第5章 非平衡载流子
第5章 非平衡载流子
5.1非平衡载流子的注入与复合
n0 p0 N c N v exp(
Eg k 0T
)n
2 i
非简并半导体处于热平衡状态的判据式 非平衡状态 非平衡载流子
一、非平衡载流子的产生
1．光注入
用波长比较短的光 ∆n no
光照
h E
g
po
照射到半导体
∆p
光照产生非平衡载流子
n0 q n p0 q p
0
1
0
1
0
0 0 2 0 0 0
1 1
L L r 2 S 0 S
r C n, p
Vr I r n, p
△Vr
↓有净复合
0
t
5.2非平衡载流子的寿命
小注入：
非平衡载流子：
寿命
，
复合几率 复合率
1
p
dp (t ) p (t ) dt
p(t ) ce
C为积分常数
t
t=0 时，
p(t ) p0
p (t ) p 0 e
t
非平衡载流子浓度随时间按指数衰减的规律
•半导体电压降的变化直接反映了附加电导率的变化，也间接地检验了非平衡
少数载流子的注入
2．非平衡载流子随时间的变化规律
(1) 随光照时间的变化 t=0，无光照，Vr=0
△Vr
t>0，加光照
光照时，产生﹥复合 非平衡状态
↑有净产生
0
t
(2) 取消光照
在t=0时，取消光照， 复合>产生 。 非平衡载流子在半导体 中的生存时间称为非子 寿命。
二、非平衡时的附加电导
0 热平衡时：
非平衡时：
p0 q p n0 q n
pq p nq n ( p 0 p )q p (n 0 n)q n
n 0 q n p 0 q p nq( n p ) 0
nq( n p )N型EcP型Ec EFn
EFn EF EFp
Ev
EF EFp Ev
5.4复合理论
产生非子的外部作用撤除后，由于半导体的内 部作用，使它由非平衡态恢复到平衡态，非子 逐渐消失，这一过程叫非平衡载流子的复合。
一、复合类型
直接复合：
•
Ec
按复合机构分
间接复合：
° •
Et
Ev
Ec
°
Ev
表面复合
按复合发生的位置分
体内复合 发射光子 →辐射复合 按放出能量的形式分 俄歇复合 发射声子→无辐射复合
二、非子的直接复合
1．复合率和产生率
(1) 复合率：
用R表示 单位时间、单位体积中被复合的载流子对 （电子、空穴对），量纲为：对(个)/s· cm3
R np R = rnp
r：比例系数，它表示单位时间一个电子与一个空 穴相遇的几率，通常称为复合系数
n型：p0<n<n0，或p型：n0<p<p0
例： 1 cm的n型硅中，n0 5.51015cm-3, p0 3.1 104cm-3. 注入非子 n= p=1010cm-3 则 n <<n0，小注入 但 p>>p0。
即使小注入， 非平衡少子浓度>>平衡少子浓度
实际上，非平衡少子起重要作用。
非平衡态时，多数载流子的准费米能级和平衡时费米能级偏离不 多，而少数载流子的准费米能级偏离很大。
E Fn E Fp E Fn E Fp 2 np n0 p0 exp( ) ni exp( ) k 0T k 0T
EFn和EFp偏离的大小反映 np 和 ni2 相差的程度，即半导 体偏离热平衡态的程度
锗：104μs 硅：103μs 砷化镓：10-8~10-9s
(p)0
( p ) 0 e
0 τ
t
5.3准费米能级
热平衡状态时，半导体具有统一的费米能级
Ec E F n0 N c exp( ) k 0T
E F Ev p0 N v exp( ) k 0T 非平衡时
Ec E Fn n N c exp( ) k 0T E Fp Ev p N v exp( ) k 0T
——附加电导率 n型：
多子： n
n0 q n nq n
p0 q p pq p
少子： p
R 光 照 半 导 体
光注入引起附加光电导
三、非平衡载流子的检测与寿命
1．非平衡载流子的检测
设外接电阻 R>> r (样品的电阻)
V I Rr
外
0 无光照时 ：
有光照后 ：
2．电注入
3．非平衡载流子浓度的表示法
产生的非子一般都用n，p来表示 。 达到动态平衡后：
n=n0+n p=p0+p
n0，p0为热平衡时电子浓度和空穴浓度 ，
n，p为非子浓度。
对同块材料 ：
n=p 热平衡时n0· p0=ni2，非平衡时n· p＞ni2 n型：
n—非平衡多子
p—非平衡少子
当 n = n0，p = p0 时，
