半导体物理第五章(教材)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,第五章 非平衡载流子,处于热平衡状态半导体，在一定温度下，载流子浓度是一定。这种处于热平衡状态下载流子浓度称为,平衡载,流子浓度,。在非简并情况下，电子、空穴浓度乘积为：,该式说明，在一定温度下，任何,非简并半导体热平衡,载流子浓度乘积,n,0,p,0,等于该温度时本征载流子浓度,n,i,平方，与所含杂质无关。该式适合用于本征半导体材料和杂质半导体材,料。也是非简并半导体处于热平衡状态,判据式,。,第1页,1,半导体热平衡状态是相正确，有条件。假如对半导体施加外界作用，破坏了热平衡条件，就造成其处于与热平衡状态相偏离状态，称为,非平衡态,。处于非平衡状态半导体，其载流子浓度不再是,n,0,、,p,0,，而是比它们多出一部分。比平衡状态多出来这部分载流子称为,非平衡载流子,(,或,过剩,载流子,),。,第2页,2,5.1,非平衡载流子注入与复合,5.2,非平衡,载流子寿命,5.3,准费米能级,5.4,复合理论,5.5,陷阱效应,5.6,载流子,扩散运动,5.7,载流子,漂移运动，爱因斯坦关系式,5.8,连续性方程,第3页,3,非平衡载流子产生、复合、寿命,准费米能级,复合理论,非平衡载流子运动规律,扩散方程,爱因斯坦关系式,连续性方程,本章重点,第4页,4,5.1,非平衡载流子注入与复合,一、非平衡载流子产生,对半导体施加外部作用使其内部产生非平衡载流子方法，称为非平衡载流子,注入,。,产生非平衡载流子,方法,有：,光注入：用光照使半导体内部产生非平衡载流子方法，,称为非平衡载流子,光注入,。,电注入,高能粒子辐照,其它能量传递方式,第5页,5,1.,光注入,第6页,6,2.,非平衡载流子浓度表示法,第7页,7,3.,大注入和小注入,小注入情况下，非平衡少子浓度能够比平衡少子浓度大得多，其作用显著，而非平衡多子作用可忽略。通常说非平衡载流子都是指,非平衡少子,。,第8页,8,二、非平衡时附加电导,第9页,9,第10页,10,产生非平衡载流子外部作用撤除后，因为半导体内部作用，使它由非平衡态恢复到平衡态，过剩载流子逐步消失，这一过程称为,非平衡载流子复合,。,三、非平衡载流子复合,第11页,11,热平衡,不是绝对静止,状态。就半导体中载流子而言，任何时候电子和空穴总是不停地产生和复合。在热平衡状态，产生和复合处于相正确平衡，每秒种产生电子和空穴数目与复合掉,数目相等,，从而保持其浓度稳定不变；,光照半导体时，打破了产生与复合相对平衡，产生超出复合而造成一定,净产生,，在半导体中产生了非平衡载流子，半导体处于,非平衡态,；,第12页,12,光照停顿时，半导体中依然存在非平衡载流子。因为电子和空穴数目比热平衡时增多了，它们在热运动中相遇而复合机会也将增大。这时复合超出了产生而造成一定,净复合,，非平衡载流子逐步消失，最终恢复到平衡值，半导体又回到了,热平衡状态,。,第13页,13,掺杂、改变温度和光照激发都能够改变半导体电导率，试从三者物理过程说明其区分。,思索题,第14页,14,5.2,非平衡载流子寿命,一、寿命概念,非平衡载流子复合率,：单位时间单位体积内净复合消失,电子,-,空穴对数，为,p/,或,n/,第15页,15,设一束光在一块,n,型半导体内部均匀地产生非平衡载流子,n,、,p,。在,t,0,时刻，光照突然停顿，,p,将随时间而改变：,与,p(t),无关,第16页,16,非平衡载流子随时间衰减,寿命是主要结构灵敏参数,第17页,17,二、寿命意义,寿命标志非平衡载流子浓度减小到原值,1/e,所经历时间,第18页,18,通常寿命是用试验方法测量。各种测量方法都包含非平衡载流子,注入和检测,两个基本方面。不一样注入和检测,方法组合就形成了许多寿命测量方法。