半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)第一章課件

1、半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)第一章課件21.2 一、能帶的形成 能級(jí)：電子所處的能量狀態(tài)。 當(dāng)原子結(jié)合成晶體時(shí)，原子最外層的價(jià)電子實(shí)際上是被晶體中所有原子所共有，稱(chēng)為共有化。 共有化導(dǎo)致電子的能量狀態(tài)發(fā)生變化，產(chǎn)生了密集能級(jí)組成的準(zhǔn)連續(xù)-。 31.2 能帶 右圖為硅晶體的原子間相互作用示意圖sisisisisisisisisi41.2 能帶 二、能帶結(jié)構(gòu)與原子間距的關(guān)系 隨著原子間距的縮小，能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生的變化依次為各能級(jí)分立、出現(xiàn)能級(jí)分裂、合并為一個(gè)能帶、再次出現(xiàn)能級(jí)分裂等過(guò)程。 在“實(shí)際硅晶體原子間距”位置，共分裂為兩個(gè)能帶，較低的能帶被價(jià)電子填滿(mǎn)，較高的能帶是空的。51.2 能帶出現(xiàn)能級(jí)分裂合并為一個(gè)能

2、帶實(shí)際硅晶體原子間距價(jià)帶導(dǎo)帶61.2 能帶 三、簡(jiǎn)化的能帶結(jié)構(gòu) 圖1-3 導(dǎo)帶：接收被激發(fā)的電子（對(duì)于半導(dǎo)體） 價(jià)帶：通常被價(jià)電子填滿(mǎn)（對(duì)于半導(dǎo)體） EC：導(dǎo)帶底的能量 EV：價(jià)帶頂?shù)哪芰?EG：禁帶寬度，是打破共價(jià)鍵所需的最小能量，是材料特有的重要特性。71.3 有效質(zhì)量 有效質(zhì)量m*：考慮了晶格對(duì)于電子運(yùn)動(dòng)的影響并對(duì)電子靜止質(zhì)量進(jìn)行修正后得到的值。81.4導(dǎo)帶電子和價(jià)帶孔穴 1、金屬、半導(dǎo)體和絕緣體的區(qū)別 空帶、滿(mǎn)帶和不滿(mǎn)帶 能帶理論提出：一個(gè)晶體是否具有導(dǎo)電性，關(guān)鍵在于它是否有不滿(mǎn)的能帶存在。 在常溫下，半導(dǎo)體的價(jià)電子填滿(mǎn)價(jià)帶，只有少量電子離開(kāi)價(jià)帶形成不滿(mǎn)帶，才能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電91.4導(dǎo)帶電子

3、和價(jià)帶孔穴 按照能帶被電子填充的情況來(lái)分析金屬、半導(dǎo)體和絕緣體： 金屬：被電子填充的最高能帶是不滿(mǎn)的，而且能帶中的電子密度很高，所以金屬有良好的導(dǎo)電性。 絕緣體和半導(dǎo)體：在絕對(duì)零度時(shí)，被電子占據(jù)的最高能帶是滿(mǎn)的，沒(méi)有不滿(mǎn)的能帶存在。因此不能導(dǎo)電。101.4導(dǎo)帶電子和價(jià)帶孔穴 絕緣體的禁帶很寬，即使溫度升高，電子也很難從滿(mǎn)帶激發(fā)到空帶，因此很難導(dǎo)電。 半導(dǎo)體的禁帶較窄，在一定溫度下，電子容易從滿(mǎn)帶激發(fā)到空點(diǎn)，形成不滿(mǎn)帶，從而導(dǎo)電。111.4導(dǎo)帶電子和價(jià)帶孔穴 價(jià)帶：絕對(duì)0度條件下，半導(dǎo)體最上面的滿(mǎn)帶被價(jià)電子填充，稱(chēng)為價(jià)帶。 導(dǎo)帶：絕對(duì)0度條件下，價(jià)帶上面的空帶能夠接收從滿(mǎn)帶激發(fā)來(lái)的電子，從而能夠

