第六章1 载流子的产生与复合

载流子的复合概念载流子的复合是指在半导体中，自由电子和空穴之间的复合过程。

在半导体材料中，载流子是电子和空穴，它们在外加电场或温度梯度的作用下，在晶体中移动，从而形成电流。

然而，当电子和空穴相遇时，它们可能会发生复合，导致电流的衰减和能量的损失。

载流子的复合可以通过三种途径发生：辐射复合、非辐射复合和边界复合。

辐射复合是指当电子和空穴相遇时，它们会发生辐射能量的损失，即发射光子。

这种复合方式在光电子器件中起着重要作用，例如LED和激光二极管。

非辐射复合是指载流子之间的能量转移而不发射光子。

这种复合方式通常发生在能带结构较为复杂的半导体材料中。

例如，在一些半导体材料中，电子会在达到较高能量位时，转移到空穴能量位，从而发生非辐射复合。

这种复合过程会产生热量，导致材料的温度上升。

边界复合是指载流子与表面、界面或缺陷陷阱相遇而发生的复合。

半导体中的表面和界面往往存在能带弯曲和能带弯曲的缺陷，这使得表面和界面附近的载流子易于复合。

这种复合过程不仅会导致电流的衰减，还会引起材料的能级结构变化和电学特性的改变。

载流子的复合对于半导体器件的性能和效率具有重要影响。

一方面，充分利用载流子的复合过程可以提高器件的效率。

例如，在太阳能电池中，光子的吸收会生成电子和空穴，而电子和空穴的复合过程负责产生电流。

因此，优化载流子的复合过程可以提高太阳能电池的光电转换效率。

另一方面，不受控制的载流子复合会导致电流的衰减和材料的能量损失。

在一些高速电子器件中，载流子的复合可能会限制电子和空穴的移动速度，从而导致电流的衰减和设备的性能下降。

为了减少载流子的复合，可以通过设计优化材料结构、表面修饰和界面调控等方法来降低载流子复合的速率。

总之，载流子复合是半导体材料中自由电子和空穴之间的能量损失和电流衰减过程。

通过合理的设计和优化材料结构，可以有效地提高载流子复合的效率，从而提高半导体器件的性能和效率。

半导体物理与器件习题目录半导体物理与器件习题 (1)一、第一章固体晶格结构 (2)二、第二章量子力学初步 (2)三、第三章固体量子理论初步 (2)四、第四章平衡半导体 (3)五、第五章载流子输运现象 (5)六、第六章半导体中的非平衡过剩载流子 (5)七、第七章pn结 (6)八、第八章pn结二极管 (6)九、第九章金属半导体和半导体异质结 (7)十、第十章双极晶体管 (7)十一、第十一章金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础 (8)十二、第十二章MOSFET概念的深入 (9)十三、第十三章结型场效应晶体管 (9)一、第一章固体晶格结构1．如图是金刚石结构晶胞，若a 是其晶格常数，则其原子密度是。

2．所有晶体都有的一类缺陷是：原子的热振动，另外晶体中常的缺陷有点缺陷、线缺陷。

3．半导体的电阻率为10-3～109Ωcm。

4．什么是晶体？晶体主要分几类？5．什么是掺杂？常用的掺杂方法有哪些？答：为了改变导电性而向半导体材料中加入杂质的技术称为掺杂。

常用的掺杂方法有扩散和离子注入。

6．什么是替位杂质？什么是填隙杂质？7．什么是晶格？什么是原胞、晶胞？二、第二章量子力学初步1．量子力学的三个基本原理是三个基本原理能量量子化原理、波粒二相性原理、不确定原理。

2．什么是概率密度函数？3．描述原子中的电子的四个量子数是：、、、。

三、第三章固体量子理论初步1．能带的基本概念◼能带（energy band）包括允带和禁带。

◼允带（allowed band）：允许电子能量存在的能量范围。

◼禁带（forbidden band）：不允许电子存在的能量范围。

◼允带又分为空带、满带、导带、价带。

◼空带（empty band）：不被电子占据的允带。

◼满带（filled band）：允带中的能量状态（能级）均被电子占据。

导带：有电子能够参与导电的能带，但半导体材料价电子形成的高能级能带通常称为导带。

价带:由价电子形成的能带，但半导体材料价电子形成的低能级能带通常称为价带。

第六章 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密度是一定的。

但在外界作用下，热平衡状态将被破坏，能带中的载流子数将发生明显改变，产生非平衡载流子。

在半导体中非平衡载流子具有极其重要的作用，许多效应都是由它们引起的，如晶体管电流放大，半导体发光和光电导等都与非平衡载流子密切相关。

在大多数情况下，非平衡载流子都是在半导体的局部区域产生的，这些载流子除了在电场作用下作漂移运动外，还要作扩散运动。

本章主要讨论非平衡载流子的运动规律及其产生和复合机理。

§6-1 非平衡载流子的产生和复合一．非平衡载流子的产生。

若用n 0和p 0分别表示热平衡时的电子和空穴密度，则当对半导体施加外界作用使之处于非平衡状态时，半导体中的载流子密度就不再是n 0和p 0了，要比它们多出一部分。