,最惯用注入方法是,光注入和电注入,；,检测非平衡载流子方法很多：,惯用测量寿命方法有,直流光电导衰减法,、,光磁电法,(,利,用半导体光磁电效应原理，该方法适合于测量短寿,命，在砷化镓等,-,族化合物半导体中用得最多；,还有,扩散长度法、双脉冲法及漂移法,等。,不一样材料寿命很不相同。纯度和完整性尤其好硅、锗材料寿命分别可达,10,3,s,、,10,4,s,；砷化镓寿命极短，约为,10,-,5,10,-,6,s,，或更低。即使是同种材料，在不一样条件,下，寿命也可在,个很大范围内改变。,三、寿命测量方法,第19页,19,5.3,准费米能级,一、热平衡状态,1.,费米能级,热平衡状态下，整个半导体中有统一费米能级，这个统一费米能级也使热平衡状态标志。,2.,载流子浓度,3.,载流子浓度乘积,第20页,20,二、非平衡状态,1.,准费米能级,当半导体平衡态遭到破坏而存在非平衡载流子时，分别就价带和导带中电子讲，它们各自基本上处于平衡态，而导带和价带之间处于不平衡状态。因而费米能级和统计分布函数对导带和价带各自依然是适用，能够分别引入导带费米能级和价带费米能级，它们都是局部费米能级，称为“,准费米能级,”。导带和价带间不平衡就表现在它们准费米能级是不重合。导带准费米能级也称电子准费米能级，用 表示；对应地，价带准费米能级称为空穴准费米,能级，用 表示。,第21页,21,2.,载流子浓度,第22页,22,由上式可知，不论是电子还是空穴，非平衡载流子越多，准费米能级偏离,E,F,越远，不过,E,Fn,、,E,Fp,偏离,E,F,程度是不,同：,3.,准费米能级位置,更靠近导带,更靠近价带,第23页,23,普通在非平衡态时，往往总是多数载流子准费米能级和平衡时费米能级偏离不多，而,少数载流子准费米能级,则偏离很大。,少子准费米能级,少子准费米能级,第24页,24,4.,载流子浓度乘积,E,Fn,和,E,Fp,偏离大小直接反应,np,和,n,i,2,相差程度，即反应了半导体偏离热平衡态程度：,偏离越大，说明不平衡情况越显著；,二者靠得越近，说明越靠近平衡态；,二者重合时，形成统一费米能级，半导体处于平衡态。,第25页,25,5.4,复合理论,由,于半导体内部相互,作用,，使得任何半导体在平衡态总有一定数目标电子和空穴。从微,观角度讲,：,平衡态指是由系统内部一定,相互作用,所引发,微观过,程,之间平衡；,这些微观过程促使系统,由非平衡态向平衡态过渡，引发非平,衡载流子复合；,所以，,复合,过程,是属于,统计性,过程。,第26页,26,一、复合类型,电子和空穴经过,禁带能级,(,复合,中心,),进行复合,电子在导带和价,带之间直接跃,迁，引发电子和,空穴直接复合,第27页,27,第28页,28,二、非子复合时释放能量方式,非平衡载流子复合时释放能量方式有三种：,发射光子：伴伴随复合，将有发光现象，常称为发光复合,或辐射复合；,发射声子：载流子将多出能量传给晶格，加强晶格振,动；,将能量给予共他载流子，增加它们动能，称为俄歇,(Auger),复合。,第29页,29,三、直接复合,(,禁带宽度越小，直接复合概率越大,),(,一,),复合率,R,单位时间、单位体积内复合掉电子,-,空穴对数，单位：对,(,个,)/(s,cm,3,),：,其中,r,称为电子,-,空穴复合概率，代表不一样热运动速度电子,和空穴复合概率,平均值,。,因为不一样电子和空穴含有不一样热运动速度，所以它们,复合概率与其运动速度相关；,在,非简并半导体,中，电子和空穴运动速度恪守玻耳兹曼,分布，所以，在一定温度下，能够求出载流子运动速度平,均值，所以,r,也有完全确定值，它仅是温度函数，而与,n,和,p,无关。这么，上式就表示复合率正比于,n,和,p,。,能带角度,：,导带电子直接落入价带与空穴复合,第30页,30,(,二,),产生率,G,单位时间、单位体积内产生电子,-,空穴对数，单位：对,(,个,)/s,cm,3,),。仅是温度函数，与,n,、,p,无关。