半导体物理学---3省名师优质课赛课获奖课件市赛课一等奖课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢。本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢您,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,第三章 非平衡状态下半导体体材特征,Semiconductor Properties,at Non-equilibrium,第1页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,本章考查非平衡半导体体材中载流子输运现象,（,Carriers transport phenomenon,）,“载流子输运”是载流子一个净运动。,第2页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,非平衡是指半导体体材内存在,热梯度,（,thermal gradient,）、,电位梯度,（,potential gradient,）、,浓度梯度,（,Density gradient,）。,第3页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,载流子漂移输运现象,Carrier Transport by Drift,半导体样品内存在电位梯度，即存在电场时，载流子在电场中净运动称为漂移,（,drift,），,形成所谓漂移电流,(,drift current,),。,第4页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,半导体中出现净电流，必定存在非平衡条件。,半导体两端施加电压是造成非平衡条件最简单方法。,L,半导体块材,第5页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,电阻率,Resistivity,块状材料阻挡电流流过性质称为电阻率。,宏观上，上图所表示均匀半导体块材两端接触为理想欧姆接触时，其电阻,R,为,第6页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,式中百分比常数,称电阻率，即单位面积，单位长度块材电阻。,第7页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,若电阻单位取欧姆,（,）,，长度单位取厘米,（,cm,）,，面积单位取厘米平方,(,cm,2,),，则电阻率单位为欧姆-厘米,（,-cm,）,。,第8页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,电阻率可定义为样品某点电场,E,(单位,V/cm,)和该点电流密度,J,(单位,A/cm,2,)之比：,此即著名 欧姆定律,（,Ohms law,）,第9页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,杂质浓度 （cm,-3,）,非赔偿硅材料,300K,时电阻率与杂质浓度关系曲线,N型,P型,第10页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,图中所表示电阻率范围为,10,-4,10,2,-cm,，,实际工程中使用到硅电阻率范围更广，能够从,10,6,-cm,到,10,22,-cm,，,即从导体跨过半导体，直至绝缘体。,第11页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,电阻率（-cm）电阻率（-cm）,N,型和,P,型硅材料电阻率温度系数,电阻率温度系数,（%K）,第12页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,硅半导体电阻率差不多在整个有用掺杂范围内都展现正温度系数。,不论是,N,型还是,P,型材料在,10,2,欧姆附近都跌降为零,第13页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,载流子传导过程微观观念,Microscopic concepts of Carrier conducting process,第14页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,微观粒子含有波粒二象性,（,Wave-Particle Dual Nature,），,半导体晶体中电子和空穴亦不例外。,第15页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,载流子在硅晶体中运动依据德波罗意原理,（,Principle of De Broglie,）,可按晶格周期结构中传输波来描述，有时也采取粒子运动形式描述。,第16页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,假定硅晶体超纯完美，但任何振动都可能骚扰晶体完美周期性结构。实际晶体中确实存在这么振动，尽管原子热振动经过降温可被遏制。,第17页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,我们把本征半导体晶体中采取晶格原子振动形式骚扰称为声子,（,Phonon,）,。,声子与电子和空穴作用引发载流子运动改变。,第18页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,温度上升，晶体中原子振动热能升高，声子和载流子相互作用越趋频繁。,室温下本征硅中载流子运动形式是无规则随机运动。,第19页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,非本征硅中载流子除了与声子发生作用外，还受杂质离子静电排斥和吸引作用。,这种类型作用称为杂质散射,（,Impurity Scattering,）,。,第20页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,传导迁移率,Conductivity Mobility,现在考虑外电场影响，方便起见，选取由正电荷载流子控制,P,型硅半导体样品。,第21页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,图示为依据粒子观点表示样品中载流子随机运动。这种随机运动是声子和杂质散射组合结果。,x,E,第22页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,每次碰撞间载流子直线行进路段平均长度称为,平均自由程,（,Mean Free Path,）,，,行进平均时间称为,平均自由时间,（,Mean Free Time,）。,第23页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,因为存在电场，空穴行进每个路段都会沿电场方向产生微小位移。