4、導(dǎo)電，因此也稱(chēng)為導(dǎo)帶。 禁帶寬度：電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶所需要的最小能量。121.4導(dǎo)帶電子和價(jià)帶孔穴 禁帶的寬度區(qū)別了絕緣體和半導(dǎo)體；而禁帶的有無(wú)是導(dǎo)體和半導(dǎo)體、絕緣體之間的區(qū)別；絕緣體是相對(duì)的，不存在絕對(duì)的絕緣體。 導(dǎo)體具有任何溫度下電子部分填滿(mǎn)的導(dǎo)帶。 圖1-5：不同導(dǎo)電性物質(zhì)電子填充能帶情況。131.4導(dǎo)帶電子和價(jià)帶孔穴 半導(dǎo)體的導(dǎo)電過(guò)程：電子受到外界條件激發(fā)（如溫度），獲得能量，到達(dá)導(dǎo)帶，從而形成不滿(mǎn)帶。 半導(dǎo)體的電導(dǎo)率受溫度影響很大。141.4導(dǎo)帶電子和價(jià)帶孔穴 2、空穴 價(jià)帶頂附近的一些電子被激發(fā)到導(dǎo)帶后，留下一些空狀態(tài)，稱(chēng)為空穴。 半導(dǎo)體中參與導(dǎo)電的有：導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴

5、，二者統(tǒng)稱(chēng)為載流子。 價(jià)帶頂附近存在少量空穴的問(wèn)題，和導(dǎo)帶底附近存在少量電子的問(wèn)題，十分相似。151.5 硅、鍺、砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu) P18，圖1.6和圖1.7 在300K的禁帶寬度： 硅：1.12eV 鍺：0.67eV 砷化鎵：1.43eV 1.6雜質(zhì)能級(jí) 為了改善半導(dǎo)體的導(dǎo)電性，通常會(huì)加入適當(dāng)?shù)碾s質(zhì)，在禁帶中引入相應(yīng)的雜質(zhì)能級(jí)。161.6雜質(zhì)能級(jí) 在實(shí)際的半導(dǎo)體材料中，總是不可避免的存在各種類(lèi)型的缺陷。 為了改善半導(dǎo)體的導(dǎo)電性，通常會(huì)加入適當(dāng)?shù)碾s質(zhì)。 在禁帶中引入相應(yīng)的雜質(zhì)能級(jí)和缺陷能級(jí)。171.6雜質(zhì)能級(jí) 硅的四面體結(jié)構(gòu)，每個(gè)小棒代表了一個(gè)共價(jià)鍵。 雜質(zhì)以替位的方式摻入硅晶體中。181.6

6、雜質(zhì)能級(jí) 1、施主雜質(zhì)和施主能級(jí)（N型半導(dǎo)體） 族雜質(zhì)元素中最通用的是磷。 磷原子在取代原晶體結(jié)構(gòu)中的原子并構(gòu)成共價(jià)鍵時(shí)，多余的第五個(gè)價(jià)電子很容易擺脫磷原子核的束縛而成為自由電子。這個(gè)電子可以進(jìn)入導(dǎo)帶，稱(chēng)為導(dǎo)帶電子。 如圖1.8所示191.6雜質(zhì)能級(jí) 施主Donor，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的電子。 當(dāng)電子被束縛在施主雜質(zhì)周?chē)鷷r(shí)，施主雜質(zhì)稱(chēng)為中性施主；失去電子之后的施主雜質(zhì)稱(chēng)為電離施主。 摻入施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體為N（Negative）型半導(dǎo)體。施主雜質(zhì)的濃度記為ND。201.6雜質(zhì)能級(jí) 電離施主提供了一個(gè)局域化的電子態(tài)，相應(yīng)的能級(jí)稱(chēng)為施主能級(jí)Ed。 由于電子從施主能級(jí)激發(fā)到導(dǎo)帶所需