,热平衡时产生率必须等于复合率，则有：,能带角度,-,价带电子,第31页,31,(,三,),直接净复合率,U,d,复合率减去产生率等于非平衡载流子净复合率：,第32页,32,(,四,),直接复合非平衡载流子寿命,R,越大，净复合率越大，,值越小,；,与平衡载流子浓度和非平衡载流子浓度都相关；,大小也取决于复合概率,r,。理论计算得到室温时本征,硅和锗值为：,实际上,Si,、,Ge,最大寿命仅是几毫秒，比上述数据小很多。表明材料寿命主要由间接复合决定，而不是直接复合。,第33页,33,1.,小注入情况,第34页,34,2.,大注入情况,第35页,35,四、间接复合,非平衡载流子经过复合中心,(,杂质和缺点在禁带中形成一定能级，有促进电子和空穴复合作用，称为复合中心,),复合。,第36页,36,在两步复合过程中，共有四个微观过程：,互逆过程,互逆过程,俘获电子,俘获空穴,发射电子,发射空穴,在稳定情况下，这四个微观过程必须保持复合中心上电子数不变，即,n,t,为常数：,、两个过程中复合能级上电子,积累,，等于、过程中复合中心上电子,降低,。,第37页,37,对以上四个微观过程作确切定量描述，能够求出非平衡载流子经过复合中心复合,复合率,：,第38页,38,1.,俘获电子,复合中心能级,E,t,从导带俘获电子。,电子俘获率,：单位体积、单位时间被复合中心俘获电子数。表示为：,r,n,为电子俘获系数，是个平均量，反应复合中心俘获电子能,力大小；,导带电子越多，空复合中心越多，电子碰到复合中心而被,俘获机会就越大，即跟二者成百分比。,(,一,),电子俘获与发射,第39页,39,2.,发射电子,复合中心能级,E,t,上电子被激发到导带，是俘获电子过程逆过程。,电子产生率,：单位体积、单位时间向导带发射电子数。表示为：,s,-,为电子激发概率,(,电子发射系数,),，只要温度一定，它值,就确定；,电子产生率与复合中心能级上电子浓度,n,t,(,被电子占据,复合中心浓度,),成百分比；,考虑非简并情况，导带基本是空，产生率与,n无关。,第40页,40,3.,电子俘获和发射互逆过程内在联络,热平衡状态下，这两个微观过程相互抵消，即电子产生率等于电子俘获率。设,n,0,和,n,t0,分别为平衡时导带电子浓度和复合中心能级上电子浓度，则有：,第41页,41,费米能级,E,F,与复合中心能级,E,t,重合时导带平衡电子浓度,内在联络,第42页,42,1.,俘获空穴,电子由复合中心能级,E,t,落入价带与空穴复合，或者说复合,中心能级从价带俘获了一个空穴。,空穴俘获率,：单位体积、单位时间被复合中心俘获空,穴数。表示为：,r,p,为空穴俘获系数，是个平均量，反应复合中心俘获空穴能,力大小；,价带空穴越多，复合中心能级上电子浓度,n,t,(,被电子占据,复合中心浓度,),越大，空穴碰到复合中心电子而被俘获,机会就越大，即跟二者成百分比。,(,二,),空穴俘获与发射,第43页,43,2.,发射空穴,价带电子被激发到复合中心能级,E,t,上，或者说复合中心能级向价带发射了一个空穴，是俘获空穴过程逆过程。,空穴产生率,：单位体积、单位时间向价带发射空穴数。表示为：,s,+,为空穴激发概率,(,空穴发射系数,),；,空穴产生率与空复合中心浓度,(,未被电子占据复合中心,浓度,),成百分比；,考虑非简并情况，价带基本是满，产生率与,p,无关。,第44页,44,3.,空穴俘获和发射互逆过程内在联络,热平衡状态下，这两个微观过程相互抵消，即空穴产生率等于空穴俘获率。设,p,0,和,n,t0,分别为平衡时价带空穴浓度和复合中心能级上电子浓度，则有：,第45页,45,费米能级,E,F,与复合中心能级,E,t,重合时价带平衡空穴浓度,内在联络,第46页,46,(,三,),非平衡载流子净复合率,非平衡状态下：,表示单位体积、单位时间导带降低电子数等于价带降低空穴数，即导带每损失一个电子，价带也损失一个空穴，电子和空穴经过复,合中心成对地复合。