第1章半导体材料的基本性质1.ppt

当WLp时，上式可简化为： 非平衡载流子浓度在样品内呈线性分布 其浓度梯度为 扩散流密度式为： 3. 扩散电流密度式 空穴与电子的扩散电流密度式 1.7.3 扩散系数与迁移率的关系——爱因斯坦关系式 电子和空穴的漂移电流密度 扩散电流和漂移电流叠加在一起构成半导体的总电流。则有： 1.7.4 扩散长度的物理意义 当x=Lp， 每个非平衡空穴所扩散的平均长度 扩散长度可由扩散系数和寿命算出扩散长度可由扩散系数和寿命算出 1.7.5 连续性方程 仍以N型半导体为例，就一维情况进行讨论，如图下所示。 由于扩散，单位时间单位体积中积累的空穴数为： 由于漂移运动，单位时间单位体积中积累的空穴数为： 单位体积内空穴随时间的变化率应当是单位体积内空穴随时间的变化率应当是 电子的连续性方程式： 1.4.3 杂质半导体的载流子浓度 在室温下对杂质半导体来说，要同时考虑杂质激发和本征激发两种结构，杂质半导体载流子的产生情况如图 杂质半导体中的杂质激发和本征激发 a） N型半导体 b）P型半导体 对于N型半导体，其少数载流子的浓度p为 对于P型半导体，其少数载流子的浓度n为 1.4.4 杂质半导体的费米能级及其与杂质浓度的关系 杂质半导体费米能级位置 a）本征半导体 b）N型半导体 c）P型半导体 1.4.5 杂质半导体随温度的变化 不论半导体中的杂质激发还是本征激发，都是依靠吸收晶格热振动能量而发生的。由于晶格的热振动能量是随温度变化的，因而载流子的激发也要随温度而变化。 载流子激发随温度的变化 a）温度很低 b）室温临近 c）温度较高 d）温度很高 伴随着温度的升高，半导体的费米能级也相应地发生变化 杂质半导体费米能级随温度的变化 a）N型半导体 b）P型半导体 Si、GaAs的费米能级随温度变化曲线 a）Si b）GaAs 1.5 非平衡载流子 处于热平衡状态的载流子浓度称为热平衡载流子浓度，用n0和p0分别表示热平衡电子浓度和热平衡空穴浓度，他们的乘积满足下式： 1.5.1 非平衡载流子的产生 如果对半导体施加外界作用，破坏了热平衡的条件，迫使它处于热平衡的相偏离的状态，称非平衡状态。 光照产生非平衡载流子示意图 1.5.2 非平衡载流子的寿命 产生非平衡载流子的外部条件撤出后，由于半导体的内部作用，使它由非平衡状态恢复到平衡态，过剩载流子逐渐消失，这一过程称为非平衡载流子的复合。非平衡载流子的指数衰减式为 非平衡载流子浓度随时间的变化率 1.5.3 非平衡载流子的复合类型 直接复合：指导带电子与空穴电子放出能量，直接跳回价带与空穴复合所引起的电子-空穴对的消失过程； 间接复合：指电子与空穴通过所谓复合中心进行的复合。 1.5.4 准费米等级 引入准费米能级后，非平衡状态下的载流子浓度也可以用与平衡载流子浓度类似的公式来表达 非平衡状态下电子浓度和空穴浓度乘积为 N型半导体小注入前后准费米能级偏离费米能级的程度 a）小注入前 b）小注入后 1.6载流子的漂移运动 半导体导带电子和价带空穴是可以参加导电的，它 们的导电性表现在当有外加电场作用在半导体上的 时候，导带电子和价带空穴将在电场作用下作定向 运动，传导电流，我们把该运动称为载流子的漂移 运动。 1.6.1 载流子的热运动与漂移运动 没有外电场作用下的运动称为随机热运动。在足够长的时间内，载流子的随机热运动将导致其净位移为零 a)随机热运动 b) 随机热运动和外加电场作用下的运动合成 随机热运动的结果是没有电荷迁移，不能形成电流。 引入两个概念： 大量载流子碰撞间存在一个路程的平均值，称为平均自由程，用λ表示，其典型值为10-5cm； 两次碰撞间的平均时间称为平均自由时间，用τ表示,约为1ps； 建立了上述随机热运动的图像后，就可以比较实际地去分析载流子在外加电场作用下的运动了。 外加电场E施加于半导体上时，每一个电子在电场力F=-qE的作用下，沿着电场的反方向在相继两次碰撞之间做加速运动，其加速度可表示为 对于价带空穴同样有 式中，mn ，mp为电子空穴的有效质量。 需要说明的是这个加速度不能累积，每次碰撞之后，这个定向漂移运动的初始速度下降为零。也就是说，载流子在电场作用下的加速度只有在两次散射间存在。 随机热运动和漂移运动的合成使载流子产生了净位移。 对于等加速度运动来说，经过平均自由时间τ之后的平均漂移速度应为 对电子 对于空穴 1.6.2 迁移率μ 迁移率定义为在单位电场作用下的载流子的漂移速度。 电子的迁移率μn（单位为cm2