7、要的能量雜質(zhì)電離能很小，因此失主能級(jí)位于導(dǎo)帶底之下，并距離很近。211.6雜質(zhì)能級(jí) 施主電離能：導(dǎo)帶底和施主能及之間的能量間隔，稱(chēng)為施主電離能EI。 在只有施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體中，在溫度較低時(shí)，價(jià)帶中能夠激發(fā)到導(dǎo)帶的電子很少，起導(dǎo)電作用的主要是從施主能級(jí)激發(fā)到導(dǎo)帶的電子。221.6雜質(zhì)能級(jí) 2、受主雜質(zhì)和受主能級(jí)（P型半導(dǎo)體） 族雜質(zhì)元素中最通用的是硼。 硼原子在取代原晶體結(jié)構(gòu)中的原子并構(gòu)成共價(jià)鍵時(shí)，將因缺少一個(gè)價(jià)電子而形成一個(gè)空穴，于是半導(dǎo)體中的空穴數(shù)目大量增加。231.6雜質(zhì)能級(jí) Acceptor，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的空穴，并成為帶負(fù)電的離子。 摻入受主雜質(zhì)的半導(dǎo)體為P（P

8、ositive）型半導(dǎo)體。施主雜質(zhì)的濃度記為NA。241.6雜質(zhì)能級(jí) 受主接受電子稱(chēng)為受主雜志，提供了一個(gè)局域化的電子態(tài)，相應(yīng)的能級(jí)稱(chēng)為受主能級(jí)Ea。 受主雜質(zhì)很容易從價(jià)帶接收一個(gè)電子受主電離能很小，因此受主能級(jí)位于價(jià)帶之上，并距離很近。251.6雜質(zhì)能級(jí) 受主雜質(zhì)電離的另外一種表述：把中性的受主雜質(zhì)看成帶負(fù)電的硼離子在它周?chē)`一個(gè)帶正點(diǎn)的空穴，把受主雜質(zhì)從價(jià)帶接收一個(gè)電子的電離過(guò)程，看做被硼離子束縛的空穴被激發(fā)的導(dǎo)帶的過(guò)程。 這種說(shuō)法與施主雜質(zhì)把束縛的電子激發(fā)到導(dǎo)帶的電離過(guò)程完全類(lèi)似。261.6雜質(zhì)能級(jí) 半導(dǎo)體中同時(shí)摻有受主和施主雜質(zhì)，由于受主能級(jí)比施主能級(jí)低得多，施主能級(jí)上的電子首先要去

9、填充受主能級(jí)，使施主向?qū)峁╇娮拥哪芰褪苤飨騼r(jià)帶提供空穴的能力相互抵消而減弱，稱(chēng)為雜質(zhì)補(bǔ)償。 此時(shí)半導(dǎo)體的類(lèi)型由濃度較大的雜質(zhì)決定。271.7載流子的統(tǒng)計(jì)分布 研究載流子分布的兩個(gè)問(wèn)題：狀態(tài)密度和載流子占據(jù)這些狀態(tài)的概率。 1.7.1 狀態(tài)密度：?jiǎn)挝惑w積中每單位能量間隔的有效電子狀態(tài)的平均數(shù)目。 能帶是無(wú)數(shù)個(gè)能級(jí)“壓縮”而成的，而且能帶是量子化的，所以在這個(gè)能量范圍必然有一定數(shù)量的能級(jí)（軌道）存在。281.7載流子的統(tǒng)計(jì)分布 假設(shè)單位體積的導(dǎo)帶電子狀態(tài)數(shù)為NC，且都集中在導(dǎo)帶底，則導(dǎo)帶電子密度恰好為上述表達(dá)式，因此稱(chēng)NC為導(dǎo)帶有效狀態(tài)密度。 導(dǎo)帶狀態(tài)密度：1-7-4 價(jià)帶狀態(tài)密度：1-7-

