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1、5.1 noneguilibrium carriers G-R（非平衡载流子的产生与复合）（非平衡载流子的产生与复合）Chapter 5 Noneguilibrium Carriers (非平衡载流子非平衡载流子)产生率产生率G Generation rate：单位时间和单位体积内所产生的电子单位时间和单位体积内所产生的电子-空穴对数空穴对数复合率复合率R Recombination rate：单位时间和单位体积内复合掉的电子单位时间和单位体积内复合掉的电子-空穴对数空穴对数如果在如果在外界作用外界作用下，平衡条件破坏，偏离了热下，平衡条件破坏，偏离了热平衡的状态平衡的状态-非平衡状态非平衡状
2、态。外界作用外界作用光光 照射半导体表面照射半导体表面对对p-np-n结施加结施加偏压偏压光注入光注入电注入电注入 外界作用使半导体中产生非平衡载流子的外界作用使半导体中产生非平衡载流子的过程叫非平衡载流子的过程叫非平衡载流子的注入注入（injectioninjection）。外部条件拆除后，非平衡载流子逐渐消失，外部条件拆除后，非平衡载流子逐渐消失，这一过程称为非平衡载流子的这一过程称为非平衡载流子的复合复合。光照引起的附加光电导：光照引起的附加光电导：通过附加电导率测量可计算非通过附加电导率测量可计算非平衡载流子。平衡载流子。excess carries(过剩载流子过剩载流子)n n型半导
3、体：型半导体：n=pn=p n n0 0，p p型半导体型半导体 n=pn=p p p0 0 n n型半导体：型半导体：nMajority carriersnMajority carriers（多数载流子）多数载流子）nn非平衡多数载流子；非平衡多数载流子；p p Minority carriers Minority carriers（少数载流子），少数载流子），pp非平衡少数载流子。非平衡少数载流子。非平衡非平衡少数载流子少数载流子在器件中起着极其重要的作用。在器件中起着极其重要的作用。小注入小注入热平衡时：热平衡时：导导带电子增加，意味带电子增加，意味着着EF更靠近更靠近EC。外界作用外界
4、作用价带空穴增加，意味价带空穴增加，意味着着EF更靠近更靠近EV。5.2.非平衡载流子浓度的表达式非平衡载流子浓度的表达式引入引入准费米能级准费米能级：非平衡态时，非平衡态时，5.3.非平衡载流子的衰减非平衡载流子的衰减 寿命寿命 若外界条件撤除（如光照停止），经过一段时间后，系统才会若外界条件撤除（如光照停止），经过一段时间后，系统才会恢复到原来的热平衡状态。有的非子生存时间长、有的短。恢复到原来的热平衡状态。有的非子生存时间长、有的短。非子的非子的平均生存时间平均生存时间非子的寿命非子的寿命。光照刚停止，复合光照刚停止，复合 产生产生 n n、p p 复合复合 复合复合=产生产生（恢复热平
5、衡）（恢复热平衡）单位时间内非子被复合掉的可能性单位时间内非子被复合掉的可能性 复合几率复合几率单位时间、单位体积净复合消失的电子单位时间、单位体积净复合消失的电子-空穴对空穴对（非子（非子）复合率复合率在在小注入小注入时，时，与与P无关无关，则，则设设t=0时，时，P(t)=P(0)=(P)0,那么那么C=(P)0，于是于是非平衡载流子的寿命主要与复合有关。非平衡载流子的寿命主要与复合有关。t=0t=0时，光照停止，非子浓度的减少率为时，光照停止，非子浓度的减少率为5.4.非平衡载流子的复合机制非平衡载流子的复合机制复合复合直接复合直接复合(direct recombinationdirec
6、t recombination):):导带电子与价带空导带电子与价带空穴直接复合穴直接复合.间接复合间接复合(indirect recombinationdirect recombination):通过位于禁带中的通过位于禁带中的杂质或缺陷能级的中间过渡。杂质或缺陷能级的中间过渡。表面复合表面复合(surface recombinationrecombination)：在半导体表面发生在半导体表面发生的的 复合过程。复合过程。将能量给予其它载流子将能量给予其它载流子,增加它们的动能量。增加它们的动能量。从从释放能量的方法分释放能量的方法分:Radiative recombination(辐射复
7、合辐射复合)Non-radiative recombination(非辐射复合非辐射复合)Auger recombination(俄歇复合俄歇复合)1.direct/band-to-band recombination1.direct/band-to-band recombination（直接复合）直接复合）非非平衡载流子的直接净复合平衡载流子的直接净复合净净复合率复合率=复合率复合率-产生率产生率U=R-GGR代入代入非非平衡载流子寿命：平衡载流子寿命：小小注入：注入：n型型材料：材料：2 2 间接复合间接复合(indirect recombination)direct recombinat
