半导体物理第五章

n型半导体
△p＜＜p0
p型半导体
例：n型Si 1Ωcm n0=5.5×1015cm-3
光注入 △n=△p=1010cm-3
p0=3.1×104cm-3
大注入 △n＞＞n0 △p＞＞p0
n型半导体 p型半导体
§1 非平衡载流子的寿命
1、非平衡载流子的复合:
--当外界因素撤除,非平衡载流子逐渐消 失,(电子-空穴复合),体系由非平衡态回到 平衡态.
n Nce k0T
EF Ev
p0 Nve k0T
EFp Ev EF Ev
EFp Ev
p Nve k0T
EFp EF
n型材料： EFn EF 小， EFn 略高于EF ,
EF EFp 大， EFp 远离EF
p型材料： EF EFp 小， E Fp 略低于EF ,
EFn EF 大， EFn 远离EF
nq( n p )
——附加电导率
n型： 多子： n n0 q n nq n 少子： p p0 q p pq p
2、非平衡载流子的检测
设外接电阻R>>r(样品的电阻)
I E外 Rr
无光照时 ： 0 n0 q n p0 q p
0
1
0
有光照后 ： 0
1
0
1
1
0
0 0
热平衡状态:
Eg
(载流n0子, p浓0 度的乘积n仅0 p是0 温 度N的C N函V数e) k0T
非平衡载流子(过剩载流子)
– 比平衡状态多出来的这部分载流子:
△n,△p
n= n0+ △n, p= p0 +△p
★ 非平衡载流子：处于非平衡态中的载流子 （n，p）（另一种说法）
3、光注入和电注入
（单位时间单位体积净复合消失的电子、空穴对）
Ud
dp(t) p(t) Pp(t)
dt
♦当有外界因素对应空穴产生率Gp,则有:
dp(t) Gp p(t)
dt
§2 准费米能级
1、热平衡电子系统的费米能级 2、准费米能级的引入
1、热平衡电子系统的费米能级
热平衡电子系统有统一的费米能级
Ec EF
↓有净复合
0
t
4、非平衡载流子的平均寿命
假设t=0时，停止光照 t=t时，非子浓度为p(t) t=t+t时，非子浓度为p(t+t)
在t时间间隔中，非子的减少量：p(t)—p(t+t)
单位时间、单位体积中非子的减少为：
p(t) p(t t) t
t0
→
dp
dt
假设复合几率为 1 —P：一个非平衡子,在单位时间
热平衡是动态平衡。
当存在外界因素,产生非平衡载流子,热平衡被破坏。
稳态—当外界因素保持恒定,非平衡载流子的数目 宏观上保持不变。
R 半 光导 照体
光注入引起附加光电导
非平衡时的附加电导
热平衡时： 0 p0 q p n0 q n
非平衡时：
(△p=△n)
pq p nqn
( p0 p)q p (n0 n)qn n0qn p0q p nq(n p ) 0
n型
Ec EEFFn
EFp Ev
p型
Ec
EFn
EF EFp Ev
非平衡态的浓度积与平衡态时的浓度积
Ec EFn
n Nce k0T
Ec EF ( EFnEF )
Nce
k0T
第五章 非平衡载流子
§1 非平衡载流子的寿命 §2 准费米能级 §3 复合理论概要 §4 陷阱效应 §5 载流子的扩散和漂移 §6 连续性方程
基本概念
1、非平衡态 一定温度下，在外界作用下（光照、电场），
半导体载流子浓度发生变化，偏离热平衡状态， 这种状态就是非平衡状态。
2、非平衡载流子(过剩载流子)
EF Ei
n0 Nce k0T nie k0T
EcEi
ni Nce k0T
EF Ev
EF Ei
p0 Nve k0T nie k0T
n0 p0 ni2
2、准费米能级的引入
①准平衡态:非平衡态体系中,通过载流子与晶格 的相互作用,导带电子子系和价带空穴子系分
别很快与晶格达到平衡。
EFn Ei
nie k0T
EFp Ev
Ei Ev
Ei EFp
p Nve k0T Nve k0T e k0T
Ei EFp
nie k0T
准费米能级的位置
n n0 n
Ec EF
n0 Nce k0T
Ec EFn Ec EF
EFn EF
p p0 p p0
Ec EFn
Ec EFn
Ec EF
EFn EF
n Nce k0T Nce k0T e k0T
EFn EF
n0e k0T
EFp Ev
EF Ev
EF EFp
p Nve
k0T
Nve
e k0Tபைடு நூலகம்
k0T
EF EFp
p0e k0T
Ec EFn
Ec Ei
EFn Ei
n Nce k0T Nce k0T e k0T
∆n
用光（hv≧Eg）照射 no
半导体产生过剩载流
光照
子——光注入。
光注入特点：
△p=△n
po
电子空穴成对出现
∆p
光照产生非平衡载流子
用电场使半导体中产生过剩载流子——电注入。 电子、空穴不一定同时出现。
p
n
4、小注入和大注入
过剩载流子浓度比热平衡时多数载流子浓 度小很多—小注入
△n＜＜n0
内发生复合的次数。
dp(t) p(t) 1
dt
C为积分常数
t
p(t) ce
t=0 时， p(t) p0
t
p(t) p0e
p
(p)0
(p)0 e
0τ
t
非子的平均寿命：
tdp(t)
t
0
τ为非平衡载流子的寿命
dp(t)
0
t=时，非子浓度减到：
p p0
e
复合率Δp/τ —单位时间内复合掉的非平衡子浓度
--可以认为:一个能带内实现热平衡。
♦导带和价带之间并不平衡(电子和空穴的数 值均偏离平衡值) Ec’ 导带内电子交换能量
Ec
hv>Eg
Ev
Ev’ 价带内空穴交换能量
②准费米能级EFn , EFp—用以替代EF ,描述 导带电子子系和价带空穴子系
E Fn —导带准费米能级
E —价带的准费能级 Fp
2 0
r L L
S
2 0
S
r C n, p
Vr I r n, p
3、非平衡载流子随时间的变化规律 (1) 随光照时间的变化
t=0，无光照，Vr=0
△Vr
t>0，加光照
↑有净产生
0
t
(2) 取消光照 在t=0时，取消照，
△Vr
复合>产生 。
非平衡载流子在半 导体中的生存时间 称为非子寿命。