10、7 狀態(tài)密度隨能量的變化：2/1)(ccEEN2/1)(EENvv291.7載流子的統(tǒng)計(jì)分布 1.7.2 費(fèi)米分布函數(shù)與費(fèi)米能級(jí) 熱平衡狀態(tài)下，一個(gè)能量為E的電子態(tài)被電子占據(jù)的概率為 稱(chēng)為費(fèi)米分布函數(shù)。說(shuō)明每個(gè)電子態(tài)被電子占據(jù)的概率隨能量E變化1)exp(1)(KTEEEfF301.7載流子的統(tǒng)計(jì)分布 K為波爾茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度。室溫下（300K）為0.0258ev。 EF為費(fèi)米能級(jí)：被電子占據(jù)的概率為1/2 是反應(yīng)電子在各個(gè)能級(jí)中分布情況的參數(shù)；費(fèi)米能級(jí)高，說(shuō)明電子占據(jù)高能級(jí)的概率大；費(fèi)米能及是電子填充能級(jí)水平高低的標(biāo)志311.7 載流子的統(tǒng)計(jì)分布 費(fèi)米能級(jí)隨溫度以及雜質(zhì)的種類(lèi)和多少的變

11、化而變化；熱平衡系統(tǒng)的費(fèi)米能及恒定 相應(yīng)的，能量為E的量子態(tài)未被電子占據(jù)，既被空穴占據(jù)的概率為1)exp(1)(1KTEEEfF321.7載流子的統(tǒng)計(jì)分布 對(duì)于E-EFKT的能級(jí)， 對(duì)于E-EFKT的能級(jí)， 稱(chēng)為經(jīng)典的玻爾茲曼分布。)exp()(KTEEEfF)exp()(1KTEEEfF331.7.3 能帶中電子和空穴的濃度 1、導(dǎo)帶電子濃度 其中稱(chēng)為導(dǎo)帶有效狀態(tài)密度KTEENnFCCexp32322hKTmNdnc34能帶中電子和空穴的濃度 2、價(jià)帶空穴濃度 其中 稱(chēng)為價(jià)帶有效狀態(tài)密度expFVVEEpNKT32322hKTmNdpV35能帶中電子和空穴的濃度 導(dǎo)帶電子濃度和價(jià)帶空穴濃度之

12、積 式中Eg為禁帶寬度。與溫度有關(guān)，可以把它寫(xiě)成經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式 其中 為禁帶寬度溫度系數(shù)，Eg0為0K時(shí)的Eg值。KTEVcgeNNnpTEEgg036能帶中電子和空穴的濃度 化簡(jiǎn)后得到 其中K1為常數(shù) 結(jié)論：在溫度已知的半導(dǎo)體中，熱平衡情況下，np之積只與狀態(tài)密度和禁帶寬度有關(guān)，而與雜質(zhì)濃度和費(fèi)米能級(jí)的位置無(wú)關(guān)。KTEgeTKnp03137本征半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體：沒(méi)有雜質(zhì)和缺陷的半導(dǎo)體。 未激發(fā)時(shí)，價(jià)電子全部位于價(jià)帶。 本征激發(fā)：溫度升高時(shí)，價(jià)電子沖破共價(jià)鍵束縛到達(dá)導(dǎo)帶。 電子-空穴對(duì)：n=p，稱(chēng)為電中性條件。 得到本征費(fèi)米能級(jí)，近似為禁帶中央能量，稱(chēng)為Ei。11ln(1 68)22VicVcN

13、EEEKTN38本征半導(dǎo)體 本征載流子濃度ni和pi： 稱(chēng)為質(zhì)量作用定律。在非本征半導(dǎo)體情況下同樣適用。在熱平衡情況下，已知ni和一種載流子的濃度，可以求得另外一種載流子的濃度12exp(1 69)2giiCVEnpN NKT2(1 70)inpn39本征半導(dǎo)體 也可以把電子和空穴濃度寫(xiě)成下面的形式： 1-7-14和1-7-17比1-7-28和1-7-29更常用。exp(1 71)FiiEEnnKTexp(1 72)iFiEEpnKT40只有一種雜質(zhì)的半導(dǎo)體 1、N型半導(dǎo)體 載流子的來(lái)源包含兩個(gè)過(guò)程：本征激發(fā)和雜質(zhì)電離 在低溫條件下：雜質(zhì)電離為主 在高溫條件下：本征激發(fā)為主 雜質(zhì)飽和電離：雜質(zhì)

