半导体器件原理Chapter1.ppt

* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * 讨论： 原则上，在适当的边界条件下，方程存在唯一解，但是由于复杂，要进行一定的简化和物理近似，在三种重要情况下可以求解这组连续性方程。 （1）稳态单边注入 （2）表面少数载流子 （3）海恩斯－肖克莱实验 （Haynes－Shockley ） * * （1）稳态单边注入 半无限长边界条件: 扩散长度 有限长边界条件: * * 在x＝W处，过剩的少数载流子全部抽出，方程的解为： 则 x＝W处的电流密度方程可由扩散电流表达式给出： * * （2）表面少子注入 边界条件： 一端存在表面复合，从半导体内流向表面的空穴 电流密度为qUs。表面复合使得表面处的载流子浓度降低，存在空穴浓度梯度，产生扩散电流，其值就等于表面复合电流。稳态时可得连续性方程。 * * （3）Haynes-Shockley实验 局部光脉冲在半导体样品中产生过剩载流子，连续性方程如下: 加外场时： * * Haynes-Shockley 实验：最早演示了少数载流子漂移和扩散的实验装置 * * 非稳态输运效应 大尺寸器件和低频器件：稳态输运方程 深亚微米器件：出现非稳态效应，如产生载流子速度过冲。 速度过冲： 在电场对于载流子的加速时间小于能量弛豫时间的尺度内，漂移速度将随时间变化。Si和GaAs中电子在时间阶梯电场作用下漂移速度随时间的变化，在加上电场后0.1ps时间内，漂移速度急剧上升达到一个极大值，并逐渐减小，并趋于稳定值。这种现象称为速度过冲。 * * §1.6 半导体的光学性质 在光的作用下，半导体中的电子也可以在不同状态之间跃迁并引起光的吸收或发射。半导体器件中最重要的光电子相互作用是能带间的跃迁。 电子在跃迁过程中要满足能量守恒和动量守恒 辐射跃迁和光吸收 * * 辐射跃迁 自发发射 受激发射 受激吸收 (1)本征跃迁 (2)非本征跃迁 光吸收 * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * Principle of Semiconductor Devices * 当晶体中有N个原胞,每个原胞中有n个原子,则晶体中有3nN个格波,分为3n支. ? 3n支格波中,有3支声学波, (3n-3)支光学波 晶格振动谱—格波的色散关系υ? q 纵声学波(LA), 横声学波(TA) 纵光学波(LO), 横光学波(TO) 格波的能量是量子化的: E= (n+1/2)hυ * Principle of Semiconductor Devices * 图4-7 图4-8 纵波 横波 声学波 光学波 * Principle of Semiconductor Devices * Γ K 图4-6 金刚石结构, 3支声学波, (1支LA,2支TA) 3支光学波 (1支LO,2支TO) * Principle of Semiconductor Devices * ?声子--格波的能量子 能量 hυ , 准动量 hq 温度为T时，频率为υ的格波的 ? 平均能量为 ? 平均声子数 * Principle of Semiconductor Devices * ?电子和声子的相互作用: 能量守恒,准动量守恒. 对单声子过程(电子与晶格交换一个声子,”+”—吸收声子, ”-”—发射声子): k,E和k’,E’分别为散射前后电子的波矢,能量 * Principle of Semiconductor Devices * ②声学波散射: (弹性散射)， 对能带具有单一极值的半导体,或多极值半导体中电子在一个能谷内的散射 ? 主要起散射作用的是长波 ? 长声学波中,主要起散射作用的是纵波（与声学波形变势相联系） 声学波散射几率随温度的升高而增加 * Principle of Semiconductor Devices * 图4-10 纵声学波造成原子分布疏密变化 纵光学波形成空间带正,负电区域 * Principle of Semiconductor Devices * ③光学波散射: (非弹性散射)， ? 对极性半