高二物理竞赛非平衡载流子课件.pptx

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1、表表面面复合中心复合中心非平衡载流子的非平衡载流子的基本性质及其运动规律基本性质及其运动规律（激发、运动、复合）（激发、运动、复合）光敏电阻光敏电阻二极管整流二极管整流晶体管的放大晶体管的放大光电光电发光发光.半导体物理重要内容之一半导体物理重要内容之一半导体器件工作原理的基础半导体器件工作原理的基础价带电子价带电子 晶格原子热振动获取能量晶格原子热振动获取能量 激发到导带激发到导带电子空穴产生电子空穴产生导带电子导带电子价带空穴价带空穴交给晶格原子多余的能量交给晶格原子多余的能量复合、消失复合、消失电子空穴复合电子空穴复合在单位时间、单位体积内产生的数目在单位时间、单位体积内产生的数目Q产生

2、率产生率在单位时间、单位体积内消失的数目在单位时间、单位体积内消失的数目R复合率复合率特定温度下产生产生 复合复合稳态稳态相互平衡相互平衡热平衡状态（热平衡状态（动态、相对动态、相对）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平衡载流子浓度平衡载流子浓度n0、p02i0gcv00)exp(nTkENNpn非简并半导体处于热平衡状态的判据式非简并半导体处于热平衡状态的判据式 本征载流子浓度本征载流子浓度ni只是温度的函数只是温度的函数 在非简并情况下，无论掺杂多少，在非简并情况下，无论掺杂多少，平衡载流子浓度必定满足上式平衡载流子

3、浓度必定满足上式热激发（本征）热激发（本征）导带电子导带电子价带空穴价带空穴载流子复合载流子复合热平衡状态热平衡状态T1T热平衡载流子热平衡载流子：一定温度下，处于热平衡状态下的导电电子和空穴：一定温度下，处于热平衡状态下的导电电子和空穴热激发（本征）热激发（本征）导带电子导带电子价带空穴价带空穴载流子复合载流子复合热平衡状态热平衡状态T22i00npn费米或波耳兹曼分布）唯一的费米能级（服从 非平衡态非平衡态：处于热平衡态的半导体，在外界条件作用下，破坏了：处于热平衡态的半导体，在外界条件作用下，破坏了 平衡条件，处于与热平衡态相偏离的状态。平衡条件，处于与热平衡态相偏离的状态。 非平衡载流

4、子非平衡载流子：比平衡状态多出来的部分载流子（过剩载流子）。：比平衡状态多出来的部分载流子（过剩载流子）。n 、p 表示非平衡状态的载流子浓度表示非平衡状态的载流子浓度n0、p0表示热平衡状态的载流子浓度表示热平衡状态的载流子浓度非平衡载流子浓度非平衡载流子浓度n = n n0p = p p0 一般讨论一般讨论n0（或（或p0）即存在过剩载流子的情况）即存在过剩载流子的情况热平衡的状态热平衡的状态非平衡少数载流子注入与复合非平衡少数载流子注入与复合非平衡载流子的注入：非平衡载流子的注入：外界作用使半导体中产生非平衡载流子的过程。外界作用使半导体中产生非平衡载流子的过程。 光注入：适当波长的光照

5、射半导体表面光注入：适当波长的光照射半导体表面 电注入：电注入：pn结施加正向偏压（结施加正向偏压（Why?) 光照产生非平衡载流子光照产生非平衡载流子满足一定条件满足一定条件ghEn= n0+np= p0 +p平衡载流子满足费米狄拉克统计分布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过剩载流子不满足费米狄拉克统计分布2innp 且公式且公式不成立不成立载流子的产生和复合：电子和空穴增加和消失的过程载流子的产生和复合：电子和空穴增加和消失的过程过剩载流子过剩载流子n型半导体：平衡状态时的电子是多数载流子；型半导体：平衡状态时的电子是多数载流子； 非平衡态时注入的电子非平

6、衡态时注入的电子n称为称为非平衡多数载流子非平衡多数载流子， 而注入的空穴而注入的空穴p称为称为非平衡少数载流子非平衡少数载流子。p型半导体：型半导体：平衡状态时的空穴是多数载流子；平衡状态时的空穴是多数载流子；非平衡态时注入的空穴非平衡态时注入的空穴p称为称为非平衡多数载流子，非平衡多数载流子， 注入的空穴注入的空穴n称为称为非平衡少数载流子非平衡少数载流子。平衡时平衡时 过剩载流子过剩载流子电中性条件：电中性条件：小注入条件小注入条件0000,pnn nnnpppp注入的非平衡载流子浓度比平衡时的多数载流子浓度小的多注入的非平衡载流子浓度比平衡时的多数载流子浓度小的多N型材料型材料P型材料

7、型材料说明：说明： 即使在小注入的情况下，非平衡载流子浓度还是可以比平衡时即使在小注入的情况下，非平衡载流子浓度还是可以比平衡时的少数载流子浓度多的少数载流子浓度多 。 通常说的非平衡载流子，通常说的非平衡载流子，一般都是指非平衡少数载流子一般都是指非平衡少数载流子。 若不满足上述条件，则称为大注入。若不满足上述条件，则称为大注入。一般情况下的载流子注入，一般情况下的载流子注入，都是小注入。都是小注入。9310 /npcm14310 /,DNcm例：室温下一受到微扰的掺杂硅，例：室温下一受到微扰的掺杂硅， 判断其是否满足小注入条件？判断其是否满足小注入条件？1432630010 /,/10 /

8、DiDnNcmpnNcm93143000,10 /10 /nnnnpcmncm解：解：满足小注入条件！（满足小注入条件！（ ）0pp热平衡时： 000pnp qn q非平衡时： 00000()()()pnpnpnnppqnqpp qnn qp qn qpq,EIRrRr非平衡时的附加电导非平衡时的附加电导附加电导附加电导0000200000()11() 2200LLLrSSS rVIrp 电压降的变化与非平衡载流子成正比()npnpnqpqpqp 电压降的变化间接反映了非平衡载流子的变化非平衡载流子的寿命非平衡载流子的寿命(1)(1)光注入光注入(2)(2)光照停止光照停止pVV,随时间按随时间按指数规律指数规律减少减少非平衡载流子的寿命非平衡载流子的寿命外界作用消失后，非平衡载流子在导带和价带中有一定的生存外界作用消失后，非平衡载流子在导带和价带中有一定的生存时间，其时间，其平均生存时间称为非平衡载流子的寿命平均生存时间称为非平衡载流子的寿命，理论推导为，理论推导为非平衡载流子浓度非平衡载流子浓度 衰减到原来数值衰减到原来数值1/e 1/e 所经历时间。所经历时间。