比平衡态多出的这部分载流子称过剩载流子，习惯上也称非平衡载流子。

设想有一块n 型半导体，若用光子能量大于其禁带宽度的光照射该半导体，则可将其价带中的电子激发到导带，使导带比热平衡时多出了一部分电子n ∆，价带多出了一部分空穴p ∆，从而有：0n n n -=∆ （6-1） 0p p p -=∆ （6-2） 且 n ∆=p ∆ （6-3） 式中，n 和p 分别为非平衡状态下的电子和空穴密度，n ∆称非平衡多子，p ∆称非平衡少子，对于p 型半导体则相反。

n ∆和p ∆统称非平衡载流子。

图6-1为光照产生非平衡载流子的示意图。

通过光照产生非平衡载流子的方法称光注入，如果非平衡载流子密度远小于热平衡多子密度则称小注入。

虽然小注入对多子密度的影响可以忽略，但是对少子密度的影响却可以很大。

光注入产生的非平衡载流子可以使半导体的电导率由热平衡时的0σ增加到σσσ∆+=0，其中，σ∆称附加电导率或光电导，并有：p n pe ne μμσ∆+∆=∆ （6-4） 若n ∆=p ∆，则 )(p n pe μμσ+∆=∆ （6-5） 通过附加电导率的测量可直接检验非平衡载流子是否存在。

光生载流子复合光生载流子复合是半导体材料中的一种重要现象，它可以对半导体的光电特性产生重要影响。

本文将从以下四个方面分别介绍光生载流子复合的基本原理、分类、测量方法和在太阳能电池中的应用。

一、基本原理半导体材料在光照作用下可以产生电子和空穴。

当相对静止的载流子足够时，它们相互碰撞，导致光生载流子复合。

当复合发生时，载流子的能量被释放出来，一部分能够以形式化学能或热能的形式转变，而另一部分被转化为光能量。

这种光能量有时被称为“发光”，并能够见证光生载流子的复合。

载流子的复合过程主要分为两种类型，即辐射性复合和非辐射性复合。

前者是指复合时释放出的能量以光子的形式释放出来，而后者则是指经过复合能量被转化为声子，热能等非光子形式。

这其中的原因是复合时一部分能量由于缺乏受激辐射发射而无法以辐射形式释放出来。

二、分类光生载流子复合有许多类型，其中包括辐射复合、自旋混杂复合、载流子波导复合和载流子注入。

这些复合类型都有其自身的特点和应用场景。

辐射复合是最常用的复合类型，它发生在光照下的半导体中。

当电子和空穴在一起时，能量被释放出来，并以光的形式发射到外部。

该过程以光致发光及激光器和LED 中的光激发源的形式被广泛应用。

自旋混杂复合指的是复合过程中自旋翻转的过程。

这种类型的复合是有机电子学中的关键技术，可用于制造具有特定磁性的材料或设备。

载流子波导复合由导波模式终止而引起，其对光导材料的光子传输提供了一个非常有用的手段。

注入载流子则是将外部电流注入到材料中，以产生受控的载流子复合，同时也是半导体激光器和LED的工作原理。

三、测量方法光生载流子复合的量化测量是实验中的重要任务。

一个关键的测量是复合时间，即载流子复合释放出能量所需的时间。

这是物理和光电设备开发中的一个重要参数，通常以微秒的数量级来计算。

该参数是确定光致发光和光电器件性能的技术之一。

能够提供有关载流子复合的信息的其他测量方法包括电导率、电容率和时间分辨荧光等。

第六章二极管与晶体管6.1半导体导电和导体导电的主要差别有哪几点？答：半导体导电和导体导电的主要差别有三点，一是参与导电的载流子不同，半导体中有电子和空穴参与导电，而导体只有电子参与导电；二是导电能力不同，在相同温度下，导体的导电能力比半导体的导电能力强得多；三是导电能力随温度的变化不同，半导体的导电能力随温度升高而增强，而导体的导电能力随温度升高而降低，且在常温下变化很小。

