载流子的产生与复合.ppt

半导体物理学半导体物理学第6章 非平衡过剩载流子非平衡状态，载流子的产生与复合连续性方程双极输运准费米能级*过剩载流子的寿命*表面效应本章讨论非平衡状态下,半导体中载流子的产生、复合以及它们的运动规律。许多重要的半导体效应都是和非平衡态密切相关的,许多器件就是利用非平衡载流子工作的,这些器件在不工作时,内部处于热平衡状态；工作时,就要打破平衡,产生非平衡载流子,例如PN结、晶体管等皆是如此;所以,我们要研究非平衡载流子的性质,了解它在电场下的运动特点,帮助深入了解材料的电学性质从而把握器件的工作原理。6.1载流子的产生与复合产生：电子和空穴的生成过程复合：电子和空穴消失的过程热平衡：产生过程与复合过程动态平衡平衡状态半导体如前所述，实际晶体中存在着杂质和缺陷，而且晶格原子也在不停地进行热振动，这样，对晶体中运动着的电子产生了散射作用，这种散射的频率非常频繁，大约每秒发生1012~1013次。频繁的散射，使得电子在晶体能带的各个电子态之间不停地跃迁。但是大量的电子在宏观上却表现出了一定的规律性，费米一狄拉克分布描述了这种规律性。电子-空穴对的带间产生与复合导带和价带之间的跃迁如下：一方面，不断地有价电子跃迁到导带，形成导带电子，同时形成价带空穴；——称为电子一空穴对的产生另一方面，也不断地有导带电子落回到价带的空位上，使得导带中电子数减少一个，价带中空穴数减少一个；——称为电子一空穴对的复合在一定温度下，处于热平衡状态下的半导体，电子-空穴对的产生和复合保持一种动态平衡，使得导带中电子数目、价带空穴数目保持不变。这里，无论是导带电子还是价带空穴，都是借助于热激发产生的，就是说杂质电离或本征激发所需的能量都是来自热运动的能量，这种载流子我们称为平衡载流子，用n0、p0表示。热平衡状态的特征：6.1.2非平衡载流子然而，除去热激发以外，我们尚可借助于其它方法产生载流子，从而使得电子和空穴浓度偏离热平衡时的载流子浓度n0、p0，我们称此时的载流子为非平衡载流子，用n和p表示，多于平衡值的那部分载流子称为过剩载流子δn和δp产生非平衡载流子的方法可以是电注入（如PN结）、光注入（如光探测器）等。ExcesselectronsandexcessholesG：电子一空穴对的产生率，单位时间，单位体积内激发产生的导带电子和价带空穴数。R：电子一空穴对的复合率，单位时间，单位体积内复合消失的导带电子和价带空穴数。在一块载流子均匀分布的半导体中，载流子数目随时间的变化率为：基本方程产生率：与导带中的空状态密度以及价带中相应的占据状态密度有关；复合率：与导带中的占据状态密度（电子）以及价带中的空状态密度（空穴）有关；E0显然，复合率和电子以及空穴的浓度有关对于产生率来讲，由于导带中几乎全部是空状态；对于本征材料（Si），ni/Nv~0.0000000005；相应的价带，则几乎是全满的，因而小的电子和空穴浓度几乎不影响和产生率有关的占据几率。以光注入非平衡载流子为例光照hvEgEghvδnδpEcEv一块载流子均匀分布的半导体：在t0时，处于热平衡态；在t=0时，开始进行光照，假设光子被均匀地吸收，并在半导体建立起非平衡载流子（过剩电子和过剩空穴），经历一段时间后达到稳态；在t=t1时，光照撤除，在tt1时，经历一段时间后，样品重新回到热平衡态。t0时，无光照，处于热平衡，此时t=0时，开始光照，产生附加的产生率δG（受激吸收），此时产生率复合率载流子浓度载流子浓度不变产生率复合率载流子浓度载流子浓度开始增加0时，由于由于GR，故载流子浓度提高n↑、p↑，由此将引起复合率R的上升。01显然，净复合率是由于过剩载流子的存在而导致的，因而其值与过剩载流子浓度δn、δp有关。随着过剩载流子浓度的增加，净复合率也在增加并最终与附加产生率相等而达到稳态。（为什么？）02过剩载流子浓度增加直至复合率R重新等于产生率G03净复合率t=t1时，光照撤除，附加产生率δG消失，此时，tt1时，由于GR，故载流子浓度n↓、p↓，由此将引起复合率R的下降。此间，载流子浓度变化规律满足：产生率复合率载流子浓度复合是载流子的自发行为，与两种载流子的浓度有关。电子－空穴复合概率，或者复合系数，与热运动速度有关，也即与温度有关，与浓度无关在热平衡态：01在非简并条件下，产生率与载流子浓度无关02因而在tt1时，03由于电子和空穴是成对产生的，因而过剩多数载流子和少数载流子的浓度相同，即：04复合系数05方程：可