14、基本上全部電離，而本征激發(fā)可以忽略。41只有一種雜質(zhì)的半導(dǎo)體 在雜質(zhì)飽和電離的溫度范圍內(nèi)，導(dǎo)帶電子濃度等于施主濃度 價(jià)帶空穴的濃度為 載流子濃度關(guān)系：電子濃度與施主濃度近似，遠(yuǎn)大于本征載流子濃度，空穴濃度遠(yuǎn)小于本征載流子濃度。dNn diiNnnnp2242只有一種雜質(zhì)的半導(dǎo)體 N型半導(dǎo)體：導(dǎo)帶電子為多子，價(jià)帶空穴為少子。兩種載流子的濃度相差非常懸殊 N型半導(dǎo)體在飽和電離下的費(fèi)米能級(jí) 結(jié)論：N型半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)位于導(dǎo)帶底之下，本征費(fèi)米能級(jí)之上，且施主濃度越高，越靠近導(dǎo)帶底；溫度升高，費(fèi)米能級(jí)遠(yuǎn)離導(dǎo)帶底。dCCFNNKTEElnlndFiiNEEKTn或43只有一種雜質(zhì)的半導(dǎo)體 2、P型半導(dǎo)體 在

15、雜質(zhì)飽和電離的溫度范圍內(nèi)有： 導(dǎo)帶電子濃度為： 費(fèi)米能級(jí)為aNp aiiNnpnn22aVVFNNKTEElniaiFnNKTEEln44只有一種雜質(zhì)的半導(dǎo)體 結(jié)論：對(duì)于P型半導(dǎo)體，在雜質(zhì)飽和電離溫度范圍之內(nèi)，費(fèi)米能級(jí)位于價(jià)帶頂之上，本征費(fèi)米能級(jí)之下。隨著摻雜濃度提高，費(fèi)米能級(jí)接近價(jià)帶頂；隨著溫度升高，費(fèi)米能級(jí)遠(yuǎn)離價(jià)帶頂。 溫度對(duì)費(fèi)米能級(jí)的影響：隨著溫度的升高，載流子的分布越來(lái)越接近于本征激發(fā)的情況，使得費(fèi)米能級(jí)越來(lái)越接近本征費(fèi)米能級(jí)。45雜質(zhì)補(bǔ)償半導(dǎo)體 前提條件：雜質(zhì)全部電離。 在 的半導(dǎo)體中，導(dǎo)帶電子濃度為： 價(jià)帶空穴濃度為：dNaNadNNnadiiNNnnnp2246雜質(zhì)補(bǔ)償半導(dǎo)體 費(fèi)

16、米能級(jí)為adCCFNNNKTEElniadiFnNNKTEEln47雜質(zhì)補(bǔ)償半導(dǎo)體 在 的半導(dǎo)體中，價(jià)帶空穴濃度為： 導(dǎo)帶電子濃度為 費(fèi)米能級(jí)為dNaNdaNNpdaiiNNnpnn22daVVFNNNKTEElnidaiFnNNKTEEln48雜質(zhì)補(bǔ)償半導(dǎo)體 若 ，則全部補(bǔ)償，能帶中的載流子只能由本征激發(fā)產(chǎn)生，稱(chēng)為完全補(bǔ)償半導(dǎo)體。 若溫度遠(yuǎn)高于飽和電離溫度后，本征激發(fā)為主，則滿(mǎn)足n=p，稱(chēng)為雜質(zhì)半導(dǎo)體進(jìn)入本征激發(fā)。此時(shí)所有本征情況下的公式都適用。dNaN49簡(jiǎn)并半導(dǎo)體 非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體：費(fèi)米能級(jí)位于禁帶之中，費(fèi)米分布函數(shù)可以用波爾茲曼分布函數(shù)來(lái)近似 簡(jiǎn)并半導(dǎo)體：費(fèi)米能級(jí)接近或進(jìn)入能帶，不能使用波

