第五章第五章 非平衡载流子非平衡载流子5.1 非平衡载流子的流入与复合非平衡载流子的流入与复合半导体中，载流子浓度与温度相关半导体中，载流子浓度与温度相关即，温度一定，半导体载流子浓度即，温度一定，半导体载流子浓度n0, p0一定。一定。n0, p0 :平衡载流子浓度。非简并条件下：平衡载流子浓度。非简并条件下：热平衡条件下此式成立；反之，此式成立，为热平衡。热平衡条件下此式成立；反之，此式成立，为热平衡。5.1 非平衡载流子的流入与复合非平衡载流子的流入与复合本章重点：本章重点：如何使式如何使式(5-1)不成立，以及不成立的规不成立，以及不成立的规律、恢复热平衡的过程、及各种可能的律、恢复热平衡的过程、及各种可能的机理。机理。若使式若使式(5-1)不成立，在确定的温度不成立，在确定的温度T下，下，对特定的半导体材料对特定的半导体材料(Eg一定一定)，只有使，只有使 n0或或p0突然发生变化，变化原因是各种外突然发生变化，变化原因是各种外场：场：非平衡的产生外场：光效应、热效应、电效应、磁效应。外场：光效应、热效应、电效应、磁效应。光效应：光效应：光照，光子的能量光照，光子的能量h 若大于禁带宽度若大于禁带宽度Eg,将有电将有电子从价带跃上导带，从而产生电子子从价带跃上导带，从而产生电子-空穴对。电空穴对。电子浓度增加了子浓度增加了 n，同时价带中空穴浓度增加同时价带中空穴浓度增加 p。其中其中 n = pN型半导体的非平衡情况基本定义基本定义n0+ n: 非平衡多数载流子；非平衡多数载流子；p0+ p: 非平衡少数载流子。非平衡少数载流子。在小注入的情况下，常有：在小注入的情况下，常有： p0 n r ，电阻变，电阻变化很小，化很小，I 不变。不变。实验检测图：实验检测图：对于半导体，对于半导体， r = l / S，而而即即 电路中，半导体的电阻为电路中，半导体的电阻为r， 串联为电阻串联为电阻R， R r 。外加。外加电压为电压为VI = V/(R+r),电导率电导率 0结论：示波器观察到的压降变结论：示波器观察到的压降变化来源于化来源于 p用示波器测量半导体两端的压降，光照时引起：用示波器测量半导体两端的压降，光照时引起：可以用观察到的电压变化算出可以用观察到的电压变化算出非非平衡少数载流子浓度的变化。平衡少数载流子浓度的变化。考虑到非平衡少数载流子在非平衡状态考虑到非平衡少数载流子在非平衡状态的特殊作用，称其为的特殊作用，称其为“非平衡载流子非平衡载流子”。第五章第五章 非平衡载流子非平衡载流子5.1 非平衡载流子的流入与复合非平衡载流子的流入与复合5.2 非平衡载流子的寿命非平衡载流子的寿命光照停止时，半导体中仍存在非平衡载光照停止时，半导体中仍存在非平衡载流子。电子和空穴的浓度比平衡时要高，流子。电子和空穴的浓度比平衡时要高，它们在热运动中相遇复合的机会将大于它们在热运动中相遇复合的机会将大于产生电子产生电子-空穴对的机会。随着时间的增空穴对的机会。随着时间的增长，非平衡载流子浓度逐渐减少，直至长，非平衡载流子浓度逐渐减少，直至恢复热平衡状态。非平衡载流子浓度的恢复热平衡状态。非平衡载流子浓度的衰减过程，可以用一个时间参量来表征衰减过程，可以用一个时间参量来表征其衰减的快慢其衰减的快慢-非平衡载流子的非平衡载流子的寿寿 命命统计计算统计计算设从停止光照的设从停止光照的t = 0时刻，非平衡载流子浓度时刻，非平衡载流子浓度 p开始衰减，其衰减速率与非平衡载流子的浓开始衰减，其衰减速率与非平衡载流子的浓度成正比，比例系数为复合的散射几率。度成正比，比例系数为复合的散射几率。其解为：其解为：( p)0: 初始时刻的初始时刻的 p ， p(t):随时间变化。随时间变化。