半導(dǎo)體物理北交經(jīng)典課件考研必備第五章

半導(dǎo)體物理北交經(jīng)典課件考研必備第五章第一頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五一、非平衡載流子的產(chǎn)生1．光注入

用波長比較短的光

照射到半導(dǎo)體光照?n?pnopo光照產(chǎn)生非平衡載流子第二頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五2．電注入3．非平衡載流子濃度的表示法產(chǎn)生的非子一般都用n，p來表示。達到動態(tài)平衡后：n=n0+n

p=p0+pn0，p0為熱平衡時電子濃度和空穴濃度，

n，p為非子濃度。

第三頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五對同塊材料：n=p

熱平衡時n0·p0=ni2，非平衡時n·p＞ni2

n型：

n—非平衡多子p—非平衡少子p型：p—非平衡多子n—非平衡少子第四頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五注意：

n，p—非平衡載流子的濃度n0，p0—熱平衡載流子濃度n，p—非平衡時導(dǎo)帶電子濃度和價帶空穴濃度第五頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五4．大注入、小注入●注入的非平衡載流子濃度大于平衡時的多子濃度，稱為大注入。n型：n>n0，p型：p>p0

●注入的非平衡載流子濃度大于平衡時的少子濃度，小于平衡時的多子濃度，稱為小注入。n型：p0<n<n0，或p型：n0<n<p0

第六頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五例：1cm的n型硅中，n05.51015cm-3,p03.1104cm-3.注入非子n=p=1010cm-3

則n<<n0，小注入但p>>p0。非平衡少子濃度>>平衡少子濃度即使小注入，實際上，非平衡少子起重要作用。第七頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五二、非平衡時的附加電導(dǎo)

熱平衡時：非平衡時：第八頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五——附加電導(dǎo)率

n型：多子：少子：

第九頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五光注入引起附加光電導(dǎo)光照R半導(dǎo)體第十頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五三、非平衡載流子的檢測與壽命1．非平衡載流子的檢測設(shè)外接電阻R>>r(樣品的電阻)外第十一頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五

無光照時：有光照后：第十二頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五第十三頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五2．非平衡載流子隨時間的變化規(guī)律

(1)隨光照時間的變化

t=0，無光照，Vr=0△Vrt0t>0，加光照↑有凈產(chǎn)生第十四頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五(2)取消光照在t=0時，取消照，復(fù)合>產(chǎn)生?！鱒rt0非平衡載流子在半導(dǎo)體中的生存時間稱為非子壽命。

↓有凈復(fù)合第十五頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五3．非子的平均壽命

假設(shè)t=0時，停止光照

t=t時，非子濃度為p(t)

t=t+t時，非子濃度為p(t+t)

在t時間間隔中，非子的減少量：p(t)—p(t+t)

單位時間、單位體積中非子的減少為：第十六頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五當t0時，t時刻單位時間單位體積被復(fù)合掉的非子數(shù)，為：假設(shè)復(fù)合幾率為第十七頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五

C為積分常數(shù)t=0時，第十八頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五0τt第十九頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五非子的平均壽命：

t=時，非子濃度減到：

τ為非平衡載流子的壽命第二十頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五§5.2準費米能級和非平衡載流子濃度

一、非平衡態(tài)時的準費米能級

第二十一頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五熱平衡狀態(tài)的標志－－統(tǒng)一的費米能級來描述電子和空穴濃度非平衡狀態(tài)－－導(dǎo)帶準費米能級價帶準費米能級二、非平衡態(tài)時的載流子濃度1．表達式第二十二頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五熱平衡態(tài)時：

非平衡時：

第二十三頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五2．準費米能級的位置

第二十四頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五N型材料：

略高于EF,遠離EF

P型材料：

略低于EF,遠離EF

小，大，第二十五頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五N型EcEvEFEFnEFpP型EcEvEFEFpEFn第二十六頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五3．非平衡態(tài)的濃度積與平衡態(tài)時的濃度積第二十七頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五EFn和EFp偏離的大小反映np

和ni2相差的程度，即半導(dǎo)體偏離熱平衡態(tài)的程度第二十八頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五§5.3非平衡載流子的復(fù)合

產(chǎn)生非子的外部作用撤除后，由于半導(dǎo)體的內(nèi)部作用，使它由非平衡態(tài)恢復(fù)到平衡態(tài)，非子逐漸消失，這一過程叫。第二十九頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五一、復(fù)合類型

按復(fù)合機構(gòu)分直接復(fù)合：?°EcEv間接復(fù)合：EcEv?°Et第三十頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五按復(fù)合發(fā)生的位置分表面復(fù)合

體內(nèi)復(fù)合

按放出能量的形式分

發(fā)射光子

俄歇復(fù)合

發(fā)射聲子

→輻射復(fù)合

→無輻射復(fù)合

第三十一頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五二、非子的直接復(fù)合

1．復(fù)合率和產(chǎn)生率(1)復(fù)合率：單位時間、單位體積中被復(fù)合的載流子對（電子、空穴對），量綱為：對(個)/s·cm3

用R表示

Rnp

R=rnp

r：比例系數(shù)，它表示單位時間一個電子與一個空穴相遇的幾率，通常稱為復(fù)合系數(shù)