17、爾茲曼分布函數(shù)，而必須使用費(fèi)米分布函數(shù)來(lái)分析能帶中載流子的統(tǒng)計(jì)分布問(wèn)題501.8載流子的散射 散射：載流子在其熱運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，不斷與晶格、雜質(zhì)、缺陷等發(fā)生碰撞，無(wú)規(guī)則的改變其運(yùn)動(dòng)方向。這種碰撞現(xiàn)象通常稱(chēng)為散射。 漂移：由于電場(chǎng)作用，產(chǎn)生載流子沿電場(chǎng)方向的運(yùn)動(dòng)，稱(chēng)為漂移。漂移是規(guī)則的，是引起電荷運(yùn)動(dòng)的原因。511.8.2 載流子的散射過(guò)程 平均自由時(shí)間：兩次散射之間載流子存活（未被散射）的平均時(shí)間 平均自由時(shí)間為散射幾率的倒數(shù)。載流子遷移率的大小與平均自由時(shí)間有關(guān)，即載流子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中遭受散射的情況起著很大的作用。 521.8.2 載流子的散射過(guò)程 散射使載流子做無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致熱平衡狀態(tài)的確立

18、。 由于各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的載流子都存在，它們對(duì)電流的貢獻(xiàn)彼此抵消，因此在半導(dǎo)體中并沒(méi)有電流的流動(dòng)。531.9 電荷輸運(yùn)現(xiàn)象 在有外電場(chǎng)存在時(shí)，載流子將做漂移運(yùn)動(dòng)。 如果存在濃度梯度，還將做擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 漂移和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)將引起電荷的輸運(yùn)541.9.1 漂移運(yùn)動(dòng) 遷移率和電導(dǎo)率 載流子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律：散射（無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)）沿電場(chǎng)方向加速散射 平均弛豫時(shí)間： 為平均自由運(yùn)動(dòng)時(shí)間。t21551.9.1 漂移運(yùn)動(dòng) 遷移率和電導(dǎo)率 電子和空穴的遷移率分別寫(xiě)為： 因此遷移率與電子自由運(yùn)動(dòng)時(shí)間和有效質(zhì)量有關(guān)。 遷移率的物理意義：在單位電場(chǎng)強(qiáng)度的電場(chǎng)作用下，載流子所獲得的漂移速度的絕對(duì)值。 描述載流子在電池中做漂移運(yùn)動(dòng)的難易程度

19、nnnmq*pppmq*561.9.1 漂移運(yùn)動(dòng) 遷移率和電導(dǎo)率 對(duì)于硅，溫度升高，遷移率下降 給定溫度：遷移率隨雜質(zhì)濃度增加而下降。 弛豫時(shí)間：反映了散射對(duì)載流子的作用 散射概率：為弛豫時(shí)間的倒數(shù) 對(duì)摻雜樣品：電子遷移率隨溫度上升而增加571.9.1 漂移運(yùn)動(dòng) 遷移率和電導(dǎo)率 電導(dǎo)率：衡量載流子的導(dǎo)電性 N型和P型半導(dǎo)體的電導(dǎo)率分別為： 當(dāng)半導(dǎo)體中電子和空穴同時(shí)起作用的情況下。電導(dǎo)率為二者之和nnnqpppqpnnqnq581.9.2 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散電流 擴(kuò)散：載流子因濃度不均勻而發(fā)生的從濃度高的點(diǎn)向濃度低的點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。 擴(kuò)散流密度：由擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)引起的單位時(shí)間垂直通過(guò)單位面積的載流子數(shù)。 擴(kuò)散流密

