非平衡載流子是指在半導(dǎo)體材料中，電子和空穴的數(shù)量不處于平衡狀態(tài)的載流子。非平衡載流子的產(chǎn)生通常是由外部能量源引起的，例如光照或電場(chǎng)。一、導(dǎo)言本節(jié)課將深入探討非平衡載流子的概念、產(chǎn)生、復(fù)合、分布以及在半導(dǎo)體器件中的應(yīng)用。什么是非平衡載流子平衡狀態(tài)在平衡狀態(tài)下，電子和空穴的數(shù)量相等，它們均勻分布在整個(gè)材料中，不會(huì)產(chǎn)生凈電流。非平衡狀態(tài)當(dāng)半導(dǎo)體受到外界的能量激勵(lì)，比如光照或電壓，電子和空穴的數(shù)量會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致非平衡狀態(tài)。非平衡載流子非平衡狀態(tài)下，多余的電子或空穴被稱為非平衡載流子，它們會(huì)產(chǎn)生電流，并影響半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)。非平衡載流子的產(chǎn)生1熱激發(fā)高溫下，電子吸收熱能，躍遷到導(dǎo)帶，留下空穴2光激發(fā)光子能量大于半導(dǎo)體禁帶寬度時(shí)，電子吸收光子能量，躍遷到導(dǎo)帶3注入通過(guò)pn結(jié)、肖特基結(jié)等結(jié)構(gòu)，將載流子注入到半導(dǎo)體材料中4輻射高能粒子轟擊半導(dǎo)體材料，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)非平衡載流子是指在半導(dǎo)體材料中，電子和空穴的數(shù)量不處于平衡狀態(tài)，即電子數(shù)量大于空穴數(shù)量或空穴數(shù)量大于電子數(shù)量非平衡載流子的復(fù)合過(guò)程直接復(fù)合電子和空穴直接相遇，發(fā)生能量交換，回到價(jià)帶。輻射復(fù)合電子和空穴復(fù)合時(shí)釋放能量，以光子的形式輻射出去。無(wú)輻射復(fù)合電子和空穴復(fù)合時(shí)將能量傳遞給晶格，以熱能的形式釋放。陷阱復(fù)合電子或空穴被缺陷或雜質(zhì)捕獲，然后與另一個(gè)載流子復(fù)合。非平衡載流子的濃度分布非平衡載流子的濃度分布取決于它們的產(chǎn)生和復(fù)合速率，以及擴(kuò)散和漂移。情況濃度分布均勻激發(fā)均勻分布局部激發(fā)非均勻分布，隨距離衰減非平衡載流子的擴(kuò)散與漂移1擴(kuò)散從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域移動(dòng)，直到濃度均勻分布。2漂移在電場(chǎng)作用下，帶電粒子沿著電場(chǎng)方向移動(dòng)，形成電流。3擴(kuò)散電流由非平衡載流子濃度梯度引起的電流，方向與濃度梯度方向相反。4漂移電流由電場(chǎng)引起的電流，方向與電場(chǎng)方向相同。二、半導(dǎo)體中的非平衡載流子半導(dǎo)體材料中存在著電子和空穴，這些載流子在熱平衡狀態(tài)下，它們的數(shù)量是相等的。當(dāng)半導(dǎo)體受到外界的激勵(lì)，例如光照、電場(chǎng)或溫度變化等，就會(huì)產(chǎn)生非平衡載流子。這些非平衡載流子會(huì)改變半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)，并導(dǎo)致一系列物理現(xiàn)象。pn結(jié)的正向偏壓下1外加電壓正向偏壓2能帶彎曲導(dǎo)帶更低3載流子注入電子注入p區(qū)4電流增加正向電流在pn結(jié)正向偏壓下，外加電壓抵消了pn結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)，使能帶彎曲程度減小，導(dǎo)帶和價(jià)帶更低，電子更容易從n區(qū)注入p區(qū)，空穴更容易從p區(qū)注入n區(qū)。這導(dǎo)致載流子注入，進(jìn)而使pn結(jié)電流增加，形成正向電流。發(fā)光二極管工作原理發(fā)光二極管（LED）是一種能夠?qū)㈦娔苤苯愚D(zhuǎn)化為光能的半導(dǎo)體器件，其工作原理基于非平衡載流子的復(fù)合過(guò)程。當(dāng)正向偏壓加在pn結(jié)上時(shí)，電子從n區(qū)注入p區(qū)，空穴從p區(qū)注入n區(qū)，在pn結(jié)附近形成非平衡載流子，這些非平衡載流子會(huì)與多數(shù)載流子復(fù)合，釋放能量，從而發(fā)出光。二極管光生伏特效應(yīng)當(dāng)光照射在pn結(jié)上時(shí)，光子被吸收，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。電子-空穴對(duì)在pn結(jié)內(nèi)分離，形成電流，稱為光生伏特效應(yīng)。pn結(jié)的光生伏特效應(yīng)，是太陽(yáng)能電池的核心原理。