3-载流子输运现象.ppt

本章内容 载流子漂移与扩散 产生与复合过程 连续性方程式 热电子发射、隧穿及强电场效应 载流子漂移 杂质散射 杂质散射 例3：一硅晶样品掺入每立方厘米1016个磷原子，若样品的W=500μm，A=2.5×10-3cm2，I=1mA，Bz=10-4Wb/cm2，求其霍耳电压。 解： 根据有关公式得到霍耳系数 因此，霍耳电压为 载流子漂移 在半导体物质中，若载流子的浓度有一个空间上的变化，则这些载流子倾向于从高浓度的区域移往低浓度的区域，这个电流成分即为扩散电流。 扩散电流（diffusion current） 概念: 其中Dn=vthl称为扩散系数，dn/dx为电子浓度梯度。 对空穴存在同样关系 计算公式： 电子扩散电流密度 载流子扩散 假设电子浓度随x方向而变化，如图所示。 扩散电流密度公式的导出 由于半导体处于一定温度下，所以电子的平均热能不会随x而变，而只有浓度n(x)的改变而已 。 载流子扩散 电流 电子 电子浓度n(x) 距离x - l 0 l 首先考虑单位时间及单位面积中穿过x=0的平面的电子数目。由于处在非绝对零度，电子会做随机的热运动，设其中热运动速度为vth,平均自由程为l (l=vth·τc)。电子在x=-l，即在左边距离中心一个平均自由程的位置，其向左或右移动的几率相等，并且在一个平均自由时间内，有一半的电子将会移动穿过x=0平面，其单位面积电子流平均速率F1为 同样地，电子在x=l从右边穿过x=0平面的单位面积电子流平均速率F2为 载流子扩散 电流 电子 电子浓度n(x) 距离x - l 0 l 取泰勒级数展开式中的前两项，并在x=±l处的浓度作近似，可获得 因此从左至右，载流子流的净速率为 其中Dn=vthl称为扩散系数(diffusion coefficient 或diffusivity)，因为每一个电子带电-q，因此载流子流动遂产生一扩散电流 同理，对空穴存在同样关系 载流子扩散 例4：假设T=300K，一个n型半导体中，电子浓度在0.1cm的距离中从1×1018cm-3至7×1017cm-3作线性变化，计算扩散电流密度。假设电子扩散系数Dn=22.5cm2/s。 解： 根据相关公式，得到扩散电流密度为 载流子扩散 就一维空间情形，能量均分的理论可写为 利用上式和 爱因斯坦关系式(Einstein relation) ： 及 可得 即 意义：它把描述半导体中载流子扩散及漂移运输特征的两个重要常数(扩散系数及迁移率)联系起来。 导出： 载流子扩散 因此，空穴的扩散系数为 解：根据题意，空穴的漂移速率为 例5：室温下少数载流子(空穴)于某一点注入一个均匀的n型半导体中，施加一个50V/cm的电场于其样品上，且电场在100us内将这些少数载流子移动了1cm。求少数载流子的漂移速率及扩散系数。 则空穴的迁移率为 载流子扩散 上式中负号是因为对于一个正的空穴梯度而言，空穴将会朝负x方向扩散，这个扩散导致一个同样朝负x方向流动的空穴流。 对空穴流有相似关系： 当浓度梯度与电场同时存在时，漂流电流及扩散电流均会流动，在任何点的总电流密度即为漂移及扩散成分的总和，因此电子电流为 其中E为x方向的电场 电流密度方程式 意义及适用：方程式对于分析器件在低电场状态下的工作情形非常重要。然而在很高的电场状态下，unE及upE应该以饱和速度vs替代。 导出： 载流子扩散 在热平衡下，关系式pn=ni2 是成立的。但如果有超量载流子导入半导体中，以至于pnni2，称此状态为非平衡状态 非平衡状态(nonequilibrium situation) 载流子注入(carrier injection) 导入超量载流子的过程，称为载流子注入。大部分的半导体器件是通过创造出超出热平衡时的带电载流子数来工作的，可以用光激发和将p-n结加正向电压来实现导入超量载流子 。 产生与复合过程 当热平衡状态受到扰乱时(亦即pn≠ ni2)，会出现一些使系统回复平衡的机制(亦即pn=ni2)，在超量载流子注入的情形下，回复平衡的机制是将注入的少数载流子与多数载流子复合。 按是否通过复合中心进行复合来分： 复合： 复合类型： 按复合过程释放能量的方式分： 辐射复合：能量以光子的形式辐射出去的复合过程 非辐射复合：能量通过对晶格产生热而消耗掉的复合过程 直接复合：带自带间进行的复合。通常在直接禁带的半导体中较为显著，如砷化镓； 间接复