,第47页,47,非平衡载流子,净复合率,为：,也适合用于,n,、,p0,情况，此时复合率为负值，实际上表示电子,-,空穴正确产生率。,第48页,48,该公式是经过复合中心复合,普遍理论公式,；,热平衡时有：,非热平衡时有：,半导体中注入非平衡载流子后，由：,可得净复合率为：,第49页,49,(,四,),间接复合非平衡载流子寿命,寿命与复合中心浓度,N,t,成反比。,现讨论,小注入,情况下，两种导电类型和不一样掺杂程度半导体中非平衡载流子寿命。对于,普通复合中心,，,r,n,、,r,p,相差不大。,第50页,50,1.n,型半导体,设复合中心能级,E,t,更靠近,价带,，,E,t,为相对于禁带中心与,E,t,对称能级位置。,第51页,51,(1),强,n,型区,在掺杂较重,n,型半导体中，对寿命起决定作用是复合中,心对少数载流子空穴俘获系数,r,p,，而与电子俘获系数,r,n无,关；,原因,：在重掺杂,n,型材料中，,E,F,远在,E,t,之上，所以复合中,心能级基本上填满了电子，相当于复合中心俘获电子过,程总是完成了，所以，正是这,N,t,个被电子填满复合中,心对空穴俘获率,r,p,决定着寿命值。,第52页,52,(2),高阻区,表明寿命与多子浓度成反比，即与电导率成反比。,若复合中心能级,E,t,更靠近,导带,，则有：,第53页,53,2.p,型半导体,设复合中心能级,E,t,更靠近,价带,，,E,t,为相对于禁带中心与,E,t,对称能级位置。,第54页,54,(1),强,p,型区,表明复合中心对少子俘获决定着寿命；,原因,：在重掺杂,p,型材料中，,E,F远在,E,t,之下，靠近价带，,所以复合中心能级基本上填满了多子空穴,(,未被电子占据,),，,相当于复合中心俘获空穴过程总是完成了，所以，由,电子俘获率,r,n,决定着寿命值。,第55页,55,(2),高阻区,表明寿命与多子浓度成反比，即与电导率成反比。,若复合中心能级,E,t,更靠近,导带,，则有：,第56页,56,(,五,),有效复合中心,第57页,57,对于普通复合中心，令：,可得：,所以得：,第58页,58,当,E,t,=E,i,时，,U,取极大值；,故位于禁带中央附近,深能级,是最有效复合中心；,比如：,Au,、,Cu,、,Fe,等杂质在,Si,中形成深能级，是有效复,合中心；,远离禁带中央浅能级不能起有效复合中心作用。,第59页,59,(,六,),俘获截面,构想复合中心是含有一定半径球体，其截面积为,。,截面积越大，载流子在运动过程,中,碰上复合中心而被俘获概率就越大。因而，能够用,代表复合,中心,俘获载,流子,本,领，称为,俘获截面,。,复合,中,心俘获电子和,空穴,本事不一样，电子俘获截,面,和空,穴,俘获截面,分别,表示,为,-,和,+,；,载流子热运动速度,v,T,越大，其碰上复合中心而被俘获概率,也越大，所以，俘获截面与俘获系数存在以下关系：,利用该关系，可用俘获截面表示本节各相关公式。比如：,第60页,60,复合中心俘获截面约为,10,-,13,10,-17,cm,2,第61页,61,(,七,),金在,Si,中复合作用,(,实例,),金是,Si,中深能级杂质，在,Si,中形成双重能级,(,受主,E,tA,、施主,E,tD,),。不过这两个能级并不是同时起作用：,在,n,型,Si,中，电子基本上填满了,Au,能级，,Au,接收电子成为,Au,-,，只有受主能级,E,tA,起作用,；,1.,金在,Si,中能级,第62页,62,在,p,型,Si,中，,Au,能级基本上是空，,Au,施放电子成为,Au,+,，,只存在施主能级,E,tD,；,2.,金对少子寿命影响,金在,n,型,Si,或,p,型,Si,中都是有效复合中心，对少数载流子寿命产生极大影响在,n,型,Si,中，,Au,-,对空穴俘获系数,r,p,决定了少子寿命；在,p,型,Si,中，,Au,+,对电子俘获系数,r,n,决定了少子寿命；,由试验方法确定室温下俘获系数为：,若,Si,中,Au,浓度为,5,10,15,cm,-3,/s,，则,n,型,Si,和,p,型,Si,少子寿,命分别为：,第63页,63,表明：对于相同,Au,浓度，,p,型,Si,中少子寿命是,n,型,Si,1.9,倍。