平均生存时间：平均生存时间： “平均生存时间平均生存时间”-寿命寿命从从 p(0)至浓度为至浓度为 p/e所花的时间为所花的时间为 ( p)0 实验测量方法及结果实验测量方法及结果测量平均生存时间测量平均生存时间(寿命寿命)的实验方法：的实验方法： 高频光电导衰减法、光磁电法。高频光电导衰减法、光磁电法。材料的寿命：材料的寿命： 锗：锗： 104 s ；硅；硅(纯纯)： 103 s 砷化镓：砷化镓： 10-8 10-9 s 平面硅器件平面硅器件: 几十几十 s 以上以上第五章第五章 非平衡载流子非平衡载流子5.1 非平衡载流子的流入与复合非平衡载流子的流入与复合5.3 准费米能级准费米能级热平衡态，整个(系统)半导体有统一的费米能级。因n0p0 = ni2，则费米能级随n0变动在非平衡态：n = n0 + n电子浓度增大，EF上升， p = p0 + p空穴浓度增加， EF下降。 “ 矛盾矛盾 ？ ”如何解决？抛弃如何解决？抛弃EF ？改善改善EF ？合理的解决方案：两个费米能级，合理的解决方案：两个费米能级， EFn和和EFp非平衡态的费米能级非平衡态的费米能级用准费米能级描述用EFn描述稳定非平衡态时的：n = n0 + n用EFp描述稳定非平衡态时的：p = p0 + p电子准费米能级和空穴准费米能级。数学描述？只要是非简并条件只要是非简并条件(电子准费米能级不进入导电子准费米能级不进入导带和空穴准费米能级不进入价带带和空穴准费米能级不进入价带)，上述条件，上述条件总是适用。总是适用。n与与n0、ni和和p与与p0和和pi的关系如下的关系如下准费米能级的性质准费米能级的性质非平衡载流子的浓度可以通过两个准费米能级非平衡载流子的浓度可以通过两个准费米能级的大小表示出来：非平衡载流子的浓度越高，的大小表示出来：非平衡载流子的浓度越高，准费米能级的上下差距越大。其中，准费米能级的上下差距越大。其中，n型半导型半导体的电子费米能级变化不大，而空穴费米能级体的电子费米能级变化不大，而空穴费米能级的变化较大。的变化较大。总之，偏离越大，不平衡情况越显著。两者形总之，偏离越大，不平衡情况越显著。两者形成统一的费米能级时，说明半导体处于平衡态。成统一的费米能级时，说明半导体处于平衡态。第五章第五章 非平衡载流子非平衡载流子5.1 非平衡载流子的流入与复合非平衡载流子的流入与复合5.4 复合理论复合理论在光照的表面，非平衡载流子浓度较高，体内在光照的表面，非平衡载流子浓度较高，体内浓度较低。由此产生了非平衡载流子的扩散。浓度较低。由此产生了非平衡载流子的扩散。非平衡载流子向体内的扩散过程，是少子向多非平衡载流子向体内的扩散过程，是少子向多子的区域扩散的过程，在这种扩散的运动过程子的区域扩散的过程，在这种扩散的运动过程中会发生粒子间的碰撞，中会发生粒子间的碰撞，碰撞的结果如何？碰撞的结果如何？(1)改变少子的运动方向，继续扩散；改变少子的运动方向，继续扩散；(2)少子被多子吃掉，少子被多子吃掉，“复合复合”成为中性原子。成为中性原子。弹性碰撞导致了粒子的扩散；非弹性碰撞导致弹性碰撞导致了粒子的扩散；非弹性碰撞导致了粒子的复合。了粒子的复合。 热平衡是载流子的产生与复合的平衡，热平衡是载流子的产生与复合的平衡，温度一定时：载流子产生的速率一定，而复温度一定时：载流子产生的速率一定，而复合则与非平衡载流子的浓度有关。合则与非平衡载流子的浓度有关。保持平衡时：保持平衡时： 产生率产生率=复合率复合率非平衡载流子如何复合？非平衡载流子如何复合？(本章重点)大致上可以分为两种：(1)直接复合：电子在导带和价带之间的直接跃迁，引起电子和空穴的直接复合；(2)间接复合：电子和空穴通过禁带的能级进行复合，且分为体内和表面。电子-空穴对的复合复合产生的效应1.