Ec E Fn E Fn E F E Fn Ei n N c exp( ) n0 exp( ) ni exp( ) k 0T k 0T k 0T
p N v exp( E Fp Ev k 0T E F E Fp Ei E Fp ) p0 exp( ) ni exp( ) k 0T k 0T
非平衡载流子平均时间
t t
，
t tdp(t ) / dp(t ) te dt / e dt
令
0
t
0
0
0
p(t ) (p) 0 / e
寿命标志着非平衡载流子浓度减小到原值1/e 所经历的时间
p
寿命
p型：
p—非平衡多子
n—非平衡少子
注意：
n，p—非平衡载流子的浓度
n0，p0—热平衡载流子浓度 n，p—非平衡时导带电子浓度 和价带空穴浓度
4．大注入、小注入
● 注入的非平衡载流子浓度大于平衡时的多子浓 度，称为大注入。
n型：n>n0，p型：p>p0
●注入的非平衡载流子浓度大于平衡时的少子浓 度，小于平衡时的多子浓度，称为小注入。
5.1非平衡载流子的注入与复合
n0 p0 N c N v exp(
Eg k 0T
)n
2 i
非简并半导体处于热平衡状态的判据式 非平衡状态 非平衡载流子
一、非平衡载流子的产生
1．光注入
用波长比较短的光 ∆n no
光照
h E
g
po
照射到半导体
∆p
光照产生非平衡载流子
n0 q n p0 q p
0
1
0
1
0
0 0 2 0 0 0
1 1
L L r 2 S 0 S
r C n, p
Vr I r n, p
△Vr
↓有净复合
0
t
5.2非平衡载流子的寿命
小注入：
非平衡载流子：
寿命
，
复合几率 复合率
1
p
dp (t ) p (t ) dt
p(t ) ce
C为积分常数
t
t=0 时，
p(t ) p0
p (t ) p 0 e
t
非平衡载流子浓度随时间按指数衰减的规律
•半导体电压降的变化直接反映了附加电导率的变化，也间接地检验了非平衡
少数载流子的注入
2．非平衡载流子随时间的变化规律
(1) 随光照时间的变化 t=0，无光照，Vr=0
△Vr
t>0，加光照
光照时，产生﹥复合 非平衡状态
↑有净产生
0
t
(2) 取消光照
在t=0时，取消光照， 复合>产生 。 非平衡载流子在半导体 中的生存时间称为非子 寿命。
二、非平衡时的附加电导
0 热平衡时：
非平衡时：
p0 q p n0 q n
pq p nq n ( p 0 p )q p (n 0 n)q n
n 0 q n p 0 q p nq( n p ) 0
nq( n p )N型EcP型Ec EFn
EFn EF EFp
Ev
EF EFp Ev
5.4复合理论
产生非子的外部作用撤除后，由于半导体的内 部作用，使它由非平衡态恢复到平衡态，非子 逐渐消失，这一过程叫非平衡载流子的复合。
一、复合类型
直接复合：
•
Ec
按复合机构分
间接复合：
° •
Et
Ev
Ec
°
Ev
表面复合
按复合发生的位置分
体内复合 发射光子 →辐射复合 按放出能量的形式分 俄歇复合 发射声子→无辐射复合
二、非子的直接复合
1．复合率和产生率
(1) 复合率：
用R表示 单位时间、单位体积中被复合的载流子对 （电子、空穴对），量纲为：对(个)/s· cm3
R np R = rnp
r：比例系数，它表示单位时间一个电子与一个空 穴相遇的几率，通常称为复合系数
n型：p0<n<n0，或p型：n0<p<p0
例： 1 cm的n型硅中，n0 5.51015cm-3, p0 3.1 104cm-3. 注入非子 n= p=1010cm-3 则 n <<n0，小注入 但 p>>p0。
即使小注入， 非平衡少子浓度>>平衡少子浓度
实际上，非平衡少子起重要作用。
非平衡态时，多数载流子的准费米能级和平衡时费米能级偏离不 多，而少数载流子的准费米能级偏离很大。
E Fn E Fp E Fn E Fp 2 np n0 p0 exp( ) ni exp( ) k 0T k 0T
EFn和EFp偏离的大小反映 np 和 ni2 相差的程度，即半导 体偏离热平衡态的程度
锗：104μs 硅：103μs 砷化镓：10-8~10-9s
(p)0
( p ) 0 e
0 τ
t
5.3准费米能级
热平衡状态时，半导体具有统一的费米能级
Ec E F n0 N c exp( ) k 0T
E F Ev p0 N v exp( ) k 0T 非平衡时
Ec E Fn n N c exp( ) k 0T E Fp Ev p N v exp( ) k 0T