,在掺,Au,Si,中，少子寿命与,Au,浓度,N,t,成反比。少许有,效复合中心能大大缩短少子寿命，所以可经过控制,Au,浓,度，在较大范围内改变少子寿命。而且复合中心引,入不会严重影响其它性能,(,如电阻率,),；,因为,Au,在,Si,中复合作用有上述特点，所以在开关器件及,其相关电路制造中，掺,Au,工艺已作为缩短少子寿命有,效伎俩而广泛应用。,第64页,64,例题,1,：某,p,型半导体掺杂浓度为 ，少子寿,命为 ，在均匀光照射下产生非平衡载流,子，其产生率 ，试计算室温时光照,情况下费米能级，并和原来无光照时费米能级,比较。,(,设本征载流子浓度 ，,),第65页,65,解,：（,1,）无光照时，空穴浓度为：,所以：,即：,说明无光照时，费米能级在禁带中线下面,0.36eV,处。,第66页,66,（,2,）光照后，产生非平衡载流子为：,所以可得：,由 可得：,由 可得：上两式说明，在 之下,0.36eV,处，而 在 之上,0.18,eV,处。即非平衡态时空穴准费米能级和原来费米能级几,乎重合，而电子准费米能级却偏离原来费米能级很远。,第67页,67,五、表面复合,表面复合,是指在半导体表面发生复合过程。表面处杂质和表面特有缺点在禁带形成,复合中心能级,，因而，表面复合是间接复合。所以，间接复合理论完全可用来处理表面复合问题。,第68页,68,表面复合含有主要实际意义。任何半导体器件总有它表,面，较高表面复合速度，会使更多注入载流子在表面,复合消失，以致严重地影响器件性能。因而在大多数器,件生产中，总是希望取得良好而稳定表面，以尽可能降低,表面复合速度，从而改进器件性能；,另首先，在一些物理测量中，为了消除金属探针注入效应,影响，要设法增大表面复合，以取得较为准确测量结,果。,第69页,69,半导体样品形状和表面状态在很大程度上影响着少数载流子寿命。影响原因包含：,表面粗糙度。表面越粗糙，其寿命越短；,表面积与总体积百分比。一样表面情况，样品越小，寿命,越短；,与表面清洁度、化学气氛相关。,考虑表面复合后，寿命是体内复合和表面复合综合结果：,(,一,),表面复合对寿命影响,第70页,70,(,二,),表面复合率,U,s,表面复合率,U,s,与,表面处,非平衡载流子浓度,(,p),s,成正比；,s,称为表面,复合速度,，含有速度量纲，表示表面复合强弱、快慢。定义为：单位时间内经过单位表面积复合掉电,子,-,空穴对数。直观而形象意义是：因为表面复合而失去,非平衡载流子数目，如同表面处非平衡载流子,(,p),s,都,以大小为,s,垂直速度流出了表面。,s,表示式,(,以,n,型半导体为例,),：,单位表面积复合中心总数,空穴表面复合速度,第71页,71,表面复合速度在很大程度上受到晶体表面,物理性质,和,外界,气氛,影响：,可将表面复合看成靠近表面一个非常薄区域内,体内复,合,来处理，所不一样是该区域复合中心密度很高。,第72页,72,(,三,),寿命,是“结构灵敏”参数,非平衡载流子寿命与材料种类相关；,有些杂质作为半导体材料深能级杂质能形成有效复,合，使寿命大大降低；,半导体表面状态对寿命也有显著影响；,晶体中位错等缺点，也能形成复合中心能级，因而严重地,影响少数载流子寿命。所以，寿命值大小在很大程度上,反应了晶格完整性，是衡量材料质量一个主要指标。,总之，非平衡载流子寿命与材料完整性、一些杂质含量以及样品表面状态有极亲密关系，所以，称寿命,是“结构灵敏”参数。