第三十二頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五當n=n0，p=p0時，rn0p0=熱平衡態(tài)時單位時間、單位體積被復(fù)合掉的電子、空穴對數(shù)對直接復(fù)合，用Rd表示復(fù)合率Rd=rdnp—非平衡

Rd=rdn0p0—熱平衡

rd為直接復(fù)合的復(fù)合系數(shù)

第三十三頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五第三十四頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五非平衡態(tài)下的產(chǎn)生率第三十五頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五第三十六頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五第三十七頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五第三十八頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五EcEvEt?(一)(二)第三十九頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五電子由Ec→Et??(甲)(乙)(丙)(丁)第四十頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五第四十一頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五導(dǎo)帶的電子濃度→n復(fù)合中心上的空態(tài)→Nt-nt(甲)第四十二頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五復(fù)合中心上的電子濃度→

nt導(dǎo)帶中的空態(tài)S－為比例系數(shù),稱為電子激發(fā)幾率第四十三頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五熱平衡時，電子的產(chǎn)生率＝電子的復(fù)合率第四十四頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五(乙)第四十五頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五→淺能級雜質(zhì)→深能級雜質(zhì)（可做為復(fù)合中心）第四十六頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五對復(fù)合中心：第四十七頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五(丙)第四十八頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五(丁)第四十九頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五2．復(fù)合穩(wěn)態(tài)時復(fù)合中心的電子濃度

在穩(wěn)定時，甲、乙、丙、丁四個過程必須保持復(fù)合中心的電子數(shù)不變

甲+丁=乙+丙??(甲)(乙)(丙)(丁)第五十頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五甲丁丙乙第五十一頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五3．間接復(fù)合的復(fù)合率ui和壽命i

當復(fù)合達到穩(wěn)態(tài)時un=up

甲乙un電子的凈復(fù)合率第五十二頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五第五十三頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五

熱平衡時

上式為通過復(fù)合中心復(fù)合的普遍理論公式第五十四頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五非平衡態(tài)時

當nt很小時，近似地認為

第五十五頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五第五十六頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五(1)小注入的N型材料為深能級，接近Ei

第五十七頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五EcEvEFEt第五十八頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五同樣n0>>p1第五十九頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五N型材料的非子的間接復(fù)合壽命決定于空穴的壽命N型材料中,對壽命起決定作用的是復(fù)合中心對少子空穴的俘獲系數(shù)rp第六十頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五(2)小注入的p型材料EcEvEFEt非子的壽命決定于電子的壽命

第六十一頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五小注入時非子的壽命決定于少子的壽命。(3)大注入第六十二頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五4．有效復(fù)合中心第六十三頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五若：第六十四頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五第六十五頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五當時，最小,ui

極大位于禁帶中央的深能級是最有效的復(fù)合中心第六十六頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五●如果EtEc，那么由Ec—Et決定的n1大，

n1決定發(fā)射電子的產(chǎn)生率En=rnntn1大，電子容易從Et能級上發(fā)射出去，進入導(dǎo)帶，un=Cn-En，

●如果EtEV，那么p1，Et能級向價帶發(fā)射的空穴數(shù)，Et上凈俘獲的空穴幾率up。淺能級不能起有效的復(fù)合中心的作用第六十七頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五四、表面復(fù)合

—-半導(dǎo)體表面發(fā)生的復(fù)合過程1．表面復(fù)合率us

us：單位時間流過單位表面積的非平衡載流子，單位：個/s·cm2

：為樣品表面處單位體積的非子數(shù)(表面處的非子濃度1/cm3)少子的壽命受半導(dǎo)體的形狀和表面狀態(tài)的影響第六十八頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五個/s

cm2個/cm3cm/sS比例系數(shù)，表征表面復(fù)合的強弱，具有速度的量綱，稱為表面復(fù)合速度。第六十九頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五2．影響表面復(fù)合的因素及壽命表示式(1)表面粗糙度(2)表面積與總體積的比例(3)與表面的清潔度、化學氣氛有關(guān)

在考慮表面復(fù)合后，總的復(fù)合幾率為：第七十頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五§5.4陷阱效應(yīng)

一、陷阱效應(yīng)的類型第七十一頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五對于的雜質(zhì)，電子的俘獲能力遠大于俘獲空穴的能力，稱為電子陷阱?！瘛駥τ?/p>

的雜質(zhì)，

俘獲空穴的能力遠大于俘獲電子的能力，稱為空穴陷阱。第七十二頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五二、陷阱效應(yīng)的分析1．陷阱效應(yīng)中的載流子濃度穩(wěn)態(tài)時陷阱上的電子濃度nt第七十三頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五為陷阱上的非子濃度為俘獲電子，電子陷阱為俘獲空穴，

空穴陷阱

第七十四頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五第七十五頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五2．陷阱上的電子對電導(dǎo)的間接貢獻

沒有陷阱時：

有電子陷阱后：

第七十六頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五第七十七頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五三、有效陷阱效應(yīng)假設(shè)電子陷阱，rn>>rp

