非平衡载流子的产生与复合课件.pptx

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2014/12/25,#,单击此处编辑母版标题样式,赵君,20110702125,余洋,20110702126,石兰,20110702127,非平衡载流子的产生与复合,赵君20110702125非平衡载流子的产生与复合,1,处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度也不再是,n0,和,p0,（此处,0,是下标），可以比他们多出一部分比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子1,）非平衡载流子的产生：非平衡状态的半导体有两种情况，一种是比平衡载流子多出了一部分载流子，为,注入,情况；另一种是比平衡载流子缺少了一部分载流子，为,抽出,情况2,）非平衡载流子的,寿命,：在没有外界作用时，所多出的载流子,非平衡载流子将要复合而消失（半导体恢复到平衡状态），非平衡载流子的平均消失时间就是载流子的“复合寿命”；相反，对于缺少了载流子的半导体，将要产生出载流子、以恢复到平衡状态，这时，产生出缺少了的一部分载流子所需要的时间就是载流子的“产生寿命”复合与产生的机理与半导体种类有关，,Si,主要是复合中心的,间接复合,机理非平衡载流子,Non-equilibrium carrier,处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度也不再是n0和p0（此处,2,（,3,）非平衡载流子多半是,少数载流子,：由于,半导体电中性条件,的要求，一般不能向半导体内部注入、或者从半导体内部抽出多数载流子，而只能够注入或者抽出少数载流子，所以半导体中的非平衡载流子一般就是非平衡少数载流子。

4,）非平衡载流子的运动：因为作为少数载流子的非平衡载流子能够产生浓度梯度，所以，非平衡载流子的,扩散,是一种重要的运动形式；在小注入时，尽管非平衡载流子的数量很小，但是它可以形成很大的浓度梯度，从而能够产生出很大的扩散电流相对来说，非平衡载流子受电场作用而产生的漂移电流却往往较小3）非平衡载流子多半是少数载流子：由于半导体电中性条件的要,3,1.,载流子的产生速率,Q,与复合速率,R ,指单位时间，单位体积内所产生（或复合掉,),的电子,空穴对的数目2.,热平衡状态,1.,产生速率,Q=,复合速率,R,；,2.,宏观性质保持不变；,3.,统计意义上的动态平衡4.,对非简并的半导体（半导体中掺入一定量的杂质时，使,费米能级,Ef,位于导带和,价带,内，即,Ev+3KT=Ef p,0,光照后的非,平衡态半导体中电子浓度,n=n,0,+,n,，空穴浓度,p=p,0,+,p,，并且,n,=,p,，比平衡态多出来的这部分载流子,n,和,p,就称为非平,衡载流子n,型半导体中称,n,为非平衡多子，,p,为非平衡少子n,型半导体非平衡,载流子的光注入,但是半导体的平衡态条件并不总能成立，如果某些,6,因此相对来说非平衡多子的影响轻微，而非平衡少子的影,响起重要作用。

通常说的非平衡载流子都是指非平衡少子非平衡载流子的存在使半导体的载流子数量发生变化，因而会引起附加电导率,当产生非平衡载流子的外部作用撤除以后，非平衡载流子也就逐渐消失，半导体最终恢复到平衡态半导体由非平衡态恢复到平衡态的过程，也就是非平衡载流子逐步消失的过程，称为非平衡载流子的复合平衡态也不是静止的、绝对的平衡，而是动态平衡因此相对来说非平衡多子的影响轻微，而非平衡少子的影,7,1.,定义,指在外界作用下使半导体产生非平衡载流子的过程2.,分类,1.,非平衡载流子的光注入和电注入2.,小注入（,n=p n,）和大注入,（,n=p n,）,3.,非平衡多数（少数）载流子,对于,n,型半导体，非平衡电子,n,称为非平衡多数载流子；而非平衡空穴,p,称为非平衡少数载流子非平衡少子的浓度通常高于平衡态少子浓度非平衡载流子的注入,1.定义非平衡载流子的注入,8,光照产生非平衡载流子的方式称作非平衡载流子的光注入，,此外还有电注入等形式通常所注入的非平衡载流子浓度远远少于平衡态时的多子浓度例如,n,型半导体中通常的注入情况是,n,n,0,，,p,n,0,，满足这样的注入条件称为小注入要说明的是即使满足小注入条件，非平衡少子浓度仍然可以比平衡少子浓度大得多。

例如：磷浓度为,5,10,15,cm,-3,的,n-Si,，室温下平衡态多子浓度,n,0,=5,10,15,cm,-3,，少子浓度,p,0,=n,i,2,/n,0,=4.5,10,4,cm,-3,，如果对该半导体注入非平衡载流子浓度,n=,p=10,10,cm,-3,，此时,nn,0,，,pp,0,，满足小注入条件但必须注意尽管此时,nn,0,，而,p,(10,10,cm,-3,),却远大于,p,0,(4.5,10,4,cm,-3,),光照产生非平衡载流子的方式称作非平衡载流子的光注入，,9,1.,定义,指非平衡载流子在导带和价带中的平均生存时间，记为,2.,非平衡载流子的复合,当产生非平衡载流子的外作用撤出后，由于半导体内部的作用，使 它由非平衡态恢复到平衡态，过剩载流子逐渐消失这一过程称为非平 衡载流子的复合3.,非平衡载流子的复合率,单位时间单位体积内复合消失的电子,-,空穴对数称为非平衡载流子 的复合率；很明显，,p/,就代表了复合率可见单位时间内非平衡载流子的减少应当等于非平载流子的复合率,.,非平衡载流子的寿命,1.定义非平衡载流子的寿命,10,非平衡载流子的,寿命,光照,停止后非平衡载流子生存一定时间然后消失，把撤除光照后非平衡载流子的平均生存时间,称为非平衡载流子的寿命。