,第73页,73,六、俄歇复合,载流子从高能级向低能级跃迁，发生电子,-,空穴复合时，把多出能量传给另一个载流子，使这个载流子被激发到,能量更高能级,上去，当它重新跃迁回低能级时，多出能量常以声子形式放出，这种复合称为,俄歇复合,。该复合不发射光子，是一个,非辐射复合,。另外，电子和空穴复合时，也能够将能量转变为晶格振动能量，这就是伴伴随发射声子,无辐射复合过程,。,载流子从高能级向低能级跃迁，发生电子,-,空穴复合时，释放处一定能量。假如复合过程伴伴随放出光子，则称这种复合为,辐射复合,。,(,一,),定义,第74页,74,(,二,),各种俄歇复合过程,(,必须有三个载流子参加,),带间,俄歇,复合,与杂质缺点相关俄歇复合,第75页,75,普通来说，带间俄歇复合在,窄禁带,半导体中，以及,高温,情,况下起着主要作用；,与,杂质和缺点,相关俄歇复合过程，是影响半导体发光器,件发光效率主要原因。,第76页,76,(,三,),带间俄歇复合,(,如上图,a,d,所表示,),1.,复合率,对于图,(a),：表示,n,型半导体导带内一个电子和价带内一个空穴复合时，其多出能量被导带中另一个电子取得后，被激发到能量更高能级上，其电子,-,空穴正确复合率表示为,R,ee,.,对于图,(d),：表示,p,型半导体价带内一个空穴和导带内一个电子复合时，其多出能量被价带中另一个空穴取得后，被激发到能量更高能级上,(,对于空穴，能级愈低，能量愈高,),，其电子,-,空穴正确复合率表示为,R,hh,。,这两种复合率,意义,：单位体积内，单位时间中复合电子,-,空穴正确数目：,第77页,77,第78页,78,2.,产生率,下列图,(a),、,(b),过程分别是上图a),、,(d),过程逆过程。,对于图,(a),：表示价带中一个电子跃迁至导带产生电子,-,空穴正确同时，导带中高能级上一个电子跃迁回导带底。其电子,-,空穴正确产生率表示为,G,ee,。,对于图,(b),：表示价带中一个电子跃迁至导带中产生电子,-,空穴正确同时，价带中另一个空穴从其能量较高能级跃迁至价带顶，或者说价带空穴,1,与导带空穴,2,碰撞,产生电子,-,空穴对，其电子,-,空穴正确产生率表示为,G,hh,。,这两种产生率,意义,：单位体积内，单位时间中产生电子,-,空穴正确数目：,第79页,79,第80页,80,第81页,81,3.,净复合率,热平衡时产生率等于复合率：,非平衡载流子,净复合率,为：,第82页,82,该公式是非简并情况下俄歇复合,普遍理论公式,；,热平衡时有：,非热平衡时有：,半导体中注入非平衡载流子后，由：,可得净复合率为：,第83页,83,即复合率正比于非平衡载流子浓度，其寿命为：,小信号情况下，,第84页,84,5.5,陷阱效应,当半导体处于热平衡状态,时，施主、受主、复合中心或,任何其它杂质能级上，都有一定数目标电子，它,们,由平衡时,费米能级,和,分布函数,所决定。实际上，能级中电子是经过载流子俘获和产生过程来保持载流子平衡。,当半导体处于非平衡态，出现非平衡载流子时，平,衡,态遭到破坏，必定引发杂质能级上电子数目,改变,：假如电子增加，说明能级含有收容部分,非平衡电子作用；,假如电子降低，则可,以,看成能级含有收容空穴作用。,把杂质能级积累非,平衡,载流子作用称为陷阱效应,：,是在有非平衡载流子情况下发生一个效应；,全部杂质能级,都有一定陷阱效应；,陷阱,：把有显著陷阱效应,(,所积累非平衡载流子数目可,第85页,85,以与导带和价带中非平衡载流子数目相比拟,),杂质能级称,为,陷阱,，而把对应杂质和缺点称为,陷阱中心,。,第86页,86,陷阱,分类,：,电子陷阱,：若,r,n,r,p,，俘获电子能力远大于俘获空穴能,力，陷阱俘获电子后，极难俘获空穴，所以被俘获电子往,往在复合前就受到热激发又被重新释放回导带，这种陷阱就,是电子陷阱；,空穴陷阱,：若,r,p,r,n,，俘获空穴能力远大于俘获电子能,力，陷阱俘获空穴后，极难俘获电子，所以被俘获空穴往,往在复合前就受到热激发又被重新释放回价带，这种陷阱就,是空穴陷阱；,电子落入陷阱后，基本上不能直接与空穴复合，必须首,先被激发到导带，然后才能再经过复合中心而复合，这是,非稳定改变过程。