第七十八頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五當：第七十九頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五時，最有效第八十頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五●當Et>EF時，Ec-Et小，n1大，電子從Et激發(fā)到Ec的幾率大；

●當Et<EF時，在熱平衡態(tài)時，Nt中大部分已被電子占有，空穴很少，nt小Nt=4no

第八十一頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五no是少子，陷阱是少子陷阱電子陷阱是存在于P型材料中空穴陷阱是存在于N型材料中第八十二頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五四、飽和陷阱

以電子陷阱為例：達到平衡時：第八十三頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五要達到飽和：第八十四頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五

●n很大，可以忽略n1

∵n=n0+n，n很大，說明n很大，大注入

●n1很小，說明陷阱中心的位置遠離導(dǎo)帶

深陷阱和淺陷阱EcEvEt1Et2第八十五頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五t△p(△p)o/eττ’↓淺陷阱↓深陷阱第八十六頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五§5.5非平衡態(tài)下載流子的運動

對非平衡載流子有兩種定向運動：●電場作用下的漂移運動；●濃度差引起的擴散運動。第八十七頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五一、非平衡載流子的擴散運動和擴散電流1．非子的擴散運動和一維穩(wěn)態(tài)時的擴散方程

均勻摻雜的N型半導(dǎo)體

非子從一端沿整個表面均勻產(chǎn)生，且只在x方向形成濃度梯度，非子是沿x方向運動。第八十八頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五光照x非平衡載流子的擴散AB0xx+Δx第八十九頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五在x=x處，取截面A，x=x+x處取截面B，兩截面垂直于x軸，并且都為單位面積1cm2

擴散流密度Sp(x)：單位時間通過擴散流過垂直的單位截面積的載流子第九十頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五Dp為擴散系數(shù)，量綱為cm2/s

在x+x處，流密度為Sp(x+x)

在1秒鐘內(nèi)，在1x體積內(nèi)的非子數(shù)為：

Sp(x)-Sp(x+x)單位時間、單位體積中積累的非子為：第九十一頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五單位時間單位體積被復(fù)合掉的非子為：第九十二頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五在穩(wěn)態(tài)時，積累的載流子應(yīng)等于復(fù)合掉的載流子第九十三頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五2．典型樣品的分析(1)厚樣品W>>Lp

W＞＞Lpxhν第九十四頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五x△p0Lp第九十五頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五↑↑↑第九十六頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五w注入抽出第九十七頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五第九十八頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五x△p0w第九十九頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五3．非平衡載流子的擴散電流密度

空穴擴散電流密度電子擴散電流密度第一百頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五(Jp)擴→(Jn)擴←二、載流子的擴散和漂移運動N型材料,

在x方向方向加光照、電場

(Jp)漂→(Jn)漂→第一百零一頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五1．少子空穴電流

非平衡少子擴散電流：+x方向非平衡空穴和平衡空穴形成的漂移電流：+x方向少子電流密度：第一百零二頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五2．多子電流密度

非平衡多子形成的擴散電流：

-x方向

平衡多子與非平衡多子的漂移電流：+x方向第一百零三頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五多子電流密度：

3．總的電流密度

J=Jp+Jn第一百零四頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五三、愛因斯坦關(guān)系

考慮一塊處于熱平衡狀態(tài)的非均勻的N型半導(dǎo)體，其中施主雜質(zhì)濃度隨x增加而下降，電子濃度為no(x)第一百零五頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五電子擴散電流密度：漂移電流：平衡時電子的總電流等于0Jn=(Jn)漂+(Jn)擴=0第一百零六頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五導(dǎo)帶底的能量應(yīng)為Ec-qV(x)

第一百零七頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五第一百零八頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五對于空穴：室溫時：KT=0.026eVSi中：n=1350cm2/vs

第一百零九頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五總電流密度：四、電流連續(xù)性方程第一百一十頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五1．少子電流連續(xù)性方程的一般形式影響因素主要有：●由于電流的流通（載流子的擴散和漂移運動），從而使體內(nèi)的載流子。

●由于載流子復(fù)合使非子濃度。

●由于內(nèi)部有其它產(chǎn)生，使載流子。

第一百一十一頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五以N型半導(dǎo)體為例(1)少子流通xxx+△x取一小體積元dV，橫截面為單位面積假設(shè)流進dV多，每秒鐘凈留在dV中的空穴數(shù)為：Sp(x)→→Sp(x+△x)第一百一十二頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五在單位時間中凈留在單位體積中的空穴數(shù)為：第一百一十三頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五第一百一十四頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五(2)其它因素的產(chǎn)生率gp(3)復(fù)合率：少子濃度隨時間的變化規(guī)律：

對于P型材料，少子連續(xù)方程：第一百一十五頁，共一百三十頁，編輯于2023年，星期五2．連續(xù)性方程的應(yīng)用

(1)穩(wěn)態(tài)少子連續(xù)性方程

假設(shè)材料為N型材料，均勻摻雜，內(nèi)部也沒有其它產(chǎn)生，沿x方向加光照后，并加均勻電場，求達到穩(wěn)態(tài)時少子的分布規(guī)律。

●均勻摻雜：第一百一十六頁，共一百三十