——附加电导率 n型：
多子： n
n0 q n nq n
p0 q p pq p
少子： p
R 光 照 半 导 体
光注入引起附加光电导
三、非平衡载流子的检测与寿命
1．非平衡载流子的检测
设外接电阻 R>> r (样品的电阻)
V I Rr
外
0 无光照时 ：
有光照后 ：
2．电注入
3．非平衡载流子浓度的表示法
产生的非子一般都用n，p来表示 。 达到动态平衡后：
n=n0+n p=p0+p
n0，p0为热平衡时电子浓度和空穴浓度 ，
n，p为非子浓度。
对同块材料 ：
n=p 热平衡时n0· p0=ni2，非平衡时n· p＞ni2 n型：
n—非平衡多子
p—非平衡少子
当 n = n0，p = p0 时，
Ec E Fn E Fn E F E Fn Ei n N c exp( ) n0 exp( ) ni exp( ) k 0T k 0T k 0T
p N v exp( E Fp Ev k 0T E F E Fp Ei E Fp ) p0 exp( ) ni exp( ) k 0T k 0T
非平衡载流子平均时间
t t
，
t tdp(t ) / dp(t ) te dt / e dt
令
0
t
0
0
0
p(t ) (p) 0 / e
寿命标志着非平衡载流子浓度减小到原值1/e 所经历的时间
p
寿命
p型：
p—非平衡多子
n—非平衡少子
注意：
n，p—非平衡载流子的浓度
n0，p0—热平衡载流子浓度 n，p—非平衡时导带电子浓度 和价带空穴浓度
4．大注入、小注入
● 注入的非平衡载流子浓度大于平衡时的多子浓 度，称为大注入。
n型：n>n0，p型：p>p0
●注入的非平衡载流子浓度大于平衡时的少子浓 度，小于平衡时的多子浓度，称为小注入。
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第五章非平衡载流子_半导体物理
看几何距离: 1 < 2 < 3 < 4,故: p1 >> n0 , p0 , n1
13. 室 温 下 ， p 型 锗 半 导 体 的 电 子 的 寿 命 τ n = 350µ s ， 电 子 的 迁 移 率 µ n = 3600cm 2 / V ⋅ s ，试求电子的扩散长度。 [解]：根据爱因斯坦关系： kT Dn k0T = 得， Dn = µn ⋅ 0 q µn q
− 20 10
= ∆n(0) ⋅13.5%
因此，将衰减到原来的 13.5% 7. 掺施主浓度 N D = 1015 cm−3 的 n 型硅，由于光的照射产生了非平衡载流子 ∆n = ∆p = 1014 cm −3 。试计算这种情况下准费米能级的位置，并和原来的费米能级 做比较。 [解]：对于 n 型硅， N D = 1015 cm−3 ， ∆n = ∆p = 1014 cm −3 ； 假设室温，则杂质全部电离， n0 = N D = 1015 cm−3 ND ND 1015 = Ei + k 0T ln = Ei + 0.026 ln = Ei + 0.289eV E F = EC + k 0T ln NC ni 1.5 × 1010 光注入非平衡载流子后， n = n0 + ∆n = ni exp(− Ei − EF n ) k0T EF P − Ei ) k0T
p = p0 + ∆p ≈ ∆p = ni exp(−
n
因此， E F
n 1.1× 1015 = Ei + k 0T ln = Ei + 0.026 ln = Ei + 0.291eV ni 1.5 × 1010 ni 1.5 × 1010 = Ei + 0.026 ln = Ei − 0.229eV p 1014
半导体物理学第五章
1. 净复合率(定义后述）：
热平衡时：热产生率＝复合率
电子浓度 光注入时：
n0，空穴浓度
p0
。
净产生过程
①光照开始，(热产生率＋光产生率) ＞复合率，n 、 p ；
②光照稳定，(热产生率＋光产生率) ＝复合率，n 、p不变；
③光照停止，(热产生率＋0 ) ﹤复合率，n、p 。
净复合过程
§5–2 非平衡载流子的复合和寿命
n 0qn ＋p0qp nqn ＋pqp
0
故附加光电导：
＝nqn ＋pqp
＝nq n ＋p
nqn
pq
np
p
pq(n p ),
(q、 、 为常数）
n
p
由
1
微分得
0 ?