陷阱中电子激发到导带所需平均,时间比导带俘获电子平均时间长得多，所以，陷阱存,在大大增加了从非平衡态恢复到平衡态弛豫时间。,第87页,87,有效陷阱中心,能级,E,t,靠近费米能级,E,F,，,E,t,=E,F,时最有效。,第88页,88,5.6,载流子扩散运动,因为浓度不均匀而造成载流子,(,电子或空穴,),由浓度高地方向浓度低地方运动过程称为,载流子扩散运动,。扩散运动完全是由粒子浓度不均匀所引发，是粒子,有规则运动,，但却与粒子,无规则运动,亲密相关。下面以,n,型,半导体为例，就,一维,情况分析,空穴扩散运动,。,第89页,89,非平衡载流子扩散,第90页,90,一、扩散定律,扩散,定律,扩散流密度,：单位时间经过扩散流过垂直单位截面积,载流子数。其与非平衡载流子浓度梯度成正比。,Sp,表示,空穴扩散流密度。,第91页,91,空穴扩散系数,Dp,：反应了非平衡少数载流子扩散本事大,小，单位为,cm,2,/s,。,式中负号表示空穴由浓度高地方向浓度低地方扩散。,上式描写了非平衡少数载流子空穴扩散规律。,第92页,92,二、稳态扩散方程,由表面注入空穴，不停向样品内部扩散，在扩散过程中，不停复合而消失。若用恒定光照射样品，那么在表面处非平衡载流子浓度将保持恒定值,(,p),0,。因为表面不停有注入，半导体内部各点空穴浓度也不随时间改变，形成稳定分布。这种情况称为,稳定扩散,。,第93页,93,恒定光照下到达稳定扩散，二者相等：,该方程是一维稳定扩散情况下非平衡少数载流子所恪守扩,散方程，称为,稳态扩散方程,。,第94页,94,其普遍解为：,下面讨论两种不一样情况下该解详细形式。,第95页,95,(,一,),样品足够厚,非平衡载流子还未抵达样品另一端，几乎均已消失，所以，该情况同无限厚样品。,等于,A,B=0,1.,解详细形式,第96页,96,非平衡载流子复合前扩散进半导体,平均深度,(,平均距离,),为：,其中,Lp,表示空穴在边扩散边复合过程中，降低至原值,1/e,时所扩散距离，标志着非平衡载流子深入样品平均距离，称为,扩散长度,。由扩散系数,(,普通有标准数据,),和材料寿,命决定。,2.,空穴扩散长度,Lp,第97页,97,3.,空穴扩散速度,v,dp,表明向内扩散空穴流大小如同表面空穴以,v,dp,速度向内运动,第98页,98,样品厚度为,W,，且在样品另一端将非平衡少数载流子全部引出。,1.,解详细形式,(,二,),样品厚度一定,边界条件第99页,99,第100页,100,表明非平衡载流子浓度在样品,内呈线性分布。,其浓度梯度为：,扩散流密度,为：,是一常数，意味着非平衡载流子,在样品中没有复合。,第101页,101,三、电子扩散定律和稳态扩散方程,电子扩散流密度,电子扩散系数,第102页,102,四、载流子扩散电流密度,载流子扩散运动形成,扩散电流,。,空穴扩散电流密度,电子扩散电流密度,第103页,103,五、三维情况下空穴扩散运动,假定载流子在各个方向扩散系数相同。,(,一,),扩散定律,(,二,),稳态扩散方程,扩散流密度散度负值是单位体积内空穴积累率：,单位时间、单位体积内因为复合而消失空穴数为：,稳定情况下二者相等：,第104页,104,(,三,),载流子扩散电流密度,空穴扩散电流密度,电子扩散电流密度,第105页,105,5.7,载流子漂移运动 爱因斯坦关系式,载流子在外加电场作用下运动称为载流子,漂移运动,。,一、载流子漂移运动,(,一,),载流子漂移电流密度,电子漂移电流密度,空穴漂移电流密度,第106页,106,(,二,),载流子扩散运动和漂移运动,若半导体中非平衡载流子浓度不均匀，同时又有外加电场作用，那么除了非平衡载流子,扩散运动,外，载流子还要做,漂移运动,。