华南理工大学半导体物理第五章课件

2020/5/12
热平衡状态特点
• 半导体受均匀不变的温度，不受外界作用
• 处于热平衡态的半导体，在一定温度下，载 流子浓度是恒定的。用n0和p0分别表示平衡 电子浓度和平衡空穴浓度。
在非简并情况下，它们的乘积满足下式
n0p0NcNvexpkE 0(T g )ni2
• 半导体中载流子的产生和复合过程保持动 态平衡 载流子的产生率＝载流子的复合率
，则可将价带的电子激发到导带，使导带比平衡 时多出一部分电子Δn，价带比平衡时多出一部分 空穴Δp。在这种情况下，电子浓度和空穴浓度分 别为:
n n 0 n p p 0 p
而且Δn= Δp，其中Δn和Δp就是非平衡载流子浓 度。
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对Ｎ型半导体，电子为非平衡多数载流子，空 穴称为非平衡少数载流子。
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大多数情况下，非平衡载流子都是在 半导体的局部区域产生的。它们除了在电 场作用下的漂移运动以外，还要作扩散运 动。
晶体管通过非平衡载流子的注入和收 集实现功率放大。半导体的发光和光电现 象，也都是与非平衡载流子的行为密切相 关。
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载流子的产生 价带电子获得足够大的能量激发到导带， 杂质能级被激发而电离，上述两个过程都 在半导体中不断产生载流子。
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• 对半导体施加外界作用，可使其处于非 平衡状态，此时比平衡态多出来的载流 子，称为过剩载流子或非平衡载流子。
• 如果半导体受到例如光照等外界因素作 用，这就使半导体处于与热平衡态相偏 离的状态，称为非平衡态。
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非平衡态的特点
• 半导体有外界因素作用 • 产生率不等于复合率 • 若用光子的能量大于禁带宽度的光照射半导体时
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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 载流子的扩散运动 • 5.6 载流子的漂移运动,爱因斯坦关系
式 • 5.7 连续性方程式
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非平衡载流子的注入与复合
• 当有非平衡载流子存在时，不再存在统一 的费米能级。但是在一个能带范围内的非 平衡载流子，通过和晶格的频繁碰撞,在比 它们的寿命短得多的时间内，使自身的能 量相应于平衡分布.在这种情况下，处于非 平衡状态的电子系统和空穴系统，可以定 义各自的费米能级，称为准费米能级。
• 半导体的热平衡态与非平衡态 在前面讲的电导现象中，外场的作用，
只是改变载流子在一个能带中能级之间的分 布，而没有引起电子在能带之间的跃迁，在 导带和价带中的载流子数目都没有改变。这 种处于热平衡状态下的载流子浓度，称为平 衡载流子浓度。
有另外一种情况：在外界作用下，能带 中的载流子数目发生明显改变，即产生非平 衡载流子。
对Ｐ型半导体，空穴称为非平衡多数载流子， 而电子称为非平衡少数载流子。
如果非平衡少数载流子的浓度远小于平衡多数 载流子的浓度，则称为小注入。 例如，在室温下n0=1.5×1015cm-3的N型硅中，空 穴浓度p0= 1.5×105cm-3。如果引入非平衡载流子 Δn= Δp=1010cm-3，则Δp<<n0。
式 • 5.7 连续性方程式
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准费米能级
• 在热平衡情况下可以用统一的费米能级 EF描述半导体中电子在能级之间的分布。
• 在非简并半导体中,电子和空穴浓度以及 它们的乘积可以分别表示为
n0
Nc
exp
Ec EF kT
p0
Nv
exp
EF kT
Ev
Hale Waihona Puke n0p0n
2 i
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• 小注入：
寿命
，
复合几率
1
非平衡载流子的复合率
p
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dp(t) p(t)
dt
• 边界条件
p(0)(p)0
•解
t
p(t)(p)0e
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• 非平衡载流子寿命的物理意义
t td p (t) d p (t) te td t/ e td t
0
0
0
0
载流子的产生率：单位时间单位体积半导 体内产生电子－空穴对的数目。
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载流子的复合 在半导体中的载流子存在着与产生相反的 过程： 电子从导带跃迁到价带与空穴相遇消失， 导带电子跃迁到（施主）杂质能级， （受主）杂质能级上的电子跃迁到价带上 与空穴相遇消失。 载流子的复合率：单位时间在单位体积半 导体内复合掉的电子－空穴对的数目。
电压变化反映了附加电阻率的变化，从 而检测了非平衡少数载流子的注入。
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• 除了光注入，还可以用电注入方法或其 他能量传递方式产生非平衡载流子。给 P-N 结加正向电压，在接触面附近产生 非平衡载流子，就是最常见的电注入的 例子。另外，当金属与半导体接触时， 加上适当极性的电压，也可以注入非平 衡载流子。
令
t
p(t)(p)0/e
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• 寿命的测量
– 锗：104μs – 硅：103μs – 砷化镓：10-8~10-9s
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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 载流子的扩散运动 • 5.6 载流子的漂移运动,爱因斯坦关系
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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 载流子的扩散运动 • 5.6 载流子的漂移运动,爱因斯坦关系
式 • 5.7 连续性方程式
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非平衡载流子的寿命
非平衡载流子寿命：非平衡载流子的平均 生存时间。
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• Δp>>p0 说明即使在小注入情况下，虽然多 数载流子浓度变化很小，可以忽略，但非 平衡少数载流子浓度还是比平衡少数载流 子浓度大很多，因而它的影响是十分重要 的。相对来说，非平衡多数载流子的影响 可以忽略。实际上，非平衡载流子起着主 要作用，通常所说的非平衡载流子都是指 非平衡少数载流子。
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非平衡载流子的注入和检验
• 注入的非平衡载流子可以引起电导调制 效应,使半导体的电导率由平衡值σ 0增 加为σ０ + Δσ,附加电导率Δσ可表示为
nqnpqp
np
pqnp
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通过附加电导率的测量可以直接检验非平 衡载流子的存在。
小注入时
00
电阻变化
r l/S[ l/S (0 2]