《半导体物理基础》PPT课件.ppt
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),产生率G,复合率R,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 Minority 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)=(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 recombination(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(capture)率：,空穴俘获率：,电子产生(emission)率：,空穴产生率：,电子的净俘获率：,Un=俘获电子-发射电子=,热平衡时：,空穴的净俘获率：,Up=俘获空穴-发射空穴=,-,-,=,=,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。,=,复合中心达到稳定时：,俘获电子-发射电子=俘获空穴-发射空穴,-,=,-,和,又,净复合率：,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,小注入条件下,分析讨论:,(设EtEi),(1)强n型,N0n1P0,p1可以省略,(2)弱n型,可以省略p0，p1N1n0,(3)弱p型,P0n0,?,(4)强p型,若Et靠近EC：俘获电子的能力增强,不利于复合,Et处禁带中央，复合率最大。,Et=Ei 最有效的复合中心,俘获空穴的能力减弱,大注入,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,（3）陷阱效应,一些杂质缺陷能级能够俘获载流子并长时间的把载流子束缚在这些能级上。,俘获电子和俘获空穴的能力相差太大,产生原因：,电子陷阱,空穴陷阱,例题1,化,例2 在一块p型半导体中，有一种复合-产生中心，小注入时被这些中心俘获的电子发射回导带的过程和它与空穴复合的过程有相同的几率。试求这种复合-产生中心的位置，并说明它能否成为有效的复合中心？,5.5 非平衡载流子的扩散（Diffusion）运动,（1）扩散运动与扩散电流（diffusion current）,考察p型半导体的非少子扩散运动,沿x方向的浓度梯度,电子的扩散流密度,（单位时间通过单位 截面积的空穴数）,Dn-电子扩散系数（electron diffusion coefficients）,-单位时间在小体积x1中积累的电子数,-在x附近，单位时间、单位体积中积累的电子数,稳态时，积累=损失,三维,球坐标,若样品足够厚,若样品厚为W（W),并设非平衡少子被全部引出,则边界条件为：,n(W)=0,n(0)=(n)0,得,当WLn时，,相应的 Sn=常数,空穴的扩散电流密度,电子的扩散电流密度,扩散电流密度,在光照和外场同时存在的情况下:,（2）总电流密度,（3）Einstein Relationship（爱因斯坦关系）,平衡条件下：,最后得,同理,