这时扩散电流和漂移电流叠加在一起组成半导体总电流。以下列图所表示,(,以,n,型半导体为例,),。,少数载流子空穴电流密度,多数载流子电子电流密度,总电流密度,第107页,107,第108页,108,三、爱因斯坦关系式,考虑一维情况下，处于热平衡状态不均匀,n,型半导体。其中，施主杂质浓度随,x,增加而减小，电子和空穴浓度也,是,x,函数,(,一,),载流子扩散电流密度,因为存在浓度梯度，所以可得电子、空穴扩散电流密度分别为：,第109页,109,(,二,),载流子漂移电流密度,电离杂质是不能移动，而载流子扩散运动有使载流子均匀分布趋势，造成半导体内部不再是处处保持电中性，所以体内必定存在静电场,|E|,。该电场又产生载流子漂移电流：,第110页,110,(,三,),爱因斯坦关系式,因为在平衡条件下，不存在宏观电流，所以电场方向必定是反抗扩散电流，使平衡时空穴总电流和电子总电流分别等于零,(,如右图所表示,),：,第111页,111,半导体内部出现电场后，其中各处电势不相等，是,x,函数，有：,第112页,112,所以，考虑电子能量时，须计入附加静电势能,-,qV(x),，所以导带底和价带顶能量分别为：,能带图如右图所表示。在非简并情况下，电子浓度为：,第113页,113,求导得：,同理，对于空穴可得：,这就是,爱因斯坦关系式,。,第114页,114,爱因斯坦关系式表明了非简并情况下载流子迁移率和扩散系,数之间关系；,即使爱因斯坦关系式是针对平衡载流子推导出来，但试验,证实，这个关系可直接用于非平衡载流子。这说明刚激发,载流子即使含有与平衡载流子不一样速度和能量，但因为晶,格作用，在比寿命,短得多时间内就取得了与该温度相,适应速度分布，所以在复合前绝大部分时间中已和平衡载,流子没有什么区分；,利用爱因斯坦关系式，由已知迁移率数据，能够得到扩散,系数。,第115页,115,四、电流密度方程式,利用爱因斯坦关系式可得半导体中总电流密度为：,对于非均匀半导体，平衡载流子浓度也随,x,而改变，扩散电流应由载流子总浓度梯度,dn/dx,和,dp/dx,决定，故上式可写为：,即半导体中同时存在扩散运动和漂移运动式,电流密度方程式,第116页,116,5.8,连续性方程式,以,n,型,半导体为例，就,一维,情况分析少数载流子在扩散运动和漂移运动同时存在时所恪守运动方程。,空穴浓度不但是位置,x,函数，也是时间,t,函数。单位体积内空穴随时间改变率为：,一、连续性方程,扩散项,漂移扩散耦合项,漂移项,净复合,其它,称为,连续性方程式,。,方程式左边项物理意义：在,x,处，单位体积内空穴随时间改变率。,第117页,117,第一项：因为扩散，单位时间、单位体积中积累空穴数,方程式右边各项物理意义：,第二、三项：因为漂移，单位时间、单位体积中积累空穴,数,第四项 ：小注入条件下，因为复合，单位时间、单位,体积中消失空穴数,第五项 ：因为外界其它原因引发单位时间、单位体积,中产生空穴数。,第118页,118,第119页,119,二、连续性方程应用,(,一,),稳态连续性方程,第120页,120,第121页,121,表示空穴在电场作用下，在寿命,时间内所漂移距离，称为空穴,牵引长度,。,稳态连续方程普遍解为：,第122页,122,其中,1,、,2,为下面方程两个根：,第123页,123,第124页,124,表明非平衡少数载流子浓度随,x,按指数规律衰减,第125页,125,表明电场很强，扩散运动能够忽略时，由表面注入非平衡载流子深入样品平均距离是,牵引长度,，而不是扩散长度。,第126页,126,即忽略电场影响时，方程式变成,稳态扩散方程式,。,第127页,127,(,二,),光激发载流子衰减,第128页,128,第129页,129,作 业,5.8 5.12 5.17 5.18,第130页,130,