直接复合基本概念：产生率产生率：单位时间、单位体积内 产生的电子-空穴对的数目；复合率复合率：单位时间、单位体积内复 合的电子-空穴对的数目。直接复合直接复合是指导带中的电子直接落入价带与空穴复合，导致电子空穴对的消失；其逆过程逆过程为由于热激发等原因，价带中的电子以一定的几率跃迁到导带上去，产生电子空穴对。复合率与产生率复合率与产生率单位体积内，每个电子都有一定的几率与空穴复合，用复合几率复合几率r 表示。r与电子的平均热运动速率相关。空穴浓度空穴浓度P越大，复合的空穴数越多；导带的电子浓度电子浓度越大，复合的电子数越多；电子空穴对的复合与两者成正比。复合率用R表示；产生率用G表示，s为激发几率。温度一定，温度一定，r 一定，一定，R 值一定。值一定。平衡时，平衡时，n = n0, p = p0, 产生率产生率(generate)： G = R = r n0 p0 = r ni2光照停止时，非平衡载流子有净复合率：光照停止时，非平衡载流子有净复合率： 净复合率净复合率 = 复合率复合率 产生率产生率 Ud = R G = r ( np - ni2 )因产生率仅与温度有关，且为平衡时的因产生率仅与温度有关，且为平衡时的复合率。因此，净复合率可以由上式算复合率。因此，净复合率可以由上式算出。将出。将n = n0+ n, p = p0+ p代入上式，代入上式，得到：得到：对少子，单位体积内，共有对少子，单位体积内，共有 p的空穴，的空穴，Ud为单为单位时间复合的空穴。将位时间复合的空穴。将 p全部复合所用的时间：全部复合所用的时间：r 越大，复合几率越大，当然寿命越短。越大，复合几率越大，当然寿命越短。各种载流子浓度的总数越大，各种载流子浓度的总数越大， 越小。越小。小注入条件：小注入条件：p0 n n0+ p0 :由由得到：得到：总之，总之，寿命始终与复合几率成反比。寿命始终与复合几率成反比。例：在室温例：在室温T = 300 K时，理论计算本征的时，理论计算本征的 锗：锗：r = 6.510-14cm3/s， = 0.3 s； 硅：硅： r = 10-11cm3/s， = 3.5 s 。 实际上，材料的寿命比上述值低得多。实际上，材料的寿命比上述值低得多。小禁带宽度的材料小禁带宽度的材料(锑化铟锑化铟Eg=0.3eV),直接复合占优势。直接复合占优势。作业：作业：P144， 习题：习题：1， 3，5，72.间接复合间接复合直接复合是材料的本征情况。直接复合是材料的本征情况。杂质对半导体中载流子的复合是否会起作用？杂质对半导体中载流子的复合是否会起作用？前面已经分析了半导体中的杂质影响了它的费前面已经分析了半导体中的杂质影响了它的费米能级米能级EF，电阻率、迁移率等。从实验上已经，电阻率、迁移率等。从实验上已经发现：杂质越多，非平衡载流子的寿命越低，发现：杂质越多，非平衡载流子的寿命越低，说明了杂质有促进复合的作用说明了杂质有促进复合的作用。促进复合过程的杂质和缺陷称之为促进复合过程的杂质和缺陷称之为“复合中心复合中心”。由此可以推断：载流子与杂质的碰撞有两个过由此可以推断：载流子与杂质的碰撞有两个过程：程：“散射散射”与与“复合复合”。间接复合的机理间接复合的机理间接复合：指非平衡载流子通过复合中心的复合。间接复合：指非平衡载流子通过复合中心的复合。禁带中：杂质和缺陷的能级用禁带中：杂质和缺陷的能级用Et 表示表示 。杂质能级的作用象一个台阶，使杂质能级的作用象一个台阶，使电子电子-空穴的复合可以分为两步走：空穴的复合可以分为两步走：(1) 电子从导带落入杂质能级；电子从导带落入杂质能级；(2) 电子从杂质能级落入价带。或空穴从价带到台阶。电子从杂质能级落入价带。或空穴从价带到台阶。 形象地：电子从导带，空穴从价带在杂质能级复合，正形象地：电子从导带，空穴从价带在杂质能级复合，正是由于这种复合，杂质能级的作用被是由于这种复合，杂质能级的作用被 描述为描述为“复合中心复合中心”。 