2
( 0 )2
02
半导体
l s
2 0
l s
半导体上电压的变化由 V Ir 微分 ( I≈const，R >> r )
* 非平衡载流子： Δ n 和Δ p（过剩载流子）
过剩载流子
载流子的产生和复合：电子和空穴增加和消失的过程 平衡载流子满足费米－狄拉克统计分布 过剩载流子不满足费米－狄拉克统计分布
且公式 np ni2 不成立
过剩载流子和电中性
平衡时
过剩载流子
电中性：
产生非平衡载流子的过程称为非平衡载流子注入
非平衡载流子及其产生：
* 非平衡态：当半导体受到外界作用(如： 光照等)后, 载流子分布将与平衡态相偏离, 此 时的半导体状态称为非平衡态。
非平衡态的载流子浓度为：
n=n0+ ⊿n ; p=p0+ ⊿p . 且 ⊿n= ⊿p（为什么？）
半导体物理课件 (6)非平衡载流子
dx
p
0
p(x) Ae1x Be2x
L2p2 Lp ( ) 1 0
Lp ( )
L2p ( ) 4L2p
2L2p
1 Lp ( )
L2p ( ) 4L2p
2L2p
0
2
Lp ( )
L2p ( ) 4L2p
2L2p
0
对很厚的样品： p() 0
x ,
0 Ae1 Be2
A=0， p(x) Be2x
(1) 表面粗糙度 (2) 表面积与总体积的比例 (3) 与表面的清洁度、化学气氛有关 在考虑表面复合后，总的复合几率为：
1 1 1
v s
§5.4 陷阱效应
一、陷阱效应的类型
● 对于 rn rp 的杂质，
电子的俘获能力远大于俘获空穴的能力， 称为电子陷阱。
● 对于 rp rn 的杂质，
俘获空穴的能力远大于俘获电子的能力，
当复合达到稳态时
ui rn (Nt nt )n rnn1nt
其中：nt为复合中心的电子浓度
nt
N t (rn n rp p1 ) rn (n n1 ) rp ( p
p1 )
ui
rn (n
rn rp N t n1 ) rp ( p
p1 )
(np
n1 p1 )
其中：
Ec Et
n1 Nce KT
Et Ev
p1 N v e KT
ui
rn (n
N t rn rp n1 ) rp ( p
p1 )
(np
ni2 )
热平衡时
n p n0 p0 ni2
ui 0
非平衡态时
n n0 n
p p0 p
p n nt
p
0
p(x) Ae1x Be2x
L2p2 Lp ( ) 1 0
Lp ( )
L2p ( ) 4L2p
2L2p
1 Lp ( )
L2p ( ) 4L2p
2L2p
0
2
Lp ( )
L2p ( ) 4L2p
2L2p
0
对很厚的样品： p() 0
x ,
0 Ae1 Be2
A=0， p(x) Be2x
(1) 表面粗糙度 (2) 表面积与总体积的比例 (3) 与表面的清洁度、化学气氛有关 在考虑表面复合后，总的复合几率为：
1 1 1
v s
§5.4 陷阱效应
一、陷阱效应的类型
● 对于 rn rp 的杂质，
电子的俘获能力远大于俘获空穴的能力， 称为电子陷阱。
● 对于 rp rn 的杂质，
俘获空穴的能力远大于俘获电子的能力，
当复合达到稳态时
ui rn (Nt nt )n rnn1nt
其中：nt为复合中心的电子浓度
nt
N t (rn n rp p1 ) rn (n n1 ) rp ( p
p1 )
ui
rn (n
rn rp N t n1 ) rp ( p
p1 )
(np
n1 p1 )
其中：
Ec Et
n1 Nce KT
Et Ev
p1 N v e KT
ui
rn (n
N t rn rp n1 ) rp ( p
p1 )
(np
ni2 )
热平衡时
n p n0 p0 ni2
ui 0
非平衡态时
n n0 n
p p0 p
p n nt
第5章 非平衡载流子-赵老师-2012.