,电场造成载流子定向移动，可用正比与电场平均漂移速度,D,描述：,第24页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,对浓度为,p,一群以平均漂移速度,D,作定向运动空穴而言，其电流密度表式为,第25页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,于是,定义空穴传导迁移率为,p,则空穴平均漂移速度便为,第26页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,空穴电流密度便为,一样导出电子平均漂移速度和传导迁移率，得电子电流密度为,第27页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,迁移率与温度和掺杂关系,Mobility Versus Temperature and Doping,第28页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,硅中迁移率与温度以及掺杂浓度关系,温度（K）,p,型硅中迁移率与温度关系,杂质散射,声子散射,空穴迁移率,p,（cm,2,/volts,）,杂质浓度（atoms/cm,3,）,非赔偿硅中迁移率,与掺杂关系,载流子迁移率,p，n,（cm,2,/volts,）,第29页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,可知晶体温度较低时，声子活性较低，对迁移率影响能够不计，杂质散射起主要作用。,杂质散射基础是静电作用，标准上与温度无关。,第30页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,杂质散射起主要作用时，载流子与杂质离子遭遇碰撞越多，动量改变越大。载流子经过已知距离速度越慢，其迁移率越小。,第31页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,文件报道，在杂质散射为主范围内，迁移率约随温度二分之三次方幂关系改变。,第32页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,声子散射对载流子运动起负作用，所以温度越高，声子散射越厉害，迁移率快速下降。,声子散射范围内，迁移率约随温度负二分之三次方幂关系改变。,第33页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,电导率方程,The Conductivity Equation,第34页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,据,可写出,P,型半导体电导率表式,第35页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,一样，,N,型半导体电导率表式为,当两种载流子对电导率均起主要影响时，则有,此即电导率普通形式。,第36页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,对于本征半导体，电导率方程能够写为,因为电子迁移率约是空穴迁移率三倍，故上式表明,纯硅将展现,N,型特征,第37页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,载流子扩散输运现象,Carrier Transport by Diffusion,第38页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,任何扩散现象都需要具备两个条件：,扩散物处于随机运动状态；,扩散物存在浓度梯度。,第39页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,半导体中载流子具备上述条件时，就能形成由扩散造成输运。,第40页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,费克第一定律,Ficks First Law,考虑均匀半导体样品某个小区域中空穴浓度仅是位置,x,函数与,y、z,无关。,第41页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,12,10,8,6,4,2,12,10,8,5,8,6,4,4,8,6,3,2,4,2,12,2,1,1,1,1,1,x,0,x,第42页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,有理由认为给定每个方格大小和时间间隔,t,后,，,每个方格中扩散空穴数目与方格中空穴浓度成正比。能够发觉,x,方向存在单向空穴运动流。,第43页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,单向空穴流方向就是空穴浓度减小方向。,费克第一定律定量地描述了上述图像，即扩散物通量,f,与浓度,p,梯度成正比：,第44页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,式中负号表示扩散方向与梯度减小方向一致，百分比系数,D,p,称扩散率或扩散系数，单位为,cm,2,/s,。,第45页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,粒子通量,f,乘上粒子电荷,q,即得电流密度,对电子作类似处理，则有,第46页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,静电势表示载流子密度,Carrier Densities in Terms of Electrostatic Potential,这一节我们采取半导体理论前辈，诺贝尔物理奖取得者,W,Shockley,引进方法，将平衡载流子密度与静电势关联起来。,第47页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,图示为,N,型半导体能带两种等效表示：,导 带,价 带,E,C,E,F,=0,E,i,E,V,E,+,0,导 带,价 带,C,F,=0,i,V,0,+,第48页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,需要注意是，尽管二者都以费米能级作基准，但坐标取向恰好相反。,定义,=,I,F,，,则,本征半导体,，,=0,；,N,型半导体,，,0,；,P,型半导体,p,o,N,L,p,(0),x,0,第148页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,空穴分布可写为,将样品厚度减薄到,x L,p,左表面用一样强度光辐照。,第149页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,右表面经过引进某种缺点从而确保完全复合掉左表面产生全部过剩载流子,即,p(0)=p(x),。,展现表面复合速度表面,x,0,第150页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,上述过程能够构想成,x=0,处一股密度为,p(0),“空穴云”以速度,s,向右移动，并在右表面完全消失过程。,第151页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,该过程以电流密度形式表示，则为,依据费克第一定律，,x=0,处空穴电流密度能写成,第152页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,显然,即,我们称,s,为表面复合速度,第153页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,电中性背离,Deviations From Neutrality,前面讨论都是电中性状态下问题，普通，在远离表面和掺杂突变晶体内，电中性是完全可能保持。