半物第5章(更新)課件.ppt

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1、第五章非平衡載流子●5.1非平衡載流子的產(chǎn)生和復(fù)合●5.2非平衡載流子的壽命●5.3準(zhǔn)費(fèi)米能級●5.4復(fù)合機(jī)理●5.5陷阱效應(yīng)●5.6半導(dǎo)體中載流子的擴(kuò)散和漂移●5.7載流子的漂移運(yùn)動(dòng)及愛因斯坦關(guān)系式非平衡載流子在第4章講的電荷輸運(yùn)現(xiàn)象中，外場的作用，只是改變載流子在一個(gè)能帶中能級之間的分布，而沒有引起電子在能帶之間的躍遷，在導(dǎo)帶和價(jià)帶中的載流子數(shù)目都沒有改變。這種處于熱平衡狀態(tài)下的載流子濃度，稱為平衡載流子濃度。但是,有另外一種情況：在外界作用下，能帶中的載流子數(shù)目發(fā)生明顯改變，即產(chǎn)生非平衡載流子。大多數(shù)情況下，非平衡載流子都是在半

2、導(dǎo)體的局部區(qū)域產(chǎn)生的。它們除了在電場作用下的漂移運(yùn)動(dòng)以外,還要作擴(kuò)散運(yùn)動(dòng).本章主要討論非平衡載流子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及它們的產(chǎn)生和復(fù)合機(jī)制.§5.1非平衡載流子的產(chǎn)生和復(fù)合一、非平衡載流子的產(chǎn)生處于熱平衡態(tài)的半導(dǎo)體,在一定溫度下,載流子濃度是恒定的.本章用n0和p0分別表示平衡電子濃度和平衡空穴濃度。對半導(dǎo)體施加外界作用,可使其處于非平衡狀態(tài)，此時(shí)比平衡態(tài)多出來的載流子，稱為過剩載流子，或非平衡載流子。設(shè)想有一個(gè)N型半導(dǎo)體(n0>p0),若用光子的能量大于禁帶寬度的光照射該半導(dǎo)體時(shí),則可將價(jià)帶的電子激發(fā)到導(dǎo)帶,使導(dǎo)帶比平衡時(shí)多出一部分電子Δn

3、,價(jià)帶比平衡時(shí)多出一部分空穴Δp.在這種情況下,電子濃度和空穴濃度分別為:而且Δn=Δp，其中Δn和Δp就是非平衡載流子濃度。對N型半導(dǎo)體,電子稱為非平衡多數(shù)載流子,而空穴稱為非平衡少數(shù)載流子。對于P型材料則相反.用光照產(chǎn)生非平衡載流子的方法,稱為光注入。如果非平衡少數(shù)載流子的濃度遠(yuǎn)小于平衡多數(shù)載流子的濃度。則稱為小注入。例如,在室溫下n0=1.5×1015cm-3的N型硅中.空穴濃度p0=1.5×105cm-3.如果引入非平衡載流子Δn=Δp=1010cm-3,則Δp<>p0說明即使在小注入情況下，雖然多數(shù)載流子濃度

4、變化很小，可以忽略，但非平衡少數(shù)載流子濃度還是比平衡少數(shù)載流子濃度大很多，因而它的影響是十分重要的。相對來說，非平衡多數(shù)載流子的影響可以忽略。實(shí)際上，非平衡載流子起著主要作用，通常所說的非平衡載流子都是指非平衡少數(shù)載流子。注入的非平衡載流子可以引起電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng),使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率由平衡值σ0增加為σ+Δσ,附加電導(dǎo)率Δσ可表示為若Δn=Δp,則有通過附加電導(dǎo)率的測量可以直接檢驗(yàn)非平衡載流子的存在.除了光注入,還可以用電注入方法或其他能量傳遞方式產(chǎn)生非平衡載流子。給P-N結(jié)加正向電壓,在接觸面附近產(chǎn)生非平衡載流子,就是最常見的電注入的例子

5、。另外，當(dāng)金屬與半導(dǎo)體接觸時(shí)，加上適當(dāng)極性的電壓，也可以注入非平衡載流子。二、非平衡載流子的復(fù)合非平衡載流子是在外界作用下產(chǎn)生的,當(dāng)外界作用撤除后，由于半導(dǎo)體的內(nèi)部作用,非平衡載流子將逐漸消失,也就是導(dǎo)帶中的非平衡載流子落入到價(jià)帶的空狀態(tài)中,使電子和空穴成對地消失,這個(gè)過程稱為非平衡載流子的復(fù)合.非平衡載流子的復(fù)合是半導(dǎo)體由非平衡態(tài)趨向平衡態(tài)的一種馳豫過程。通常把單位時(shí)間單位體積內(nèi)產(chǎn)生的載流子數(shù)稱為載流子的產(chǎn)生率；而把單位時(shí)間單位體積內(nèi)復(fù)合的載流子數(shù)稱為載流子的復(fù)合率。①在熱平衡情況下，由于半導(dǎo)體的內(nèi)部作用，產(chǎn)生率和復(fù)合率相等，使載流

6、子濃度維持一定。②當(dāng)有外界作用時(shí)(如光照)，破壞了產(chǎn)生和復(fù)合之間的相對平衡，產(chǎn)生率將大于復(fù)合率，使半導(dǎo)體中載流子的數(shù)目增多,即產(chǎn)生非平衡載流子。③隨著非平衡載流子數(shù)目的增多，復(fù)合率增大。當(dāng)產(chǎn)生和復(fù)合這兩個(gè)過程的速率相等時(shí)，非平衡載流子數(shù)目不再增加,達(dá)到穩(wěn)定值。④在外界作用撤除以后，復(fù)合率超過產(chǎn)生率，結(jié)果使非平衡載流子逐漸減少，最后恢復(fù)到熱平衡狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)證明，在只存在體內(nèi)復(fù)合的簡單情況下，如果非平衡載流子的數(shù)目不是太大，t=0時(shí)，外界作用停止，Δp將隨時(shí)間變化，則在單位時(shí)間內(nèi)，由于少子與多子的復(fù)合而引起非平衡載流子濃度的變化dΔp/dt

7、，與它們的濃度Δp成比例，即：表示在單位時(shí)間內(nèi)復(fù)合掉的非平衡載流子在非平衡載流子中所占的比例，所以，是單位時(shí)間內(nèi)每個(gè)非平衡載流子被復(fù)合掉的幾率，是非平衡載流子的復(fù)合率?！?.2非平衡載流子的壽命其中,Δp0是t=0時(shí)的非平衡載流子濃度。上式表明，非平衡載流子濃度隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律衰減，τ是反映衰減快慢的時(shí)間常數(shù)，τ越大，Δp衰減的越慢。所以，τ標(biāo)志著非平衡載流子在復(fù)合前平均存在的時(shí)間，通常稱之為非平衡載流子的壽命。壽命是標(biāo)志半導(dǎo)體材料質(zhì)量的主要參數(shù)之一。依據(jù)半導(dǎo)體材料的種類、純度和結(jié)構(gòu)完整性的不同，它可以在10-2～10-9s的范圍內(nèi)變

8、化。在實(shí)驗(yàn)上可以利用多種方法測量壽命τ，直流光電導(dǎo)衰減法是最常用的一種,圖是其基本原理的示意圖。光脈沖照在半導(dǎo)體樣品上，在樣品中產(chǎn)生非平衡載流子，使樣品的電導(dǎo)發(fā)生改變。測量光照結(jié)束后，附加電導(dǎo)ΔG的變化。選擇串聯(lián)電阻RL