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。