20、度為： 負(fù)號(hào)表示載流子向濃度低的地方流動(dòng)dxdnDfndxdpDfp591.9.2 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散電流 Dp和Dn稱(chēng)為擴(kuò)散系數(shù)， 和 稱(chēng)為濃度梯度。 載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與濃度無(wú)關(guān)，僅與濃度梯度有關(guān)。 空穴擴(kuò)散電流密度為 電子擴(kuò)散電流密度為dxdpdxdndxdpqDPdxdnqDn60流密度、電流密度和電流方程 載流子的運(yùn)動(dòng)是擴(kuò)散和漂移運(yùn)動(dòng)的總和。 電流密度分別為（稱(chēng)為載流子運(yùn)輸方程）dxdnqDnEqJnnndxdpqDpEqJppp611.10非均勻半導(dǎo)體中的自建場(chǎng) 1、半導(dǎo)體中的靜電場(chǎng)和勢(shì) 電場(chǎng)與靜電勢(shì)的關(guān)系： 電勢(shì)與電子勢(shì)能的關(guān)系：dxdqE621.10非均勻半導(dǎo)體中的自建場(chǎng) 費(fèi)米勢(shì)：當(dāng)

21、電子占據(jù)費(fèi)米能級(jí)時(shí)所具有的電勢(shì) 于是有（以靜電勢(shì)表示的載流子濃度） VT稱(chēng)為半導(dǎo)體的熱電勢(shì)qEFTViennTVienp631.10非均勻半導(dǎo)體中的自建場(chǎng) 在熱平衡狀態(tài)下，費(fèi)米勢(shì)為常數(shù)，通常作為零電勢(shì)基準(zhǔn)，則有 以靜電勢(shì)表示的載流子濃度TVienn641.10非均勻半導(dǎo)體中的自建場(chǎng) 2、愛(ài)因斯坦關(guān)系 根據(jù)熱平衡時(shí)半導(dǎo)體中的總電流為0，得到愛(ài)因斯坦關(guān)系式 反映了擴(kuò)散系數(shù)和遷移率的關(guān)系。在非熱平衡狀態(tài)下也成立。qKTDppqKTDnn651.11非平衡載流子 熱平衡：在一定溫度下沒(méi)有外力和激發(fā)作用的穩(wěn)定態(tài)。 載流子運(yùn)輸現(xiàn)象中，外加電場(chǎng)的作用只是改變了載流子在一個(gè)能帶中的能級(jí)之間的分布，并沒(méi)有引起電

22、子在能帶之間的躍遷。 非平衡：在外力作用下，產(chǎn)生了載流子在能帶間的躍遷。661.11非平衡載流子 過(guò)剩載流子（非平衡載流子）：半導(dǎo)體偏離平衡狀態(tài)后，由于產(chǎn)生了載流子在能帶之間的躍遷，載流子的濃度比平衡態(tài)明顯增多，多出的那部分載流子稱(chēng)為非平衡載流子，也稱(chēng)為過(guò)剩載流子。 電注入；光注入671.11非平衡載流子 在非平衡狀態(tài)， 不再成立。 產(chǎn)生的非平衡載流子濃度分別表示為 并且 非平衡多子或過(guò)量多子；非平衡少子或過(guò)量少子2innp 0nnn0ppppn681.11非平衡載流子 小注入：如果所產(chǎn)生的過(guò)剩載流子濃度與熱平衡多數(shù)載流子濃度相比是很小的（ ）則多子濃度基本不變，而少子濃度等于注入的過(guò)剩載流子

23、濃度，稱(chēng)為小注入。 對(duì)N型半導(dǎo)體：0nn pnppppppnnnnnn)()(00000691.11非平衡載流子 大注入大注入：如果所產(chǎn)生的過(guò)剩載流子濃度與熱平衡多數(shù)載流子濃度相比擬，稱(chēng)為大注入。 載流子的復(fù)合復(fù)合：當(dāng)外界作用撤出后，由于半導(dǎo)體的內(nèi)部作用，非平衡載流子將逐漸消失，稱(chēng)為非平衡載流子的復(fù)合。 非平衡載流子的復(fù)合是非平衡態(tài)向平衡態(tài)的一種弛豫過(guò)程弛豫過(guò)程。701.11非平衡載流子 即使在平衡的半導(dǎo)體中，復(fù)合和產(chǎn)生同時(shí)存在，一定條件下達(dá)到平衡。 載流子的產(chǎn)生率產(chǎn)生率：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位體積內(nèi)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)數(shù)。有外力作用時(shí)占主導(dǎo)。 載流子的復(fù)合率復(fù)合率：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位體積內(nèi)復(fù)合的電子空穴對(duì)數(shù)。撤