,第154页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,但因为存在空间电荷而偏离电中性问题也是讨论半导体特征不能回避主要问题。,下面将讨论几个存在空间电荷现象及分析方法。,第155页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,介电弛豫,Dielectric Relaxation,均匀掺杂半导体样品中因为存在可动载流子，故任何偏离电中性骚扰出现都能得到快速平息。,第156页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,非本征半导体样品中，多数载流子是快速平息上述骚扰起主要作用载体，因为它们数量远超出少数载流子。,第157页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,图示为考查,P,型半导体样品中空间电荷衰减试验,x,P,+,P,+,+,+,+,+,+,+,第158页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,浓掺杂,P,+,样品和靠近球形,P,区边界形成一个允许多数载流子在正、反两个方向上都能方便经过所谓,“高低结”,（,high-,low junction,）,。,第159页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,假定,t=0,时刻突然将空穴添加进,P,区，或者说我们采取某种伎俩在整个,P,区内突然均匀地产生出一些额外多数载流子空穴，此时,P,区必将突然出现空间电荷，,第160页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,(0)-,0,x,0,第161页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,能够构想，,P,区空间电荷因为同性相斥，快速地穿越球形高低结边界进入,P,+,样品，造成,P,+,样品其余部分空穴向右微小净位移。,第162页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,结果金属接触处将有数量等于,P,区引入空穴被推出，从而使样品重新回复到电中性状态。,整个电中性恢复过程称为,介电弛豫过程,。,第163页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,由初始引进空穴产生空间电荷时间上将按指数规律衰减：,第164页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,和,分别为样品绝对介电常数和电阻率。表征电中性恢复过程特征时间常数，即乘积,称为,介电弛豫时间,。,第165页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,(0)-,0,t,0,t=,绝对介电常数可写成自由空间介电常数,0,和样品相对介电常数,乘积,=,0,第166页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,硅相对介电常数约,11.4,12.0,；,自由空间介电常数,0,为,1.035,10,-12,F/cm,。,第167页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,少数载流子注入,Minority-Carrier Injection,现在考虑样品引入少数载流子情况。实际上，样品中快速局部地引入少数载流子要比引入多数载流子更方便。,第168页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,x,P,+,P,N,+,t,u,第169页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,N,+,区与,P,区形成,PN,+,结,（,PN,结是第四章讨论主,题,）,。,N,+,部分施加负电压脉冲时,PN,+,结快速将少数载流子引进,P,区，即“少数载流子注入”。,第170页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,现在我们只是观察局部引入少数载流子介电弛豫现象。,为保持现象尽可能简单，假定,P,区引进少数载流子分布均匀。,第171页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,此时样品中空穴亦将发生微小净位移，不过，位移不是向右，而是向左。与注入电子相等数量空穴将从,P,+,区被推入,P,区。,第172页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,伴随,P,区空穴浓度快速上升,，,P,区存在负空间电荷将以等于介电弛豫时间特征时间常数被带正电荷空穴中和掉，于是，两种过剩载流子浓度重新到达平衡，如图所表示：,第173页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,n(0)-n,0,n,n(0)-n,0,n,x,0,t,0,p(t),第174页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,泊松方程,Poissons Equation,泊松方程是连续性方程另一个形式，表示电力线起始于正电荷终止与负电荷连续性。,第175页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,正规说法是:,含净正电荷体积内，电场散度,（,divergence,）,为正；,含净负电荷体积内，电场散度为负；,无电荷体积电场散度为零。,第176页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,针对半导体问题，泊松方程可写为,式中,为样品绝对介电常数。,第177页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,采取一维形式，我们有,第178页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,德拜长度,Debye Length,据电磁场理论，含可动电荷介质中放置电性与可动电荷相反固定电荷时其存在只在某有限距离内被感知。,第179页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,就是说，这个固定电荷是被屏蔽，屏蔽距离为某有限值，德拜长度指就是这个有限屏蔽距离，如图：,第180页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,-q,L,D,r,径向距离,0,电荷密度,+q,第181页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,本征半导体德拜长度表示式为,第182页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,N,型半导体德拜长度：,P,型半导体德拜长度：,第183页,Chapter 3 Semiconductor Properties at Non-equilibrium,Semiconductor Physics,End,第184页,