第一章-非平衡载流子

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1、第一章第一章光电材料与器件基础光电材料与器件基础主主 要要 内内 容容 半导体基础半导体基础 非平衡载流子非平衡载流子 PNPN结、金属结、金属- -半导体结半导体结 半导体异质结构半导体异质结构1.1.电子波函数、布洛赫定理电子波函数、布洛赫定理 (1-2)(1-1)一、半导体基础一、半导体基础(1-2)(1-3)(1-4)(1-5)(1-5)(1-5)(1-6)k7. 在有限大小的实际晶体中，采用波恩-卡门周期性边界条件，波矢量k具有如下性质： 波矢量k标志着晶体中电子的运动状态，每个波矢量k代表电子在晶体中的一个空间运动量子态； k限制在第一布里渊区； 在第一布里渊区k取分立值； 每个k

2、的代表点所占的体积为 ； 单位k空间状态密度为 ； 每个倒原胞中k的代表点数等于晶体的总原胞数N。2.2.能带能带kkk kk3.3.有效质量有效质量k空间中具有9个分量的三维二阶张量 4.4.电子、空穴电子、空穴1. 1. 能带理论指出，如果一个晶体具有不满的能带存在，则该能带理论指出，如果一个晶体具有不满的能带存在，则该晶体具有导电性。晶体具有导电性。2. 2. 在热平衡情况下，由于电子在状态中的对称分布，诸电子在热平衡情况下，由于电子在状态中的对称分布，诸电子对电流的贡献彼此两两抵消，无论是满带电子还是不满带中对电流的贡献彼此两两抵消，无论是满带电子还是不满带中的电子都不能引起电导。的电

3、子都不能引起电导。3. 3. 在有电场的情况下，满带中的电子也不能起导电作用，不在有电场的情况下，满带中的电子也不能起导电作用，不满带中的电子有导电作用。满带中的电子有导电作用。4. 4. 半导体和绝缘体的差别仅在于半导体禁带宽度比较窄。半导体和绝缘体的差别仅在于半导体禁带宽度比较窄。5. 5. 空穴处于波矢量空穴处于波矢量k k描述的状态，携带电荷描述的状态，携带电荷+q+q，具有正的有效，具有正的有效质量。质量。 5.5.杂质和缺陷能级杂质和缺陷能级 6.6.载流子的统计分布载流子的统计分布 多子多子少子少子*施主浓度增加，施主浓度增加，E EF F靠近导带底。靠近导带底。导带之下导带之下

4、本征费米能级之上本征费米能级之上 简并半导体简并半导体在重掺杂半导体中费米能级可以接近或进入能在重掺杂半导体中费米能级可以接近或进入能带，这种现象称为载流子的简并化，这种半带，这种现象称为载流子的简并化，这种半导体为简并半导体。使用费米分布函数来分导体为简并半导体。使用费米分布函数来分析能带中载流子的统计分布。析能带中载流子的统计分布。简并半导体中，杂质浓度增加到一定程度会使简并半导体中，杂质浓度增加到一定程度会使杂质能级形成杂质带并形成能带的带尾。带杂质能级形成杂质带并形成能带的带尾。带尾使尾使n型半导体的禁带变窄，型半导体的禁带变窄，p型半导体的型半导体的禁带变宽。禁带变宽。隧道结器件和半

5、导体激光器都是使用重掺杂的隧道结器件和半导体激光器都是使用重掺杂的简并半导体。简并半导体。7.7.载流子的散射和输运载流子的散射和输运4. 4. 处于处于EcEc以上能级的电子和以上能级的电子和EvEv以下能级的空以下能级的空穴都具有一部分动能。当有外电场加于半导穴都具有一部分动能。当有外电场加于半导体时，能带图会倾斜，给电子和空穴以动能。体时，能带图会倾斜，给电子和空穴以动能。5. 5. 有时由于偶然或需要的原因，会在半导体有时由于偶然或需要的原因，会在半导体中引入非均匀的杂质分布。非均匀的杂质分中引入非均匀的杂质分布。非均匀的杂质分布会在半导体中形成电场，成为自建电场，布会在半导体中形成电