24、銷(xiāo)外力作用時(shí)占主導(dǎo)。711.11非平衡載流子 在單位時(shí)間內(nèi)，由于多子與少子的復(fù)合而引起的非平衡載流子濃度的減少與非平衡載流子的濃度成比例，引入比例系數(shù) 。單位時(shí)間內(nèi)每個(gè)非平衡載流子被復(fù)合掉的概率。 凈復(fù)合率：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位體積內(nèi)被復(fù)合掉的非平衡載流子數(shù)（非平衡載流子的復(fù)合率）/1/p721.11非平衡載流子 非平衡載流子濃度隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律衰減。 是反映衰減快慢的時(shí)間常數(shù)，標(biāo)志著非平衡載流子在復(fù)合前平均存在的時(shí)間，通常稱(chēng)為非平衡載流子的壽命。tepp0731.11非平衡載流子 越大，非平衡載流子衰減的越慢。 壽命是半導(dǎo)體材料質(zhì)量的主要參數(shù)之一。 硅和鍺的非平衡載流子壽命長(zhǎng)，而砷化鎵的壽命短。74

25、1.12準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí) 在非熱平衡狀態(tài)，費(fèi)米能級(jí)不再有意義，電子和空穴的濃度需要用電子和空穴的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)表示，分別為 和 。TnViiFnienKTEEnnexpTpViFpiienKTEEnpexpFnEFpE751.12準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí) 和 分別為相應(yīng)的準(zhǔn)費(fèi)米勢(shì) 。 電子和空穴濃度之積為 : 由1-12-1看出，隨著注入的增加， 越靠近導(dǎo)帶底 ， 有1-12-2看出，隨著注入的增加 移向價(jià)帶頂 。npTnpViennp/ )(2FnEFpEcEvE761.12準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí) 修正后的歐姆定律 其中 和 稱(chēng)為電子和空穴的等效電導(dǎo)率。包括了漂移和擴(kuò)散的綜合效應(yīng)。 dxdxdxdqnAIJnnnnnn dxd

26、xdxdqpAIJpppppp nnqnx ppqpx771.12準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí) 從修正歐姆定律可以看出，費(fèi)米能級(jí)恒定（即 ）是電流為零的條件。 處于熱平衡的半導(dǎo)體，費(fèi)米能級(jí)恒定。 或者說(shuō)，熱平衡系統(tǒng)具有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)。00dxddxdpn，781.13復(fù)合機(jī)制 帶間復(fù)合：失去能量的導(dǎo)電電子直接“跳入”價(jià)帶的空穴，導(dǎo)致一對(duì)載流子消失，稱(chēng)為帶間復(fù)合，也稱(chēng)為直接復(fù)合。 復(fù)合中心：晶體中的一些雜質(zhì)和缺陷，它們?cè)诮麕е幸腚x導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂都比較遠(yuǎn)的局域化能級(jí)，即復(fù)合中心能級(jí)。 間接復(fù)合：通過(guò)復(fù)合中心的復(fù)合。電子躍遷到復(fù)合中心能級(jí)，然后再躍遷到價(jià)帶的空穴，導(dǎo)致一對(duì)載流子消失。791.13復(fù)合機(jī)制 復(fù)合率（產(chǎn)生率）：?jiǎn)挝粫r(shí)間，單位體積半導(dǎo)體中復(fù)合掉（產(chǎn)生）的電子空穴對(duì)數(shù)， 復(fù)合率可以表示為 其中r稱(chēng)為概率系數(shù)或復(fù)合系數(shù)，只與溫度有關(guān)。 產(chǎn)生率與n和p無(wú)關(guān)，等于熱平衡時(shí)的產(chǎn)生率。rnpR 20000irnprnRG