由于非平衡少子的影响占主导作用，故非平衡载流子寿命称为少子寿命为描述非平衡载流子的复合消失速度，定义单位时间单位体积内净复合消失的电子,-,空穴对数为非平衡载流子的复合率非平衡载流子的寿命光照停止后非平衡载流子生存一定时间然后,11,寿命,标志着非平衡载流子浓度减小到原值的,1/e,时所经历的时 间寿命不同，非平衡载流子衰减的速度不同寿命越短，衰减越 快通常非平衡载流子的寿命是通过实验方法测量的各种测量方 法都包括非平衡载流子的注入和检测两个基本方面1.,直流光电导衰减法；,2.,光磁电法,(,短寿命非平衡子,),；,3.,扩散长度法；,4.,双脉冲法；,5.,漂移法,6.,典型材料中非平衡载流子的寿命,锗：,104s,硅：,103s,砷化镓：,10-810-9 s,不同的材料寿命很不相同即使是同种材料，在不同的条件下的寿命也可以 有很大范围的变化非平衡载流子寿命的测量,寿命标志着非平衡载流子浓度减小到原值的1/e时所经历的时,12,非平衡状态时,在一个能带内，载流子跃迁十分频繁，碰撞多，能量交换充 分，故载流子间仍处于热平衡状态；,在能带之间，载流子跃迁非常稀少，碰撞少，能量交换不充 分，故载流子间处于不平衡状态。

可见，统计分布分别对于导带和价带仍然适用，即系统处于一种 准平衡态所以，对应于导带和价带，可以分别引入导带费米能级和价带费 米能级，分别用来描述导带中电子的分布和价带中空穴的分布通常称,Efn,、,Efp,它们为准费米能级,准费米能级,非平衡状态时准费米能级,13,微观机构,直接复合：电子在导带和价带之间的直接跃迁引发电子 和空穴的直接复合；,间接复合：电子和空穴通过禁带中的局域能级（复合中 心）进行的复合发生位置,体内复合：在半导体体内发生的复合；,表面复合：在半导体表面发生的复合复合的分类,微观机构 直接复合：电子在导带和价带之间的直接跃迁引发,14,发射光子,伴随着复合将会有发光现象，常称为发光复合或辐射复合发射声子,载流子将多余的能量传递给晶格，加强晶格的振动俄歇复合,将能量给予其它的载流子，增加它们的动能复合过程中能量的释放,发射光子复合过程中能量的释放,15,产生率,G,：单位时间单位体积内产生的电子,-,空穴对数,为温 度的函数，与载流子浓度无关复合率,R,：单位时间单位体积内复合掉的电子,-,空穴对数其中,r,为复合概率，是温度的函数，与载流子浓度 无关R=rnp,达到热平衡时，,G=rn0p0=rni 2,直接复合,产生率G：单位时间单位体积内产生的电子-空穴对数,为温 度的,16,间接复合,杂质和缺陷在半导体禁带中形成能级，它们不但影响半导体导电性能，还可以促进非平衡载流子的复合而影响其寿命。

通常把具有促进复合作用的杂质和缺陷称为复合中心通常把具有促进复合作用的杂质和缺陷称为复合中心实验表明半导体中杂质和缺陷越多，载流子寿命就越短复合中心的存在使电子,-,空穴的复合可以分为两个步骤，先是导带电子落入复合中心能级，然后再落入价带与空穴复合，而复合中心被腾空后又可以继续进行上述过程相反的逆过程也同时存在间接复合,17,定义：电子和空穴通过禁带中的局域能级（复合中心）进 行的复合复合中心：处在禁带中、促进电子和空穴进行复合的局域 能级过程分析,:,甲,俘获电子；,乙,发射电子；,丙,俘获空穴；,丁,发射空穴；,达到平衡时，有,甲,=,乙,丙,=,丁,间接复合,定义：电子和空穴通过禁带中的局域能级（复合中心）进 行的复合,18,当只存在一个复合中心能级,E,t,时，相对于,E,t,存在如图所,示的四个过程：,(1),复合中心能级,E,t,从导带俘获电子；,(2),复合,中心能级,E,t,向导带发射电子；,(3),复合中心能级,E,t,上电子落入,价带与空穴复合；,(4),价带电子被激发到复合中心能级,E,t,这四个过程中,(1),和,(2),互为逆过程，,(3),和,(4),也互为逆过程。

图,间接复合过程,当只存在一个复合中心能级Et时，相对于Et存,19,谢谢大家,谢谢大家,20,。