《非平衡载流子知识概述》
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♦当有外界因素对应空穴产生率Gp,则有:
dp(t) dt
Gpp(t)
§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
EcEF
EFEi
n0Nce k0T niek0T
EFEv
EFEi
p0Nve k0T nie k0T
∆n
半导体产生过剩载流 no
子的方法称为光注入。
光照
光注入特点：
△p=△n
电子空穴成对出现
po
∆p
光照产生非平衡载流子
(2) 用电场使半导体中产生过剩载流子的方法 称为电注入。
电子、空穴不一定同时出现。
p
n
4、小注入和大注入
(1)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
单位时间、单位体积中非子的减少为：
p(t)p(tt) t
t0
→
dp
dt
1
假设复合几率为
—P：一个非平衡子,在单位时间 内发生复合的次数。
C 为积分d常d数p(tt)p(pt()t)c1et
t=0 时， p(t)p0
t
p(t)p0e
Eg
热平衡状态: n0,p0
n0p0
N N e CV
k0T
(载流子浓度的乘积仅是温度的函数)
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
(1)用光（hv≧Eg）照射
n(q np)
——附加电导率
n型： 多子：nn0qnnq n
少子： pp0qppqp
3、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 ： 0n0qnp0qp
0
1
0
有光照后 ：0
1
△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。
↓有净复合
0
t
5、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)
0 11 0 00 0 2
r LL S 02 S
r C n , p
V r Ir n ,p
4、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
Ev Ei
Ei EF p
p N ve k0T N ve k0T e k0T
Ei EF p
nie k0T
(3) 准费米能级的位置
nn0n
EcEF
n0 Nce k0T
EcEF nEcEF
Ec EFn
EFn EF
n Nce k0T
EvEF
p
(p)0
(p)0
e
0τwk.baidu.com
t
非子的平均寿命：
td p (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 （单位时间单位体积净复合消失的电子、空穴对）
U d d dpt(t)p (t)Pp(t)
n0p0 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.
--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
n F
—导带准费米能级
Ep
F
—价带的准费能级
Ec EF n
Ec Ei
EF n Ei
n N ce k0T N ce k0T e k0T
EF n Ei
nie k0T
Ev EF p
Ec
EFn
EF EFp Ev
(4) 非平衡态的浓E c度 E积Fn 与平衡态时的浓度积
n N ce k0T
E
c
E
F
(E
n F
E
F
)
N ce
k 0T
E
n F
E
F
n 0e k0T EFn EF
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)
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.
2、非平衡时的附加电导
R
光 照
半 导 体
光注入引起附加光电导
热平衡时：0p0qpn0qn
非平衡时：
pqpnqn
(p0 p)qp (n0 n)qn n0qn p0qp nq(n p) 0
pp0pp0 p0 Nve k0T
EF pEvEFEv
p
Ev EF
Nve k0T
p
EFp EF
n型材料：
E
n F
略高于EF ,
E
p F
远离EF
p型材料： EF EFp 小，
E
p F
略低于EF ,
EFn
EF 大，
E
n F
远离EF
n型
Ec EEFFn
EFp Ev
p型
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
(2)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.
dp(t) dt
Gpp(t)
§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
EcEF
EFEi
n0Nce k0T niek0T
EFEv
EFEi
p0Nve k0T nie k0T
∆n
半导体产生过剩载流 no
子的方法称为光注入。
光照
光注入特点：
△p=△n
电子空穴成对出现
po
∆p
光照产生非平衡载流子
(2) 用电场使半导体中产生过剩载流子的方法 称为电注入。
电子、空穴不一定同时出现。
p
n
4、小注入和大注入
(1)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
单位时间、单位体积中非子的减少为：
p(t)p(tt) t
t0
→
dp
dt
1
假设复合几率为
—P：一个非平衡子,在单位时间 内发生复合的次数。
C 为积分d常d数p(tt)p(pt()t)c1et
t=0 时， p(t)p0
t
p(t)p0e
Eg
热平衡状态: n0,p0
n0p0
N N e CV
k0T
(载流子浓度的乘积仅是温度的函数)
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
(1)用光（hv≧Eg）照射
n(q np)
——附加电导率
n型： 多子：nn0qnnq n
少子： pp0qppqp
3、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 ： 0n0qnp0qp
0
1
0
有光照后 ：0
1
△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。
↓有净复合
0
t
5、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)
0 11 0 00 0 2
r LL S 02 S
r C n , p
V r Ir n ,p
4、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
Ev Ei
Ei EF p
p N ve k0T N ve k0T e k0T
Ei EF p
nie k0T
(3) 准费米能级的位置
nn0n
EcEF
n0 Nce k0T
EcEF nEcEF
Ec EFn
EFn EF
n Nce k0T
EvEF
p
(p)0
(p)0
e
0τwk.baidu.com
t
非子的平均寿命：
td p (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 （单位时间单位体积净复合消失的电子、空穴对）
U d d dpt(t)p (t)Pp(t)
n0p0 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.
--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
n F
—导带准费米能级
Ep
F
—价带的准费能级
Ec EF n
Ec Ei
EF n Ei
n N ce k0T N ce k0T e k0T
EF n Ei
nie k0T
Ev EF p
Ec
EFn
EF EFp Ev
(4) 非平衡态的浓E c度 E积Fn 与平衡态时的浓度积
n N ce k0T
E
c
E
F
(E
n F
E
F
)
N ce
k 0T
E
n F
E
F
n 0e k0T EFn EF
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)
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.
2、非平衡时的附加电导
R
光 照
半 导 体
光注入引起附加光电导
热平衡时：0p0qpn0qn
非平衡时：
pqpnqn
(p0 p)qp (n0 n)qn n0qn p0qp nq(n p) 0
pp0pp0 p0 Nve k0T
EF pEvEFEv
p
Ev EF
Nve k0T
p
EFp EF
n型材料：
E
n F
略高于EF ,
E
p F
远离EF
p型材料： EF EFp 小，
E
p F
略低于EF ,
EFn
EF 大，
E
n F
远离EF
n型
Ec EEFFn
EFp Ev
p型
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
(2)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.