光生伏特效應(yīng)應(yīng)用廣泛，例如太陽(yáng)能電池、光電探測(cè)器等。這些器件通過(guò)將光能轉(zhuǎn)換為電能，為我們的生活提供能量。三、非平衡載流子在器件中的應(yīng)用非平衡載流子在現(xiàn)代半導(dǎo)體器件中扮演著至關(guān)重要的角色，它們是各種功能的基石，例如光電探測(cè)、太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換和信號(hào)放大。光電探測(cè)器原理光電探測(cè)器是一種將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件。當(dāng)光照射到光電探測(cè)器時(shí)，光子會(huì)與材料中的電子相互作用，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。這些載流子在電場(chǎng)的作用下移動(dòng)，形成電流，從而將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。光電探測(cè)器廣泛應(yīng)用于光通信、光學(xué)成像、醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域。太陽(yáng)能電池工作原理太陽(yáng)能電池利用光生伏特效應(yīng)將光能直接轉(zhuǎn)換為電能。當(dāng)光子照射到PN結(jié)時(shí)，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，在PN結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，電子和空穴分別被分離到N型和P型區(qū)域，從而形成電流。太陽(yáng)能電池的效率取決于材料的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和光照強(qiáng)度等因素。常用的太陽(yáng)能電池材料包括硅、砷化鎵和碲化鎘等。雙極性晶體管原理基本結(jié)構(gòu)雙極性晶體管由兩個(gè)PN結(jié)組成，分別是發(fā)射結(jié)和集電結(jié)。工作原理通過(guò)發(fā)射結(jié)注入少數(shù)載流子，形成集電極電流。NPN型發(fā)射極材料為N型，基極材料為P型，集電極材料為N型。PNP型發(fā)射極材料為P型，基極材料為N型，集電極材料為P型。四、小結(jié)非平衡載流子是半導(dǎo)體物理中的重要概念。它們?cè)诎雽?dǎo)體器件的性能中起著至關(guān)重要的作用。非平衡載流子的物理意義熱力學(xué)平衡半導(dǎo)體材料在熱力學(xué)平衡狀態(tài)下，電子和空穴的數(shù)量相等，保持動(dòng)態(tài)平衡。非平衡狀態(tài)當(dāng)半導(dǎo)體材料受到外界激勵(lì)，如光照、電壓等，就會(huì)打破平衡狀態(tài)，產(chǎn)生非平衡載流子。物理意義非平衡載流子是指半導(dǎo)體材料中，電子和空穴的數(shù)量不再相等，處于非平衡狀態(tài)。影響特性非平衡載流子的存在會(huì)改變半導(dǎo)體的電導(dǎo)率、光學(xué)特性、以及其他物理性質(zhì)。非平衡載流子在半導(dǎo)體器件中的作用電流產(chǎn)生非平衡載流子導(dǎo)致電荷移動(dòng)，產(chǎn)生電流。器件功能非平衡載流子參與半導(dǎo)體器件工作，例如二極管、晶體管等。光電效應(yīng)非平衡載流子驅(qū)動(dòng)光電器件，例如太陽(yáng)能電池、光電探測(cè)器等。本節(jié)課的重點(diǎn)與難點(diǎn)理解非平衡載流子非平衡載流子概念及其物理意義掌握非平衡載流子應(yīng)用半導(dǎo)體器件中非平衡載流子的應(yīng)用場(chǎng)景掌握非平衡載流子理論非平衡載流子的產(chǎn)生、復(fù)合、擴(kuò)散和漂移過(guò)程相關(guān)知識(shí)點(diǎn)補(bǔ)充除了課本上的內(nèi)容外，還需要了解一些額外的知識(shí)點(diǎn)，比如，非平衡載流子的壽命、擴(kuò)散長(zhǎng)度、漂移速度等參數(shù)。這些參數(shù)在實(shí)際應(yīng)用中非常重要，例如，在設(shè)計(jì)半導(dǎo)體器件時(shí)，需要考慮非平衡載流子的壽命和擴(kuò)散長(zhǎng)度，以確保器件的正常工作。此外，還可以學(xué)習(xí)一些關(guān)于非平衡載流子的理論模型，例如，Shockley-Read-Hall復(fù)合模型和Auger復(fù)合模型。這些模型可以幫助我們更好地理解非平衡載流子的行為，并預(yù)測(cè)器件的性能。思考題與練習(xí)本節(jié)課學(xué)習(xí)了非平衡載流子的概念和性質(zhì)。請(qǐng)同學(xué)們思考以下問(wèn)題