8、ion)半导体中的杂质和缺陷在禁带中形成一定的能级，它半导体中的杂质和缺陷在禁带中形成一定的能级，它们有促进复合的作用。这些杂质和缺陷称为复合中心。们有促进复合的作用。这些杂质和缺陷称为复合中心。nt：复合中心能级上的电子浓度复合中心能级上的电子浓度Nt：复合中心浓度复合中心浓度pt：复合中心能级上的空穴浓度复合中心能级上的空穴浓度*俘获电子俘获电子 Electron capture*发射电子发射电子 Electron emission*俘获空穴俘获空穴 Hole capture*发射空穴发射空穴 Hole emission电子俘获电子俘获(capture)率率：空穴俘获率：空穴俘获率：电子产
9、生电子产生(emission)率：率：空穴产生率：空穴产生率：电子的净俘获率：电子的净俘获率：Un=Un=俘获电子俘获电子-发射电子发射电子=热平衡时：热平衡时：空穴的净俘获率：空穴的净俘获率：Up=Up=俘获空穴俘获空穴-发射空穴发射空穴=-=EF与与Et重合时导带重合时导带的平衡电子浓度。的平衡电子浓度。同同理，得理，得空穴俘获率空穴俘获率=空穴产生率空穴产生率其中其中表示表示EF与与Et重合时价带的平衡空穴浓度。重合时价带的平衡空穴浓度。=复合中心达到稳定时：复合中心达到稳定时：俘获电子俘获电子-发射电子发射电子=俘获空穴俘获空穴-发射空穴发射空穴-=-和又净净复合率：复合率：U=U=俘
10、获电子俘获电子-发射电子发射电子=通过复合中心复合的普遍公式通过复合中心复合的普遍公式-注意到：注意到：非非平衡载流子的寿命为平衡载流子的寿命为小注入条件下小注入条件下分析讨论分析讨论:(设设EtEi)(1)强强n型型(2)弱弱n型型(3)弱弱p型型(4)强强p型型若若E Et t靠近靠近E EC C：俘获电子的能力增强俘获电子的能力增强不利于复合不利于复合EtEt处禁带中央，复合率最大。处禁带中央，复合率最大。Et=Ei 最有效的复合中心最有效的复合中心俘获空穴的能力减弱俘获空穴的能力减弱 大注入大注入3 3 其它复合其它复合 半导体表面状态对非平衡载流子也有很大影响，表面半导体表面状态对非
11、平衡载流子也有很大影响，表面处的杂质和表面特有的缺陷也在禁带形成复合中心。处的杂质和表面特有的缺陷也在禁带形成复合中心。（1）表面复合）表面复合 表面氧化层、水汽、杂质的污染、表面缺陷或损伤。表面氧化层、水汽、杂质的污染、表面缺陷或损伤。s为表面复合速度。为表面复合速度。表面复合的意义：n任何半导体器件总有它的表面，较高的表面复合速度，会使更多的注入的载流子在表面复合消失，以致严重的影响器件的性能。因此，在大多数器件生产中，总是希望获得良好而稳定的表面，以尽量降低表面复合速度，从而改善器件的性能。n另一方面，在某些物理测量中，为了消除金属探针注入效应的影响，要设法增大表面复合，以获得较为准确的
12、测量结果。（2）俄俄歇歇复合复合 载流子从高能级向低能级跃迁，发生电子-空穴复合时，把多余的能量传给另一个载流子，使这个载流子被激发到能量更高的能级上去，当它重新跃迁回低能级时，多余的能量常以声子形式放出，这个复合称为俄歇复合。一般而言，带间俄歇复合在窄禁带半导体中及高温情况下起重要作用，而与杂质和缺陷有关的俄歇复合过程，常是影响半导体发光器件的发光效率的重要原因。（3）陷阱效应陷阱效应 一些杂质缺陷能级能够俘获载流子并长时一些杂质缺陷能级能够俘获载流子并长时间的把载流子束缚在这些能级上。间的把载流子束缚在这些能级上。俘获电子和俘获空穴的能力相差太大俘获电子和俘获空穴的能力相差太大产生原因：产
13、生原因：电子陷阱电子陷阱空穴陷阱空穴陷阱例题例题1化化例例2 在一块在一块p型半导体中，有一种复合型半导体中，有一种复合-产生中心，小产生中心，小注入时被这些中心俘获的电子发射回导带的过程和它注入时被这些中心俘获的电子发射回导带的过程和它与空穴复合的过程有相同的几率。试求这种复合与空穴复合的过程有相同的几率。试求这种复合-产产生中心的位置，并说明它能否成为有效的复合中心？生中心的位置，并说明它能否成为有效的复合中心？5.5 非平衡载流子的扩散（非平衡载流子的扩散（Diffusion）运动运动（1）扩散运动与扩散电流（）扩散运动与扩散电流（diffusion current）考察考察p p型半导
14、体的非少子扩散运动型半导体的非少子扩散运动沿沿x x方向的浓度梯度方向的浓度梯度电子的扩散流密度电子的扩散流密度（单位时间通过单位（单位时间通过单位 截面积的电子数）截面积的电子数）D Dn n-电子扩散系数电子扩散系数（electron electron diffusion coefficients coefficients）-单位时间在小体积单位时间在小体积x1x1中中积累的电子数积累的电子数扩散定律扩散定律 -在在x x附近，单位时间、单位体积中积累的电子数附近，单位时间、单位体积中积累的电子数稳态稳态时，积累时，积累=损失损失稳态扩稳态扩散方程散方程三维三维球球坐标坐标标志着非平衡载流子深入样品的平均距离若若样品足够厚样品足够厚若若样品厚为样品厚为W（W )并设非平衡少子被全部引出并设非平衡少子被全部引出则边界条件为：则边界条件为：n(W)=0 n(0)=(n)0得得当当WLn时，时，相应的相应的 Sn=常数常数空穴的扩散电流密度空穴的扩散电流密度电子的扩散电流密度电子的扩散电流密度v 扩散电流密度扩散电流密度 在光照和外场同时存在的情况下在光照和外场同时存在的情况下:（2）总电流密度）总电流密度（3）Einstein Relationship（爱因斯坦关系）爱因斯坦关系）平衡条件下：平衡条件下：最后得最后得同理同理