准费米能级(Quasi-Fermi Level ) 费米分布函数是用来描述同一量子态系统中平衡状态 下的电子按能级的分布的,也即只有平衡状态下才可 能有“费米能级”. 对于热平衡状态下的非简并系统，有：
EC EF n＝N C exp － k T 0 EF EV － P＝NV exp k 0T
n p EF EF np＝n 0 p 0exp kT 0
n p 2 EF EF ＝ n exp i kT 0
27
物理与光电工程学院
§5.2
非平衡载流子的寿命
非平衡载流子的复合率U: 单位时间单位体积净复合消失的电 子-空穴对数 设单位时间内非平衡载流子的复合几率为1/. 若t 时刻的非平衡载流子浓度为p(t), 则非平衡载流子的 复合率为: U=p/
有
n Ec E F k 0T p EF Ev k 0T
和
n0 N c e p0 N v e
p EF Ev k 0T
Ec E F k 0T E F Ev k 0T
n Nce n0 Nce
23
n Ec E F k 0T
29
物理与光电工程学院
Δpt ＝Δp (0)e
同理对P型有
t / p
Δnt ＝Δn (0)e-t/τ n
的意义:
30
就是p
t 衰减到
p(0) 的1/e所需的时间
物理与光电工程学院
衰减过程中从t到t＋dt内复合掉的过剩空穴
dpt ＝－
pt
p
dt
因此，p(0)个过剩载流子的平均可生存时间为：
半导体物理：非平衡载流子
所经历的特征时间。
锗：104μs
硅：103μs
砷化镓：10-8~10-9s
显然越大，非平衡载流子浓度减小得越慢
不同材料的少子寿命
不同材料的少子寿命相差很大。一般而言，直接禁带半导体的少子寿命较短，间 接禁带半导体的少子寿命较长。锗、硅、砷化镓相比，锗的少子寿命最长，硅次 之，砷化镓少子寿命最短.锗单晶中少子寿命最长可超过10 ms，而砷化镓的少子 寿命一般在ns范围。同种材料的少子寿命在不同状况下变化范围也很大。纯度和 晶格完整性特别好的硅单晶的少子寿命最长可达1ms以上，制造功率器件的区熔 硅的寿命一般在几十到几百微秒的范围，而含有微量重金属杂质或晶格缺陷的硅 ，其寿命也可降到ns量级。
t
p(t) Ce
d p(t) p(t)
dt
边界条件
p(0) (p)0
t
p(t) (p)0 e
表明光照停止后非平衡载流子浓度随时间按指数规律衰减。
非平衡载流子寿命
t
tp(t)dt te dt
t
0
0 t
p(t)dt
e dt 0
0
，
利用公式
e x dx
1
0
0
x n e x dx
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
n!
n1
非平衡载流子寿命 就是其平均生存时间。
t
p(t) (p)0 e
令 t
p(t) (p)0 / e 1 0.37 e
寿命定义1
寿命定义2
不同的材料，非平 衡载流子寿命不同
寿命
寿命定义3；由于外界 的干扰（光注入、电注 入等），热平衡系统进 入非平衡系统，当外干 扰去除后，非平衡系统 自发的向平衡系统恢复
锗：104μs
硅：103μs
砷化镓：10-8~10-9s
显然越大，非平衡载流子浓度减小得越慢
不同材料的少子寿命
不同材料的少子寿命相差很大。一般而言，直接禁带半导体的少子寿命较短，间 接禁带半导体的少子寿命较长。锗、硅、砷化镓相比，锗的少子寿命最长，硅次 之，砷化镓少子寿命最短.锗单晶中少子寿命最长可超过10 ms，而砷化镓的少子 寿命一般在ns范围。同种材料的少子寿命在不同状况下变化范围也很大。纯度和 晶格完整性特别好的硅单晶的少子寿命最长可达1ms以上，制造功率器件的区熔 硅的寿命一般在几十到几百微秒的范围，而含有微量重金属杂质或晶格缺陷的硅 ，其寿命也可降到ns量级。
t
p(t) Ce
d p(t) p(t)
dt
边界条件
p(0) (p)0
t
p(t) (p)0 e
表明光照停止后非平衡载流子浓度随时间按指数规律衰减。
非平衡载流子寿命
t
tp(t)dt te dt
t
0
0 t
p(t)dt
e dt 0
0
，
利用公式
e x dx
1
0
0
x n e x dx
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
n!
