半导体物理第五章03.ppt

当半导体处于非平衡态时，出现非平衡载流子，这种平衡遭到破坏，必然引起杂质能级上电子数目的改变， 如果电子增加，说明该能级具有收容部分非平衡电子的作用； 如果电子减少，看成该能级具有收容空穴的作用； 杂质能级积累非平衡载流子的作用就称为陷阱效应。 实际过程中，只需考虑有显著积累非平衡载流子作用的杂质能级，它积累的非平衡载流子可与导带或价带中的非平衡载流子数目相当。 把具有显著陷阱效应的杂质能级称为陷阱，相应的杂质或缺陷称为陷阱中心。 与陷阱效应相关的问题常常比较复杂，一般要考虑复合中心与陷阱同时存在的情况，而且重要的是非稳定变化过程。这里要分析的仍然是非平衡载流子存在时俘获和产生过程所引起的变化。 原则上讲，复合中心理论可以用来分析有关陷阱效应的问题。 在稳定情况下，复合时的四个微观过程必须保持复合中心上的电子数不变，即nt为常数。由于①、④两个过程造成复合中心能级上电子的积累，而②、③两个过程造成复合中心上电子的减少，要维持 nt不变，必须满足稳定条件: 即 所以复合中心能级上的电子浓度为 浓度梯度为 此时，扩散流密度为常数 这意味着非平衡流子在样品中没有复合。 在晶体管中，基区宽度一般比扩散长度小得多，从发射区注入基区的非平载流子在基区的分布近似符合上述情况。 因为电子和空穴都是带电粒子，所以它们的扩散运动也必然伴随着电流的出现，形成扩散电流。 对于三维情况 扩散流密度的散度的负值就是单位体积内空穴积累率： 与前面的一维情况样品无限厚时的表达式相比，这里多了前面的 项。 可见，这里扩散的效率比平面情况要高。原因是很明显的，因为在平面情况下，浓度梯度完全依靠载流子进入半导体内的复合;而在球对称情况下，径向运动本身就引起载流子的疏散，造成浓度梯度，增强了扩散的效率。特别是当r0LP时，几何形状所引起的扩散的效果是很显著的，远超过复合所引起的扩散。这是有关探针接触现象中一个很重要的因素。 作业 P178的4、5、7 补充： 在外场作用下载流子的运动称作漂移运动，平衡态时 非平衡时，同样存在漂移运动，这时载流子的浓度为非平衡载流子的浓度 如果非平衡载流子浓度不均匀，同时又有外电场，那么就会同时存在扩散运动和漂移运动。 这时总的电流为扩散电流和漂移电流的和 此时，空穴的电流密度为： 电子的电流密度为： 通过对非平衡载流子的漂移运动和扩散运动的讨论，明显看到，迁移率是反映载流子在电场作用下运动难易程度的物理量，而扩散系数则反映存在浓度梯度时载流子运动难易程度。 爱因斯坦从理论上找到了扩散系数和迁移率之间的定量关系。 考虑一块处于热平衡的非均匀掺杂n型半导体，如图5-17所示，无外加电场，设其中施主杂质浓度随x的增大而下降，此时电子和空穴浓度也是x的函数，写成n0(x)和p0(x)。由于浓度梯度的存在，必然引起载流子沿x方向扩散，产生扩散电流。电子和空穴的扩散电流为： 因为电离杂质是不能运动的电荷中心，载流子的扩散运动有使载流子均匀分布的趋势，这使半导体内部不再处处保持电中性，因而此时半导体内部由电离杂质和载流子产生静电场 这个电场又产生载流子的漂移电流： 在平衡条件下，不存在宏观电流，扩散和漂移达到平衡，此时 下图示意地表示了n型半导体中电子的扩散和漂移。＋表示电离施主，●表示电子 由(5-113)、(5-115)和(5-117)得到 当半导体内部出现电场时，半导体的内部电势也是x的函数，写成V(x),则 在考虑电子的能量(n0的表达式中)时，必须计入附加的静电势能[-qV(x)]，因而导带底的能量为[Ec-qV(x)] 在非简并情况下，电子的浓度应为 求导得到： 将(5-120)和(5-122)代入(5-119)得到： 对于空穴，同理可以得到 式(5-123)和(5-124)称为爱因斯坦关系式。它表明了非简并情况下载流子迁移率和扩散系数之间的关系。 虽然爱因斯坦关系式是从平衡载流子推导出来的，但实验证明，这个关系可直接用于非平衡载流子。 利用爱因斯坦关系式，由已知的迁移率数据可以得到扩散系数。 由式(5-111)和(5-112)，再利用爱因斯坦关系式，可以得到半导体中的总的电流密度为： 对于非均匀半导体，平衡载流子浓度也随x变化，扩散电流应由载流子的总浓度梯度 所决定 此时，(5-125)式可以写成： 这就是半导体中同时存在扩散运动和漂移运动时的电流密度方程式。 当半导体中同时存在外电场 和浓度梯度时，则同时有扩散和飘移运动。 以n型半导体为例讨论一维情况，如下图所示，在表面注入非平衡载流子，同时有一x方向的电场 ，则少数载流子空穴将同时作