第五章 非平衡载流子——半导体物理课件PPT
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第五章 非平衡载流子
在外界因素的作用下，能带中的载流子数目发生明 显的改变，即产生非平衡载流子。
晶体管放大
半导体发光
光电导
本章内容：
非平衡载流子的注入，非平衡载流子的复合与寿 命，陷阱效应，非平衡载流子的扩散等。
5.1非平衡载流子的注入与复合
1、半导体的热平衡状态与非平衡状态
载流子产生率：单位时间单位体积半导体内产生 电子－空穴对数目。
(1)样品足够厚
(2)样品厚度w
如果w<<Lp
2. 径向稳定扩散
扩散流密度：
5.7 载流子既漂移又扩散的运动 爱因斯坦关系 1、载流子的既漂移又扩散时的电流 外电场时电流：
2、爱因斯坦关系
n0
(
x
)
N
c
exp
EF
qV( x k0T
)
Ec
5.8 连续性方程
1、方程的建立
由于扩散，空穴 的积累率
注入撤销： 产生率＜复合率→n, p 减少
恢复平衡： 产生率＝复合率→n0,p0 不变
对于注入撤销时的非平衡态： 载流子复合率－载流子产生率＝载流子的净复合率 ＝非平衡载流子复合率＝p/
复合过程：直接复合和间接复合
直接复合：直接从导带跃迁到价带引起电子空穴复合。 间接复合：电子和空穴通过禁带中的能级进行复合。 载流子复合时释放能量： 发射光子，发射声子，俄歇复合。
5.5 陷阱效应
陷阱效应与陷阱中心
杂质能级：施主作用，复合中心，缺陷陷阱效应
杂质能级的积累非平衡载流子的作用就称为陷阱效 应。陷阱效应也是杂质能级在有非平衡载流子的情 况下发生的一种效应。相应的杂质和缺陷称为陷阱 中心。
陷阱效应的分析
5.6 非平衡载流子的扩散 1.一维稳定扩散
Sp扩散流密度，Dp扩散系数 单位时间单位体积内积累 的空穴数
载流子复合率：单位时间单位体积内复合的电子 －空穴对数目。
热平衡：产生率＝复合率
平衡载流子浓度：
n0 p0
Nv Nc
exp(
Eg k0T
)
源自文库
ni 2
通常对于半导体内产生 的非平衡载流子满足：
n p
如果非平衡载流子的浓度远小于平衡多数载流子 的浓度，称小注入。 如n0=5.5×1015,P0=3.1×104，Δn＝1010
即使在小注入的情况下，非平衡少数载流子比平 衡少数载流子的浓度大很多，非平衡多数载流子 可以忽略。 在非平衡状态下，载流子浓度不满足np＝ni2
2、非平衡载流子的注入和检验 外界因素的作用使半导体产生非平衡载流子，称 非平衡载流子的注入。
nqn pq p pq(n p )
V Ir p
(3)np与n0p0的偏离反映半导体偏离热平衡的程度
5.4非平衡载流子复合 1复合过程的性质 半导体中电子和空穴相遇而消失的过程称为载 流子复合（对应产生），复合率，产生率。
热平衡： 产生率＝复合率→n0,p0 不变 非平衡注入： 产生率＞复合率→n, p 增加
稳定注入： 产生率＝复合率→n, p 稳定
5.2非平衡载流子寿命 1.非平衡载流子复合衰减规律及其寿命
2、寿命测量的实验方法
实验测量非平衡载流子的寿命通常称为半导体材 料的寿命
5.3 准费米能级
分别引入导带和价带费米 能级－准费米能级
(1)非平衡载流子浓度越高，准费米能级偏离越远；
(2)一般在非平衡态时，往往总是少数载流子准费米 能级的偏离大于多数载流子能级的偏离；
1 ( J p )扩 q x
Dp
2 p 2x
由于漂移，空穴 的积累率
1 ( J p )漂 q x
Dp
E
2 2
p x
p
p
E x
D g p
x t
2p p 2
E p p x
p E p p x
p
2、连续性方程的应用 1）光激发撤销非平衡载流子的衰减
2）一维稳态下的非平衡载流子的漂移和扩散运动
稳态连续方程
若Lp(E)》Lp(强场）
若场较弱， Lp(E)《Lp
扩散可忽略，表面注入非 平衡载流子深入样品的平 均距离近似为牵引长度。
3）少数载流子脉冲在电场中的漂移
无电场
有电场
表面光恒定，p不随时间变化，材料均匀：
D
p
2 p x2