6、场，成为自建电场，这种自建电场往往被应用来改进器件的性能。这种自建电场往往被应用来改进器件的性能。二、非平衡载流子二、非平衡载流子非平衡态：对半导体施加外界作用，破坏了热平衡非平衡态：对半导体施加外界作用，破坏了热平衡的条件，使系统处于对平衡态的相偏离的状态。的条件，使系统处于对平衡态的相偏离的状态。相应的：相应的： n=n0+ n p=p0+ p 且且 n= p非平衡载流子非平衡载流子： n和和p（过剩载流子过剩载流子）1、非平衡载流子的注入与复合、非平衡载流子的注入与复合 载流子的载流子的光注入：光注入：用光照射半导体产生非平衡载用光照射半导体产生非平衡载流子的方法。流子的方法。hvcEV

7、E小注入小注入大注入：大注入：注入的过量载流子注入的过量载流子浓度浓度n n可以和热平衡多子浓度可以和热平衡多子浓度n n0 0相比较。相比较。00000()()nnnnnnppppppnp SoSo，非平衡少数载流子，非平衡少数载流子在器件中起重要作用在器件中起重要作用非平衡少数载流子非平衡少数载流子非平衡载流子非平衡载流子 载流子的载流子的电注入：电注入：PN结加正向偏压结加正向偏压金属和半导体接触金属和半导体接触 非平衡载流子的复合非平衡载流子的复合：当外界作用撤除后，即：当外界作用撤除后，即停止注入，系统从非平衡态回到平衡态，电子停止注入，系统从非平衡态回到平衡态，电子-空空穴对成对消

8、失的过程。穴对成对消失的过程。 载流子的载流子的产生率产生率：单位时间单位体积内产生的：单位时间单位体积内产生的载流子数目；载流子数目； 载流子的载流子的复合率复合率：单位时间单位体积内复合的：单位时间单位体积内复合的载流子数目；载流子数目； 产生率产生率 vs 复合率复合率寿命非平衡载流子的平均生存时间子的复合几率单位时间内非平衡载流1的复合几率单位时间内非平衡空穴的复合几率单位时间内非平衡电子例如pn11 dttpd 载流子的减少数则在单位时间内非平衡pp非平衡载流子数而在单位时间内复合的0t 如果在时刻撤除光照, (1)pdp tpdt则 10(2)ptp tpe 为常数解方程得到 0(

9、3)ntn tne 寿命标志着非平衡载流子浓度减小到原值的寿命标志着非平衡载流子浓度减小到原值的1/e1/e所经历的时所经历的时间。寿命不同，衰减的快慢不同。间。寿命不同，衰减的快慢不同。讨论：讨论：非平衡载流子平均生存时间（等于寿命）：非平衡载流子平均生存时间（等于寿命）：/0000( )/( )/()( )/,( )(0)/ttttd p td p ttedtedtp tp tetp tpe 而若取则 不同的材料不同的材料寿命不同。一般，锗比硅容易获得较高寿命，而寿命不同。一般，锗比硅容易获得较高寿命，而GaAsGaAs的寿命很短（的寿命很短（1010-8-81010-9-9 s s）。）

10、。光照时，光照时，R R r r ，电阻变，电阻变化很小，化很小，I I 不变。不变。直流光电导衰减法测寿命直流光电导衰减法测寿命20011r 电路中，半导体的电阻电路中，半导体的电阻为为r r， 串联电阻为串联电阻为R R， R R r r 。外加电压为。外加电压为V VpV 在非平衡状态下费米能级失去了意义。非平衡态在非平衡状态下费米能级失去了意义。非平衡态的电子与空穴各自处于热平衡态的电子与空穴各自处于热平衡态-准平衡态，但具准平衡态，但具有相同的晶格温度：有相同的晶格温度：2、准费米能级、准费米能级 无论是电子还是空穴，非平衡载流子越多，准费米无论是电子还是空穴，非平衡载流子越多，准费