复合 (物理学)

在半导体的固态物理学中，载流子产生和载流子复合是产生和消除移动电荷载流子（电子和电子空穴）的过程。

复合（物理学）过程是许多光电半导体器件（如光电二极管、发光二极管和激光二极管）运行的基础。它们对于全面分析双极结型晶体管和 p-n 结二极管等 p-n 结器件也至关重要。

电子-空穴对是无机半导体中产生和复合的基本单位，对应于价带和导带之间的电子跃迁，其中电子的产生是从价带到导带的跃迁，复合导致 反向过渡。

与其他固体一样，半导体材料具有由材料的晶体特性决定的电子能带结构。 电子之间的能量分布由费米能级和电子温度描述。 在xxx零温度下，所有电子的能量都低于费米能级； 但在非零温度下，能级遵循费米-狄拉克分布。

在未掺杂的半导体中，费米能级位于两个允许带（称为价带和导带）之间的禁带或带隙的中间。 紧接在禁带下方的价带通常几乎被完全占据。费米能级以上的导带通常几乎完全是空的。因为价带几乎满了，所以它的电子不能移动，不能作为电流流动。

然而，如果价带中的电子获得足够的能量到达导带（作为与其他电子、空穴、光子或振动晶格本身相互作用的结果），它可以在几乎为空的导带能量中自由流动状态。此外，它还会留下一个空穴，可以像物理带电粒子一样作为电流流动。

载流子产生描述了电子获得能量并从价带移动到导带的过程，从而产生两个移动载流子； 而重组描述了导带电子失去能量并重新占据价带中电子空穴的能态的过程。

这些过程必须保存量子化能量和晶体动量，而振动晶格在保存动量方面起着重要作用，因为在碰撞中，光子可以传递与其能量相关的非常小的动量。

复合和生成总是发生在半导体中，无论是光学还是热学。正如热力学所预测的那样，处于热平衡的材料将具有平衡的生成和复合速率，因此净电荷载流子密度保持恒定。费米-狄拉克统计给出了在每个能带中占据能量状态的最终概率。

电子和空穴密度 ( n {\displaystyle n} 和 p {\displaystyle p} ) 的乘积是一个常数 ( n o p o = n i 2 ) {\displaystyle (n_{o}p_{o}=n_{ i}{2})} 处于平衡状态，由以相同速率发生的重组和生成维持。

当载流子过剩时（即 n p > n i 2 {\displaystyle np>n_{i}{2}} ），重组率变得大于生成率，推动系统回到平衡状态。

同样，当载流子不足时（即 n p < n i 2 {\displaystyle np<n_{i}{2}} ），生成速率变得大于复合速率，再次推动系统回到平衡状态。当电子从一个能带移动到另一个能带时，它失去或获得的能量和动量必须进入或来自该过程中涉及的其他粒子（例如光子、电子或振动晶格原子系统）。

当光与材料相互作用时，它要么被吸收（产生一对自由载流子或激子），要么激发复合事件。生成的光子与负责事件的光子具有相似的属性。吸收是光电二极管、太阳能电池和其他半导体光电探测器的活跃过程，而受激发射是激光二极管的工作原理。

除了光激发外，半导体中的载流子也可以由外部电场产生，例如在发光二极管和晶体管中。

当具有足够能量的光照射到半导体上时，它可以激发电子穿过带隙。这会产生额外的电荷载流子，暂时降低材料的电阻。这种在光存在下更高的电导率被称为光电导率。