6.2杂质半导体中的多数载流子和少数载流子是如何产生的？杂质半导体中少数载流子的浓度与本征半导体中载流子的浓度相比，哪个大？为什么？答：杂质半导体中的多数载流子主要是由杂质提供的，少数载流子是由本征激发产生的，由于掺杂后多数载流子与原本征激发的少数载流子的复合作用，杂质半导体中少数载流子的浓度要较本征半导体中载流子的浓度小一些。

6.3什么是二极管的死区电压？它是如何产生的？硅管和锗管的死区电压的典型值是多少？答：当加在二极管上的正向电压小于某一数值时，二极管电流非常小，只有当正向电压大于该数值后，电流随所加电压的增大而迅速增大，该电压称为二极管的死区电压，它是由二极管中PN的内电场引起的。

硅管和锗管的死区电压的典型值分别是0.7V和0.3V。

6.4为什么二极管的反向饱和电流与外加电压基本无关，而当环境温度升高时又显著增大？答：二极管的反向饱和电流是由半导体材料中少数载流子的浓度决定的，当反向电压超过零点几伏后，少数载流子全部参与了导电，此时增大反向电压，二极管电流基本不变；而当温度升高时，本征激发产生的少数载流子浓度会显著增大，二极管的反向饱和电流随之增大。

6.5怎样用万用表判断二极管的阳极和阴极以及管子的好坏。

答：万用表在二极管档时，红表笔接内部电池的正极，黑表笔接电池负极（模拟万用表相反），测量时，若万用表有读数，而当表笔反接时万用表无读数，则说明二极管是好的，万用表有读数时，与红表笔连接的一端是阳极；若万用表正接和反接时，均无读数或均有读数，则说明二极管已烧坏或已击穿。

《半导体物理与器件》教学大纲课程类别：专业方向课程性质：必修英文名称：Semiconductor Physics and Devices总学时：48 讲授学时：48学分： 3先修课程：量子力学、统计物理学、固体物理学等适用专业：应用物理学(光电子技术方向)开课单位：物理科学与技术学院一、课程简介本课程是应用物理学专业(光电子技术方向)的一门重要专业方向课程。

通过本课程的学习，使学生能够结合各种半导体的物理效应掌握常用和特殊半导体器件的工作原理，从物理角度深入了解各种半导体器件的基本规律。

获得在本课程领域内分析和处理一些最基本问题的初步能力，为开展课题设计和独立解决实际工作中的有关问题奠定一定的基础。

二、教学内容及基本要求第一章：固体晶格结构（4学时）教学内容：1.1半导体材料1.2固体类型1.3空间晶格1.4原子价键1.5固体中的缺陷与杂质1.6半导体材料的生长教学要求：1、了解半导体材料的特性, 掌握固体的基本结构类型；2、掌握描述空间晶格的物理参量, 了解原子价键类型；3、了解固体中缺陷与杂质的类型；4、了解半导体材料的生长过程。

授课方式：讲授第二章：量子力学初步（4学时）教学内容：2.1量子力学的基本原理2.2薛定谔波动方程2.3薛定谔波动方程的应用2.4原子波动理论的延伸教学要求：1、掌握量子力学的基本原理，掌握波动方程及波函数的意义；2、掌握薛定谔波动方程在自由电子、无限深势阱、阶跃势函数、矩形势垒中应用；3、了解波动理论处理单电子原子模型。

授课方式：讲授第三章：固体量子理论初步（4学时）教学内容：3.1允带与禁带格3.2固体中电的传导3.3三维扩展3.4状态密度函数3.5统计力学教学要求：1、掌握能带结构的基本特点，掌握固体中电的传导过程；2、掌握能带结构的三维扩展，掌握电子的态密度分布；3、掌握费密-狄拉克分布和玻耳兹曼分布。

授课方式：讲授第四章：平衡半导体（6学时）教学内容：4.1半导体中的载流子4.2掺杂原子与能级4.3非本征半导体4.4施主与受主的统计学分布4.5电中性状态4.6费密能级的位置教学要求：1、掌握本征载流字电子和空穴的平衡分布；2、掌握掺杂原子的作用，掌握非本征载流字电子和空穴的平衡分布；3、掌握完全电离和束缚态，掌握补偿半导体平衡电子和空穴浓度；4、掌握费密能级随掺杂浓度和温度的变化。