另外，还存在与上述两步相反的逆过程。另外，还存在与上述两步相反的逆过程。能够产生和复合能够产生和复合e-p对的四个步骤：对的四个步骤：甲：甲：Et俘获导带电子俘获导带电子“Ec电子电子Et”乙：乙： Et激发电子：激发电子：“Et电子电子 Ec”丙：丙： Et俘获价带空穴俘获价带空穴“Et电子电子Ev”丁：丁： Et激发空穴激发空穴 “Ev电子电子Et”甲乙互逆过程的讨论：甲乙互逆过程的讨论：c的电子浓度为的电子浓度为n，t 复合中心的浓度为复合中心的浓度为Nt 被电子占据了被电子占据了nt, 未被占据的浓度为未被占据的浓度为Nt nt。 n大，大， Nt nt 大，大， 则复合机会大：则复合机会大：电子俘获率电子俘获率 = rn n (Nt nt)甲过程甲过程:导带有大量的空穴，只要电子能够跃迁到导带，导带有大量的空穴，只要电子能够跃迁到导带，就能占据。因此，就能占据。因此，nt 复合越多，跃迁电子越多。复合越多，跃迁电子越多。乙过程乙过程:电子产生率电子产生率 = s- nts-：电子激发几率，只与温度相关。：电子激发几率，只与温度相关。甲乙平衡时：甲乙平衡时：rn n (Nt nt) = s- nt Et上的电子浓度与上的电子浓度与Et 和和EF 相关，为：相关，为：Et 越高，越高，nt 越小越小非简并情况下的导带电子浓度为非简并情况下的导带电子浓度为利用利用nt 0和和n 0求解，得到求解，得到电子产生率电子产生率 = rnnlnt 。包含了电子俘获和发射。包含了电子俘获和发射Et越高，越高，nl越大越大结论：结论：1) Et 越高，越高，nt 越少。如越少。如右图；右图；2) nt 越少，电子产生率越少，电子产生率(s- nt) 越小；越小；3) Et越高，越高，nl越越大，因大，因s_是一定值，则是一定值，则rn越小，越小，即导带电子落入即导带电子落入Et 的复合几率的复合几率小。小。当当 Et = EF 时，时，nl为导带的平衡电子浓度；为导带的平衡电子浓度；在在 Et Ec 的一般情况下，的一般情况下，T 越高，越高，nl 越大；越大；T 一定，一定， Et 越小，越小， nl 越小。越小。总之：当总之：当 Et2 Et1 ，nl2 0时，时，T 越大，越大，pl 越大。越大。(2)： T一定，一定， Et越小，越小， pl越大。越大。相似的比喻：相似的比喻：pl 类似于类似于Ev上的空穴浓度上的空穴浓度。结论：结论：Et下降，下降，pl 增大，产生空穴能力强。增大，产生空穴能力强。s+=rp pl, 从而有：从而有：Et 越越 靠近价带，靠近价带， pl 越大，越大， 空穴复合几率空穴复合几率rp越小。越小。总之：能级越深，陷入的载流子浓度越多，复合载流子的总之：能级越深，陷入的载流子浓度越多，复合载流子的几率也越大。几率也越大。甲乙丙丁四个过程的稳定条件甲乙丙丁四个过程的稳定条件若若Et一定，平衡时，一定，平衡时， Et上的电子数不变：上的电子数不变： “电子的积累电子的积累 = 空穴的积累空穴的积累”即即 “甲甲 - 乙乙 = 丙丙 - 丁丁” ，可得到，可得到Et的电子浓的电子浓度：度：和非平衡载流子的复合率和非平衡载流子的复合率在小注入的条件下，一般的复合中心，在小注入的条件下，一般的复合中心，结论：在小注入的条件下，非平衡载流结论：在小注入的条件下，非平衡载流子的寿命只取决于子的寿命只取决于n0p0nlpl的值与非平衡的值与非平衡载流子的浓度无关。而这些浓度的大小载流子的浓度无关。而这些浓度的大小与费米能级和复合中心的位置相关。与费米能级和复合中心的位置相关。