n1
非平衡载流子寿命 就是其平均生存时间。
t
p(t) (p)0 e
令 t
p(t) (p)0 / e 1 0.37 e
寿命定义1
寿命定义2
不同的材料，非平 衡载流子寿命不同
寿命
寿命定义3；由于外界 的干扰（光注入、电注 入等），热平衡系统进 入非平衡系统，当外干 扰去除后，非平衡系统 自发的向平衡系统恢复
半导体物理与器件 第五章非平衡载流子解读
D p
d 2p dx 2
p
Dn
d 2n dx 2
n
但p( x)、n( x)仍是空间x的函数
上述两个方程的解：
p(x) Aexp( x ) B exp( x )
Lp
Lp
n(x) C exp( x ) B exp( x )
Ln
Ln
Lp Dp p 空穴扩散长度 Ln Dn n 电子扩散长度
第五章非平衡载流子
5.1非平衡载流子的注入与复合 5.2 非平衡载流子的寿命 5.3准费米能级 *5.4复合理论 *5.5 陷阱效应 5.6 载流子的扩散方程 5.7 载流子的漂移运动，爱因斯坦关系式 5.8 连续性方程
5.1非平衡载流子的注入与复合
过剩载流子的产生： ①光注入
光照使半导体产生非平衡载流子
光照
1
1
0
2 0
R
L S
l
s
2 0
V IR p
半导体R1
V R2>>R1
5.1非平衡载流子的注入与复合
②电注入：
二极管加正向电场，n区的 电子扩散到p区，p区的空穴 扩散到n区
p
n
P区
p n
p0 n0
p n
n区
p n
p0 p n0 n
加反向电场，少子抽取，n区空穴飘移到p区，p 区的电子飘移到n区
5.1非平衡载流子的注入与复合
光生过剩电子和过剩空穴的浓度 非平衡载流子通常指非平衡少数载流子
5.1非平衡载流子的注入与复合
非简并半导体，处于热平衡时，电子浓度n0，空穴
浓度P0
Eg
n0 p0 ni2 Nc Nve k0T
如果对半导体施加外界作用，半导体处于非平衡状
半导体物理第五章教材
p、p0、ni之间的关系为：
p N ve x E F k p 0 T n E v p 0 e x E F k 0 p T E F p n ie x E ik 0 T p E F p
22
3. 准费米能级的位置 由上式可知，无论是电子还是空穴，非平衡载流子越多，
第五章 非平衡载流子
处于热平衡状态的半导体，在一定温度下，载流子浓度 是一定的。这种处于热平衡状态下的载流子浓度称为平衡载 流子浓度。在非简并情况下，电子、空穴浓度的乘积为：
n0p0NcNvexpkE0T g ni2
该式说明，在一定温度下，任何非简并半导体的热平衡载流子 浓度的乘积n0p0等于该温度时的本征载流子浓度ni的平方，与 所含杂质无关。该式适用于本征半导体材料和杂质半导体材 料。也是非简并半导体处于热平衡状态的判据式。
用半导体的光磁电效应的原理，该方法适合于测量短的寿 命，在砷化镓等Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体中用得最多； 还有扩散长度法、双脉冲法及漂移法等。
不同的材料寿命很不相同。纯度和完整性特别好硅、锗 材料，寿命分别可达103μs、104μs；砷化镓的寿命极短，约为 10-5～10-6μs，或更低。即使是同种材料，在不同的条件 下，寿命也可在—个很大的范围内变化。
少子准费米能级
少子准费米能级
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4. 载流子浓度乘积
n p n 0p 0ex E F p k 0 n T E F pn i2ex E F p k 0 n T E F p
EFn和EFp偏离的大小直接反映np和ni2相差的程度，即反 映了半导体偏离热平衡态的程度： 偏离越大，说明不平衡情况越显著； 两者靠得越近，说明越接近平衡态； 两者重合时，形成统一的费米能级，半导体处于平衡态。
第五章非平衡载流子
净复合率为：
Ud = r ( n0 + p0 ) + Δ p Δ p 非平衡态
二、直接复合
2、非平衡载流子的寿命
τ
=
Δp Ud
=
r (n0
1
+ p0 +Δp )
( ) τ 小注入时： ≈ 1 r n0 + p0
①寿命不随注入程度变化 ②寿命与温度和掺杂有关
τn ≈ 1 rn0 (n型)
τ p ≈ 1 rp0 (p型)