E p p 0 p x
p Ae1x Be2x
D 2 E 1 0
p
p
Lp E p
牵引长度
在外界因素的作用下，能带中的载流子数目发生明 显的改变，即产生非平衡载流子。
晶体管放大
半导体发光
光电导
本章内容：
非平衡载流子的注入，非平衡载流子的复合与寿 命，陷阱效应，非平衡载流子的扩散等。
5.1非平衡载流子的注入与复合
1、半导体的热平衡状态与非平衡状态
载流子产生率：单位时间单位体积半导体内产生 电子－空穴对数目。
(1)样品足够厚
(2)样品厚度w
如果w<<Lp
2. 径向稳定扩散
扩散流密度：
5.7 载流子既漂移又扩散的运动 爱因斯坦关系 1、载流子的既漂移又扩散时的电流 外电场时电流：
2、爱因斯坦关系
n0
(
x
)
N
c
exp
EF
qV( x k0T
)
Ec
5.8 连续性方程
1、方程的建立
由于扩散，空穴 的积累率
注入撤销： 产生率＜复合率→n, p 减少
恢复平衡： 产生率＝复合率→n0,p0 不变
对于注入撤销时的非平衡态： 载流子复合率－载流子产生率＝载流子的净复合率 ＝非平衡载流子复合率＝p/
复合过程：直接复合和间接复合
直接复合：直接从导带跃迁到价带引起电子空穴复合。 间接复合：电子和空穴通过禁带中的能级进行复合。 载流子复合时释放能量： 发射光子，发射声子，俄歇复合。
5.5 陷阱效应
陷阱效应与陷阱中心
杂质能级：施主作用，复合中心，缺陷陷阱效应
杂质能级的积累非平衡载流子的作用就称为陷阱效 应。陷阱效应也是杂质能级在有非平衡载流子的情 况下发生的一种效应。相应的杂质和缺陷称为陷阱 中心。
陷阱效应的分析
5.6 非平衡载流子的扩散 1.一维稳定扩散
Sp扩散流密度，Dp扩散系数 单位时间单位体积内积累 的空穴数
载流子复合率：单位时间单位体积内复合的电子 －空穴对数目。
热平衡：产生率＝复合率
平衡载流子浓度：
n0 p0
Nv Nc
exp(
Eg k0T
)
源自文库
ni 2
通常对于半导体内产生 的非平衡载流子满足：
n p
如果非平衡载流子的浓度远小于平衡多数载流子 的浓度，称小注入。 如n0=5.5×1015,P0=3.1×104，Δn＝1010
即使在小注入的情况下，非平衡少数载流子比平 衡少数载流子的浓度大很多，非平衡多数载流子 可以忽略。 在非平衡状态下，载流子浓度不满足np＝ni2
2、非平衡载流子的注入和检验 外界因素的作用使半导体产生非平衡载流子，称 非平衡载流子的注入。
nqn pq p pq(n p )
V Ir p
(3)np与n0p0的偏离反映半导体偏离热平衡的程度
5.4非平衡载流子复合 1复合过程的性质 半导体中电子和空穴相遇而消失的过程称为载 流子复合（对应产生），复合率，产生率。
热平衡： 产生率＝复合率→n0,p0 不变 非平衡注入： 产生率＞复合率→n, p 增加
稳定注入： 产生率＝复合率→n, p 稳定
5.2非平衡载流子寿命 1.非平衡载流子复合衰减规律及其寿命
2、寿命测量的实验方法
实验测量非平衡载流子的寿命通常称为半导体材 料的寿命
5.3 准费米能级
分别引入导带和价带费米 能级－准费米能级
(1)非平衡载流子浓度越高，准费米能级偏离越远；
(2)一般在非平衡态时，往往总是少数载流子准费米 能级的偏离大于多数载流子能级的偏离；
1 ( J p )扩 q x
Dp
2 p 2x
由于漂移，空穴 的积累率
1 ( J p )漂 q x
Dp
E
2 2
p x
p
p
E x
D g p
x t
2p p 2
E p p x
p E p p x
p
2、连续性方程的应用 1）光激发撤销非平衡载流子的衰减
2）一维稳态下的非平衡载流子的漂移和扩散运动
稳态连续方程
若Lp(E)》Lp(强场）
若场较弱， Lp(E)《Lp
扩散可忽略，表面注入非 平衡载流子深入样品的平 均距离近似为牵引长度。
3）少数载流子脉冲在电场中的漂移
无电场
有电场
表面光恒定，p不随时间变化，材料均匀：
D
p
2 p x2
E p p 0 p x
p Ae1x Be2x
D 2 E 1 0
p
p
Lp E p
牵引长度