下面对费米能级和复合中心的位置作比下面对费米能级和复合中心的位置作比较，以探讨杂质能级的复合作用。较，以探讨杂质能级的复合作用。Et在禁带中的位置及其影响在禁带中的位置及其影响N型半导体，设复合中心型半导体，设复合中心Et靠近价带，作靠近价带，作相对于禁带中心的对称能级相对于禁带中心的对称能级 Et。强强n 型区型区 高阻区高阻区 强强p型区型区 当当EF比比Et更告靠近导带时，更告靠近导带时，n0比比p0、nl、pl更大，为掺杂较重的更大，为掺杂较重的n型半导体。型半导体。对于重掺杂的对于重掺杂的n型半导体，非平衡载流子的寿命是：型半导体，非平衡载流子的寿命是：上式表明，对寿命起作用的主要是上式表明，对寿命起作用的主要是少数载流子空穴的俘获少数载流子空穴的俘获系数系数rp。因为重掺杂已经将杂质能级填满了电子，俘获空因为重掺杂已经将杂质能级填满了电子，俘获空 穴决定复合中心的寿命。穴决定复合中心的寿命。当当EF在在Et和和Et之间时，半导体处于高阻区，之间时，半导体处于高阻区，在在n0、p0、nl、pl中中pl最大，则寿命是：最大，则寿命是：与强与强n型区相对应的是型区相对应的是p型材料的强型材料的强p型区，复合能级的位置更靠近型区，复合能级的位置更靠近导带。寿命是：导带。寿命是：p型材料的高阻区：型材料的高阻区：对一般的复合中心，近似地对一般的复合中心，近似地rn=rp=r，则，则 n= p=1 /(Ntr)。非平衡载流子在复合中心的净复合速率是：非平衡载流子在复合中心的净复合速率是：俘获俘获(散射散射)截面截面(Cross-Over Section)将复合中心看成是具有一定半径的球体，截面将复合中心看成是具有一定半径的球体，截面积为积为 ，截面积越大，俘获运动中的载流子的几截面积越大，俘获运动中的载流子的几率越大。常用率越大。常用 表示俘获载流子的本领：俘获截表示俘获载流子的本领：俘获截面。复合中心对电子和空穴的俘获本领不同，面。复合中心对电子和空穴的俘获本领不同，表示为表示为 - 和和 +。载流子热运动的速度越大，被复合中心俘获的载流子热运动的速度越大，被复合中心俘获的几率越大：热运动速度几率越大：热运动速度vT=(3k0T/m*)1/2，被俘获，被俘获的系数为的系数为 金在硅中的复合作用金在硅中的复合作用Mn,Fe,Co,Au,Cu,Ni等在锗中；等在锗中；Au、Cu、Fe、Mn等等在硅中可以形成复合中心。在硅中，在硅中可以形成复合中心。在硅中，Au替代了硅原子替代了硅原子的位置，可以失去一个电子成为正离子的位置，可以失去一个电子成为正离子Au+，也可以，也可以从邻近硅原子得到电子成为负离子从邻近硅原子得到电子成为负离子Au- 。在在n型硅中，金为负离子型硅中，金为负离子Au-，起受主作用，起受主作用EtA，对空穴，对空穴的俘获系数决定了载流子寿命；在的俘获系数决定了载流子寿命；在p型硅中，金为正离型硅中，金为正离子，对电子的俘获系数决定了载流子寿命。子，对电子的俘获系数决定了载流子寿命。实验结果：实验结果： 1)硅中金浓度为硅中金浓度为51015cm-3时，少子寿命时，少子寿命 p=1.7 10 -9s(n型型), n= 3.2 10 -9s(p型型)2)金浓度的增加使硅中少子的寿命金浓度的增加使硅中少子的寿命(对数对数)线性地线性地下降。下降。应用在高速的形状器件中：主要的减少少数载流应用在高速的形状器件中：主要的减少少数载流子产生的电容效应。子产生的电容效应。金在硅中形成了深的施主能级金在硅中形成了深的施主能级(p型型)和深的受主能级和深的受主能级(n型型)。表面复合表面复合实验发现：金刚砂粗磨的表面，少子寿命短；实验发现：金刚砂粗磨的表面，少子寿命短；样品小，寿命短。样品小，寿命短。-表面促进复合表面促进复合。