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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gEh 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（injection） 。5.4. 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 recombinationdirect 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):通过位于禁带中的杂通过位于禁带中的杂质或缺陷能级的中间过渡。质或缺陷能级的中间过渡。 表面复合表面复合(surface recombinationrecombination)：在半导体表面发生的：在半导体表面发生的 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。从释放能量的方法分从释放能量的方法分:Radiative recombination (辐射复合辐射复合)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） 产生率产生率G Generation rate：单位时间和单位体积内所产单位时间和单位体积内所产生的电子生的电子-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-空穴对数空穴对数非平衡载流子的直接净复合非平衡载流子的直接净复合)(2000idnnprprnrnpGRU净复合率净复合率=复合率复合率-产生率产生率U=R-Gpnpppnnn00代入代入)(200pppnrUd非平衡载流子寿命：非平衡载流子寿命：ppnrUpd001小注入：小注入：001pnrUpdn型型材料：材料：2 2 间接复合间接复合( (in indirect recombination)direct recombination) 半导体中的杂质和缺陷在禁带中形成一定的能级，它们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有促进复合的作用。这些杂质和缺陷称为复合中心复合中心。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 emissiontnnpctnnetppetppnc电子俘获电子俘获(capture)率：率：空穴俘获率：空穴俘获率：电子产生电子产生(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= =tnnpctnne-tppnctppe00tnpnc0tnne=00tpnpc0tppe000tnttnnenNncTkEEcntttnntceNcnnNnce0)(000TkEEctceNn01 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。1ncn同理，得同理，得空穴俘获率空穴俘获率=空穴产生率空穴产生率10pceNcepTkEEvppvtTkEEvtep01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。=00tpnpc0tppe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tnnpctnnetppetppnc-=-1ncenn1pcepp和又)()()(111ppcnnccpncNnpnpntt净复合率：净复合率：U=U=俘获电子俘获电子- -发射电子发射电子= =)(1)(1112ppNcnnNcnnpUtntpi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tnnpctnne-注意到：注意到：211inpn)(1)(11010200pppNcpnnNcppppnUtntp非平衡载流子的寿命为非平衡载流子的寿命为)()()(001010ppnccNpppcpnncUppntpn)()()(001010pnccNppcnncUppntpn小注入条件下小注入条件下)()()(001010ppnccNpppcpnncUppntpn分析讨论分析讨论:FE. 1(设设EtEi)(1)强强n型型)()()(001010pnccNppcnncUppntpnpptcN1N0n1P0,p1可以省略(2)弱弱n型型)()()(001010pnccNppcnncUppntpn01011nnnncNppt可以省略p0，p1N1n0(3)弱弱p型型)()()(001010pnccNppcnncUppntpn010111pnpncNpptP0n0?(4)强强p型型)()()(001010pnccNppcnncUppntpnnnTcN1tE. 2)(1)(1112ppNcnnNcnnpUtntpiTkEEchnpnnnpcNUitiit022)(TkEEchnpnnnpCNUitiit022)(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npntptcNcN11)()()(001010ppnccNpppcpnncUppntpn3 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，表半导体表面状态对非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。面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。sspsU)(020202pnpnRpnrRnnAnn00nnGGnnnn（2） 俄歇复合俄歇复合（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：产生原因：电子陷阱电子陷阱空穴陷阱空穴陷阱例题例题1 1)()()(001010pnccNppcnncUppntpn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-产生产生中心的位置，并说明它能否成为有效的复合中心？中心的位置，并说明它能否成为有效的复合中心？5.5 5.5 非平衡载流子的扩散（非平衡载流子的扩散（DiffusionDiffusion）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dxnd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 截面积的空穴数）截面积的空穴数） dxndxSn dxxdnxSn dxndDxSnnD Dn n-电子扩散系数（电子扩散系数（ electron electron diffusion coefficients coefficients） xxSxSnn-单位时间在小体积单位时间在小体积xx1 1中中积累的电子数积累的电子数扩散定律扩散定律 dxxdSxxxSxSnnnlim0 x - -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时，积累稳态时，积累= =损失损失 nnxndxxdS nnxndxxndD22那么稳态扩稳态扩散方程散方程 nnxndxxndD22三维三维nnnnD2球坐标球坐标nnndrpdrdrdrD)(122 nnLxLxBeAexn得解方程,称作扩散长度其中nnnDL若样品足够厚若样品足够厚 00Bxnx有 0,0nxnx 时又 nLxenxn0最后得01neLnn注意到nLx 若样品厚为若样品厚为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 nnLxLxBeAexn带入方程得得)sinh()sinh()()(0nnLWLxWnxn当当WLn时，时，）（Wxnxn1)()(0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 dxxpdqDxqSJppp扩电子的扩散电流密度电子的扩散电流密度 dxxndqDxqSJnnn扩v 扩散电流密度扩散电流密度 xnLDqenLDqdxxndqDxqSJnnLxnnnnnn0扩 xpLDqepLDqdxxpdqDxqSJppLxpppppp0扩 dxxndqDqnJJJnnnnn扩漂 dxxpdqDqpJJJppppp扩漂pnJJJ总 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ppxqpJ）（漂0 dxxdpqDxqSJppp0扩qTkD0（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：0扩漂nnJJ最后得最后得qTkDnn0 qTkDpp0 dxxdVTkqxpdxxdpTkExqVEeNxpFvv00000)()()()(同理同理dxdV而52 结束语结束语