大注入时： τ ≈ 1 rΔp
寿命与注入程度有关
窄禁带半导体 直接禁带半导体
三、间接复合
¾复合中心——禁带中引入深能级的缺陷和杂质，促进复合过程。 ¾间接复合的四个基本过程：
甲：电子俘获 乙：电子激发
丙：空穴俘获 丁：空穴激发
甲、电子俘获； 丙、空穴俘获； 导带电子和价带空穴都被复合中心俘获， 在复合中心完成复合。
τ
≈
rn
(n0 + n1 ) + rp ( ( Nt rnrp n0 +
p0 p0
+
)
p1
)
三、间接复合
5、有效复合中心
( ) U
=
rn
Nt rnrp
(n + n1 ) + rp (
p
+
p1 )
np − ni2
若假设rn=rp=r，代入n1，p1，则
U=
( ) Ntr np− ni2
n
+
p
+
2
⎛ nich ⎜
=
Dp
d2 Δp(
dx2
x)
稳态扩散时积累率等于复合率：
Ud = r ( n0 + p0 ) + Δ p Δ p 非平衡态
二、直接复合
2、非平衡载流子的寿命
τ
=
Δp Ud
=
r (n0
1
+ p0 +Δp )
( ) τ 小注入时： ≈ 1 r n0 + p0
①寿命不随注入程度变化 ②寿命与温度和掺杂有关
τn ≈ 1 rn0 (n型)
τ p ≈ 1 rp0 (p型)
大注入时： τ ≈ 1 rΔp
寿命与注入程度有关
窄禁带半导体 直接禁带半导体
三、间接复合
¾复合中心——禁带中引入深能级的缺陷和杂质，促进复合过程。 ¾间接复合的四个基本过程：
甲：电子俘获 乙：电子激发
丙：空穴俘获 丁：空穴激发
甲、电子俘获； 丙、空穴俘获； 导带电子和价带空穴都被复合中心俘获， 在复合中心完成复合。
τ
≈
rn
(n0 + n1 ) + rp ( ( Nt rnrp n0 +
p0 p0
+
)
p1
)
三、间接复合
5、有效复合中心
( ) U
=
rn
Nt rnrp
(n + n1 ) + rp (
p
+
p1 )
np − ni2
若假设rn=rp=r，代入n1，p1，则
U=
( ) Ntr np− ni2
n
+
p
+
2
⎛ nich ⎜
=
Dp
d2 Δp(
dx2
x)
稳态扩散时积累率等于复合率：
半导体物理第五章 非平衡载流子
②当有外界作用时(如光照)，破坏了产生和复合之间 的相对平衡，产生率将大于复合率，使半导体中载 流子的数目增多,即产生非平衡载流子。但随着非平 衡载流子数目的增多，复合率也相继增大。当产生 和复合这两个过程的速率相等时，非平衡载流子数 目不再增加,达到稳定值。
③在外界作用撤除以后，复合率超过产生率，结果使 非平衡载流子逐渐减少，最后恢复到热平衡状态。
G0 R0
由此，可得出产生率
G G0 rn0 p0 rni2
§5.4 复合理论
§5.4.1 直接复合
2. 净复合率和寿命
非平衡情况下，G≠R，电子-空穴对的净复合率
Ud为
Ud R G rnp n0 p0
把 n n0 和n p 代p入0 上p式，在 的情况n下 ，p 有：
Ud rn0 p0 pp
§5.4 复合理论
§5.4.1 直接复合
导带的电子直接跃迁到价带中的空状态，实现电 子-空穴对的复合, 这就是直接复合过程，其逆过程是 电子由价带跃迁到导带产生电子-空穴对。如图中它 们用a来表示，其逆过程就是本征激发过程（如图中 b）
Ec
a
b
Ev
§5.4 复合理论
§5.4.1 直接复合
1. 直接复合的复合率和产生率（主要考虑非简并）
§5.3 准费米能级
在热平衡的非简并半导体中,电子和空穴浓度以及它 们的乘积可以分别表示为
n0
Nc
exp
Ec EF kT
p0
Nv
exp
EF Ev kT
n0 p0 ni2
在热平衡情况下可以用统一的费米能级EF描述半
导体中电子在能级之间的分布,当有非平衡载流子存在 时,不再存在统一的费米能级,在这种情况下,处于非平 衡状态的电子系统和空穴系统,可以定义各自的费米能 级,称为准费米能级，它们都是局部的费米能级，包括 导带（电子）准费米能级EFn和价带（空穴）准费米能 级EFP。
③在外界作用撤除以后，复合率超过产生率，结果使 非平衡载流子逐渐减少，最后恢复到热平衡状态。
G0 R0
由此，可得出产生率
G G0 rn0 p0 rni2
§5.4 复合理论
§5.4.1 直接复合
2. 净复合率和寿命
非平衡情况下，G≠R，电子-空穴对的净复合率
