载流子产生与复合机制简介

1.载流子的产生 在一定温度下，如果没有外场作用，单位时间内产生和复合的电子各空穴达到相对平衡，称为平衡载流子。半导体的总载流子浓度保持不变的状态，称为热平衡状态。在平衡状态下，电子浓度和空穴浓度的乘积等于本征半导体载流子浓度的平方，即热平衡判据。

如外界条件改变，在温度、电场、磁场、光子的作用下，半导体就会产生非平衡载流子。如n型硅受到光照时，价带中的电子吸收光子能量跳入导带（这种电子称光生电子），在价带中留下等量空穴（这一现象称为光激发），电子和空穴的产生率就大于复合率。这些多于平衡浓度的光生电子和空穴，称为非平衡载流子或过剩载流子。这种由于外界条件的改变，使半导体产生非平衡载流子的过程，称为载流子注入。载流子注入的方法有多种。用适当波长的光照射半导体，使其产生非平衡载流子，叫光注入或光激发；用电学方法使半导体产生非平衡载流子，叫电注入或电激发；用热运动使半导体产生非平衡载流子，叫热注入或热激发。半导体中载流子浓度小于非平衡载流子浓度，称为载流子的抽取。有载流子注入时，半导体内载流子总数将超过热平衡状态下载流子总数。如果注入的非平衡载流子数目比平衡载流子数目少，叫小注入；反之，非平衡载流子数目大于或等于平衡载流子数目，叫大注入。太阳电池一般在小注入下工作，只有在强辐射条件下工作的聚光太阳电池是大注入。

小注入应满足：

n_np_n＞n_n0p_n0＝n²_i （3-24）

Δn_n≈Δp_n﹥n_n0

大注入应满足：

n_np_n﹥﹥n_n0p_n0＝n²_i （3-25）

Δn_n≈Δp_n＜nn0

式中 n_n———非平衡状态电子总浓度，n_n＝n_n0+Δn_n；

p_n———非平衡状态空穴总浓度，p_n＝p_n0+Δp_n；

n_n0———平衡状态电子总浓度；

p_n0———平衡状态空穴总浓度；

n_i———本征电子浓度；

Δn_n———光生电子浓度；

Δp_n———光生空穴浓度。

表3-3列出电阻率为1Ω·cm的n型硅光照时载流子浓度和变化。

表3-3电阻率为1Ω·cm的n型硅光照时载流子浓度和变化(www.xing528.com)

由表3-3可知，光入射到1Ω·cm的n型硅，注入Δn_n＝Δp_n＝10¹⁰/cm³的过剩载流子以后，满足小注入条件。这时多子浓度不受影响，而少子浓度却增加约28万倍。所以外界条件的改变将会极大地影响少子的数目，也就是说，只有少子的行为对外界变化敏感。

通常把单位时间、单位体积内产生的电子-空穴对的数目，称为产生率，以G表示（光产生率G_L，热产生率G_T）。

2.载流子的复合 运动中电子和空穴常常碰到一块，即电子跳到空穴的位子把空穴填补掉，这时电子和空穴一起消失，并释放出多余的能量，这种现象称为载流子的复合。载流子从产生到复合的平均时间间隔称为寿命。这里的寿命，均是指统计意义上的载流子的平均寿命，而不是指单个特定电子或空穴的寿命。在小注入条件，只需考虑少子寿命。寿命是衡量半导体材料的重要参数之一。

载流子的复合机构有直接复合、间接复合、表面复合三种。这三种复合可能在同一半导体中发生。

（1）直接复合。导带电子直接跳回价带与空穴复合，称为直接复合。

（2）间接复合。通过复合中心的复合称为间接复合。半导体中晶体中的杂质和缺陷，在禁带中存在一些深能级，这些能级能俘获自由电子和自由空穴，从而使它们复合，这种深能级称为复合中心。但间接复合是主要复合。这一理论是由肖克莱（Shockley）、里德（Read）、霍尔（Hall）和萨支唐（C.T.Sha）建立的。它成功地解释了包括太阳电池在内的许多半导体器件中的各种现象。

（3）表面复合。发生于靠近半导体表面的一个非常薄的区域的复合，称为表面复合。

图3-6示出载流子的三种复合机构。这三种复合机构都影响材料和器件的寿命。所测量到的寿命τ也往往是表面寿命τ_s和体寿命τ_V的综合结果，它们的关系如下：

对于p-n结太阳电池，区和区的少子寿命均与整个电池的效率密切相关。

图3-6 载流子的复合机构

a）直接复合 b）间接复合 c）表面复合

俄歇复合：一个电子和空穴可以复合，并通过在能带内发射电子来释放能量，从而增加能带的能量。其逆效应称作碰撞电离。

俄歇效应：这是原子发射的一个电子，导致另一个被发射出来的物理现象。当一个处于内层电子被移除后，留下一个空位，高能级的电子就会填补这个空位，同时释放能量。通常能量以发射光子的形式释放，但也可以通过发射原子中的一个电子来释放。第二个被发射的电子叫做俄歇电子。“俄歇效应”是以其发现者，法国人Pierre Viotor Auger的名字命名的。