表面的杂质和缺陷形成了复合中心能级，其复表面的杂质和缺陷形成了复合中心能级，其复合寿命用合寿命用 s表示；若体内复合寿命为表示；若体内复合寿命为 v，则，则 ：有效寿命。引入新的概念：表面复合率：有效寿命。引入新的概念：表面复合率S为表面复合速度。含义：在表面的少子为表面复合速度。含义：在表面的少子( p)s以速度以速度S流出表面。锗：流出表面。锗：102 106cm/s，硅硅103 cm/s。 对于器件，要求较小的对于器件，要求较小的S，使性能稳定。使性能稳定。第五章第五章 非平衡载流子非平衡载流子5.1 非平衡载流子的流入与复合非平衡载流子的流入与复合5.5 陷阱效应陷阱效应有些半导体材料受到外界刺激后会发光，尤其是一些有些半导体材料受到外界刺激后会发光，尤其是一些材料，在外界刺激停止后仍然能够发光，原因何在？材料，在外界刺激停止后仍然能够发光，原因何在？半导体处于热平衡时，存在施主和受主、复合中心等，半导体处于热平衡时，存在施主和受主、复合中心等，载流子的俘获与产生均达到平衡，不再产生任何效应。载流子的俘获与产生均达到平衡，不再产生任何效应。非平衡出现，杂质能级电子改变：非平衡出现，杂质能级电子改变： 增：增： 收容电子收容电子； 减：减： 收容空穴收容空穴对非平衡载流子的收容作用对非平衡载流子的收容作用-“陷阱效应陷阱效应”当收容的载流子可与导带电子或价带空穴浓度当收容的载流子可与导带电子或价带空穴浓度相比相比时，时，其杂质能级其杂质能级-“陷阱陷阱”；杂质或缺陷能级；杂质或缺陷能级“陷阱陷阱中心中心”。结论：结论：陷阱指对非平衡载流子有奖励收容作用的杂质陷阱指对非平衡载流子有奖励收容作用的杂质或缺陷能级。或缺陷能级。分析方法分析方法(一一)应用间接复合的应用间接复合的“复合中心复合中心”理论。理论。nt为杂质能级的电子密度。为杂质能级的电子密度。 n与与 p是相互独立的，是相互独立的，仅由仅由非平衡电子密度非平衡电子密度 n 引起的杂质能级为引起的杂质能级为(对式对式5-33微分微分)：若若rp = rn，则有式则有式(5-73)：上式表明，掺杂含量很大时才会有陷阱效应，上式表明，掺杂含量很大时才会有陷阱效应，与实验事实不符。与实验事实不符。rn rp ：对电子的俘获大于对空穴的俘获，将：对电子的俘获大于对空穴的俘获，将积累大量积累大量 的电子的电子 -“电子陷阱电子陷阱”；rn rp ，由，由(5-72)式得：式得：只有当只有当n0 = nl 时时， nt 有极大值：有极大值： -杂质能级的位置最有利于陷阱的作用。而杂质能级的位置最有利于陷阱的作用。而 当当n0 = nl 时，有时，有Et = EF 机理分析机理分析 (三三)Et EF 时，陷入的电子较少，适于时，陷入的电子较少，适于陷阱作用，但电子激发到导带的几陷阱作用，但电子激发到导带的几率较大率较大(s-=rnnl)； Et EF 时，平衡时被填充的电子较时，平衡时被填充的电子较多，能够继续陷入电子的位置相对多，能够继续陷入电子的位置相对减少。减少。电子落入陷阱后，不与空穴复合，必须产生被电子落入陷阱后，不与空穴复合，必须产生被 激发到导激发到导带，然后复合。因此，陷阱的存在增大了从非平衡到平带，然后复合。因此，陷阱的存在增大了从非平衡到平衡的恢复时间。这就是材料在受激照射之后发光的原因。衡的恢复时间。这就是材料在受激照射之后发光的原因。光电导衰减光电导衰减原理：光照将引起附加光电导。脉冲刺激后，光电导原理：光照将引起附加光电导。脉冲刺激后，光电导(电电阻阻)衰减；陷阱越深，光电导衰减的时间发生的越长。其衰减；陷阱越深，光电导衰减的时间发生的越长。其效果为电导的突变。效果为电导的突变。影响因素：陷阱中的非平衡载流子不产生光电导。且非影响因素：陷阱中的非平衡载流子不产生光电导。且非平衡载流子始终保持电中性平衡。