Ud为
Ud R G rnp n0 p0
把 n n0 和n p 代p入0 上p式，在 的情况n下 ，p 有：
Ud rn0 p0 pp
§5.4 复合理论
§5.4.1 直接复合
导带的电子直接跃迁到价带中的空状态，实现电 子-空穴对的复合, 这就是直接复合过程，其逆过程是 电子由价带跃迁到导带产生电子-空穴对。如图中它 们用a来表示，其逆过程就是本征激发过程（如图中 b）
Ec
a
b
Ev
§5.4 复合理论
§5.4.1 直接复合
1. 直接复合的复合率和产生率（主要考虑非简并）
§5.3 准费米能级
在热平衡的非简并半导体中,电子和空穴浓度以及它 们的乘积可以分别表示为
n0
Nc
exp
Ec EF kT
p0
Nv
exp
EF Ev kT
n0 p0 ni2
在热平衡情况下可以用统一的费米能级EF描述半
导体中电子在能级之间的分布,当有非平衡载流子存在 时,不再存在统一的费米能级,在这种情况下,处于非平 衡状态的电子系统和空穴系统,可以定义各自的费米能 级,称为准费米能级，它们都是局部的费米能级，包括 导带（电子）准费米能级EFn和价带（空穴）准费米能 级EFP。
半导体物理第5章非平衡载流子
* 平衡态与非平衡态间的转换过程：
热平衡态: 产生率等于复合率,△n =0; 外界作用: 非平衡态,产生率大于复合率,△n 增大; 稳定后: 稳定的非平衡态,产生率等于复合率,△n 不变; 撤销外界作用: 非平衡态,复合率大于产生率,△n 减小; 稳定后 : 初始的热平衡态(△n =0)。
2. 非平衡载流子的检验
费米能级相同的原因：
半导体处于热平衡状态，即从价带激发 到导带的电子数等于从导带跃迁回价带的电子 数，使得导带中的电子的费米能级和和价带中 空穴的费米能级产生关联，即相等。
从而使得电子和空穴的浓度满足:
np
NC
NV
exp－
Eg K0T
＝n
2 i
当半导体处于非平衡态时,有附加的载流 子产生。此时电子和空穴间的激发和复合的 平衡关系被破坏，导带中的电子分布和价带 中的空穴分布不再有关联，也谈不上它们有 相同的费米能级。
可见，EF和n E的Fp 偏离的大小直接反映出 （n或p ）
与 相n0差p0的程度n，i2 即反映出半导体偏离热平衡
态的程度。
若两者靠得越近，则说明非平衡态越 接近平衡态。
对于n型半导体，准费米能级偏离平衡费米能级 示意图如下图所示：
EC
EF
EFn
EFp
特点：
EV
E
n F
- EF
EF
EFp
课堂练习5 证明对于n型半导体，准费米能级偏离平衡费米能级满足
恢复平衡态 产生率＝复合率
n0、p
不变
0
非平衡载流子复合过程的两种基本形式：
直接复合： 电子在导带和价带之间直接跃迁而产生复合
间接复合：
Ec
电子和空穴通过禁带的能级进行复
热平衡态: 产生率等于复合率,△n =0; 外界作用: 非平衡态,产生率大于复合率,△n 增大; 稳定后: 稳定的非平衡态,产生率等于复合率,△n 不变; 撤销外界作用: 非平衡态,复合率大于产生率,△n 减小; 稳定后 : 初始的热平衡态(△n =0)。
2. 非平衡载流子的检验
费米能级相同的原因：
半导体处于热平衡状态，即从价带激发 到导带的电子数等于从导带跃迁回价带的电子 数，使得导带中的电子的费米能级和和价带中 空穴的费米能级产生关联，即相等。
从而使得电子和空穴的浓度满足:
np
NC
NV
exp－
Eg K0T
＝n
2 i
当半导体处于非平衡态时,有附加的载流 子产生。此时电子和空穴间的激发和复合的 平衡关系被破坏，导带中的电子分布和价带 中的空穴分布不再有关联，也谈不上它们有 相同的费米能级。
可见，EF和n E的Fp 偏离的大小直接反映出 （n或p ）
与 相n0差p0的程度n，i2 即反映出半导体偏离热平衡
态的程度。
若两者靠得越近，则说明非平衡态越 接近平衡态。
对于n型半导体，准费米能级偏离平衡费米能级 示意图如下图所示：
EC
EF
EFn
EFp
特点：
EV
E
n F
- EF
EF
EFp
课堂练习5 证明对于n型半导体，准费米能级偏离平衡费米能级满足
恢复平衡态 产生率＝复合率
n0、p
不变
0
非平衡载流子复合过程的两种基本形式：
直接复合： 电子在导带和价带之间直接跃迁而产生复合
间接复合：
Ec
电子和空穴通过禁带的能级进行复