第五章非平衡载流子讲解

非平衡载流子浓度
Ec E Fn Ei E Fn n N c exp( ) ni exp( ) K 0T K 0T p N v exp( E Fp Ev K 0T ) ni exp( E Fp Ei K 0T )
5.3准费米能级
因此（EFn-EF)和（EF-EFp)也可以作为对热平衡偏离大
就可以达到平衡。在导带和价带之间，由于能量差别
较大，不易达到平衡。即可认为导带和价带内部各自
基本上处于平衡，称为准平衡。可以有各自的费米能 级EFn和EFp，称为准费米能级。但导带和价带之间不平 衡，所以EFn和EFp不一样。
5.3准费米能级
非平衡状态下
E Fn E Fp
n E c K 0T ln Nc p E v K 0T ln Nv

Eg K 0T
如果对半导体施加外界作用，半导体处于非平衡状 态：
n n0 n p p0 p
n、p为非平衡载流子，△n、 △p为过剩载流子。
5.1非平衡载流子的注入与复合
电子和空穴的产生与复合
5.1非平衡载流子的注入与复合
过剩载流子的产生： ①光注入
光照使半导体产生非平衡载流子
tdp(t ) dp


0
te dt e dt
t

t



0
τ称为非平衡载流子的平均寿命
5.2 非平衡载流子的寿命
光电导率衰变测量的示意图
5.2 非平衡载流子的寿命
光电导衰减测试系统
5.2 非平衡载流子的寿命
光电导率的瞬态响应（x轴ms,y轴Mv)
5.3准费米能级
半导体处于热平衡状态时，整个半导体有同意的费 米能级，统一的费米能级是热平衡状态的标志。
5.1非平衡载流子的注入与复合
③电离碰撞使载流子浓度改变。 ④热激发使载流子浓度改变。
这些外界作用，使平衡被破坏
f 0 (E) f (E)
n0 n
p0 p
△n， △p远小于多数载流子的注入叫小注入。
△n， △p接近或大于多数载流子的注入叫大注入
5.1非平衡载流子的注入与复合
5.1非平衡载流子的注入与复合
Ec E F n0 N c exp( ) K 0T
平衡状态下
E F Ev p 0 N v exp( ) K 0T EF n0 E c K 0T ln Nc p0 E v K 0T ln Nv
5.3准费米能级ຫໍສະໝຸດ Baidu
非平衡载流子注入，就不再存在统一的费米能级了。
但在同一能带内，由于载流子之间的相互散射，很快
' 0 nqu n pqu p
02 l L R 2 S s 0 V IR p


0


5.1非平衡载流子的注入与复合
②电注入： 二极管加正向电场，n区的 电子扩散到P区，P区的空 穴扩散到n区 P区
p p0 p n n0 n
导带价带具有不同的EF，即各自的准费米能级
5.3准费米能级
（a）平衡态下的能带图 （b）非平衡态下的能带图
例题：
5.3准费米能级
T 300K时，n型半导体的载流子浓度为n0 1015 cm 3 , ni 1010 cm 3 , p 0 10 5 cm 3 .在非平衡状态下，假设过剩载流子的浓度为n p 1013 cm 3 , 试计算准费米能级。 解： 热平衡态的下的费米能级： n E F Ei kT ln 0 0.2982eV ni 非平衡态下电子的准费米能级： E Fn Ei kT ln n0 n 0.2984eV ni
p n
n区
p p0 p n n0 n
加反向电场，少子抽取，n区空穴飘移到p区，p 区的电子飘移到n区
p p 0 p P区 ' n n n 0
' ' p p p 0 n区 ' n n n 0
这一恢复过程称为载流子的复合
5.2 非平衡载流子的寿命
复合过程需要一定的时间
p p0 dp dp p 或 dt dt p(t ) p(0)e
t

5.2 非平衡载流子的寿命
由于复合作用，每个非平衡载流子生存的时间不
同，其平均生存时间为：
t

0 p ( 0 ) 0
第五章非平衡载流子
5.1非平衡载流子的注入与复合 5.2 非平衡载流子的寿命 5.3准费米能级 5.4复合理论
5.5 陷阱效应
5.6 载流子的扩散方程
5.7 载流子的漂移运动，爱因斯坦关系式
5.8 连续性方程
5.1非平衡载流子的注入与复合
非简并半导体，处于热平衡时，电子浓度n0，空穴 浓度P0
n0 p0 ni2 N c N v e
非平衡态下空穴的准费米能级： p p Ei E Fp kT ln 0 0.179eV ni 可以看到：电子的准费米能级高于Ei , 而空穴的准费米能级低于Ei
5.3准费米能级
5.3准费米能级
载流子分布具有与平衡时相同的形式
E E Fn f n ( E ) exp( K T ) 0 f ( E ) exp( E Fp E ) p K 0T
5.1非平衡载流子的注入与复合
光生过剩电子和过剩空穴的浓度
5.1非平衡载流子的注入与复合
过剩载流子复合后重建热平衡
5.1非平衡载流子的注入与复合
光照前：
n0 , p0 0 n0 qun p0 qu p
光照后： n n0 n
p p0 p
1 1
nqun pqu p 0
外界微扰引起过剩空穴的小注 入之后，n型半导体的内部状态
5.2 非平衡载流子的寿命
外界作用：注入△n， △p使
n0 n, p0 p,
f 0 (E) f n (E) f p (E)
载流子按能量的分布变化 撤消外界作用，则
n n0 , p p 0 ,
f n (E) f p (E) f 0 (E)