因此有：平衡载流子始终保持电中性平衡。因此有：光电导衰减实验光电导衰减实验样品有两种陷阱：导带下样品有两种陷阱：导带下0.79eV的深陷阱和导带下的深陷阱和导带下0.57eV的浅陷阱。的浅陷阱。A为复合；为复合；B为浅陷阱；为浅陷阱；C为深陷阱为深陷阱第五章第五章 非平衡载流子非平衡载流子5.1 非平衡载流子的流入与复合非平衡载流子的流入与复合5.6载流子的扩散运动载流子的扩散运动微观粒子的无规则扩散运动导致各种载流子的微观粒子的无规则扩散运动导致各种载流子的浓度在平衡状态下均匀分布浓度在平衡状态下均匀分布-“熵增加原熵增加原理理”光照光照n型半导体，扩散运动造成浓度差：型半导体，扩散运动造成浓度差：光照强度恒定，非平衡载流子分布光照强度恒定，非平衡载流子分布 P(x).变化梯度变化梯度(浓度梯度浓度梯度) = d P(x) /dx在恒定条件下，扩散流在恒定条件下，扩散流 梯度。梯度。扩散流密度扩散流密度：单位时间通过单位面积的粒子数。：单位时间通过单位面积的粒子数。稳态扩散方程对(5-79)微分，得到扩散流密度的位置变化：意义分析：根据上述含义得到方程：单位体积，单位时间内复合的载流子数目解释：解释：n型半导体，非平衡载流子为空穴。型半导体，非平衡载流子为空穴。x增大增大, P(x)减小，减小，Sp方向为方向为x正方向，负号正方向，负号表示衰减。比例系数是空穴扩散系数表示衰减。比例系数是空穴扩散系数Dp：单位：单位时间非平衡载流子的扩散本领。若其寿命为时间非平衡载流子的扩散本领。若其寿命为 ，则平均扩散距离，则平均扩散距离Lp为为:(1) 样品足够厚，当样品足够厚，当x , P(x) = 0结论：结论：(2) 样品厚为样品厚为W当当WLp时：时：结论：与浓度成线性关系。结论：与浓度成线性关系。Sp(x)不变。不变。应用：三极管的基区做得很薄，使基区非应用：三极管的基区做得很薄，使基区非平衡载流子易于通过，由此得到扩散电流：平衡载流子易于通过，由此得到扩散电流：第五章第五章 非平衡载流子非平衡载流子5.1 非平衡载流子的流入与复合非平衡载流子的流入与复合5.7 载流子的漂移运动，载流子的漂移运动，爱因斯坦关系式爱因斯坦关系式讨论过加电场时半导体的导电性。讨论过半导体中的非平衡载流子的运动。现在讨论加电场时半导体因非平衡载流子的运动的导电性。扩散与漂移浓度梯度导致的电子扩散电流密度为：浓度梯度导致的电子扩散电流密度为：漂移运动的空穴：漂移运动的空穴：浓度梯度导致的空穴扩散电流密度为：浓度梯度导致的空穴扩散电流密度为：漂移运动的电子：漂移运动的电子：热平衡非均匀时的情况考虑一个平衡的不均匀的半导体。考虑一个平衡的不均匀的半导体。平衡：各处费米能级相同。平衡：各处费米能级相同。载流子浓度的高低反映在带边与费米载流子浓度的高低反映在带边与费米能级的距离上。带边的弯曲意味存在能级的距离上。带边的弯曲意味存在着电场，它产生的漂移电流与浓度梯着电场，它产生的漂移电流与浓度梯度引起的扩散电流相抵消。度引起的扩散电流相抵消。基本原理基本原理扩散电荷引起感应电场，使载流子扩散电荷引起感应电场，使载流子 在半导体内作漂移运在半导体内作漂移运动：动：在热平衡状态下，电子总电流与空穴总电流均为零在热平衡状态下，电子总电流与空穴总电流均为零浓度梯度导致的扩散电流密度为：浓度梯度导致的扩散电流密度为：由电子浓度导出：由电子浓度导出：爱因斯坦关系式的意爱因斯坦关系式的意 义义描述了载流子扩散系数与迁移率的温度关系描述了载流子扩散系数与迁移率的温度关系-爱因斯坦关系式爱因斯坦关系式载流子扩散本领载流子扩散本领D的大小与其迁移率成正比，并的大小与其迁移率成正比，并与温度成正比。与温度成正比。作业：作业：P144: 10，13，16，17，18电子浓度：电子浓度：