半导体物理_第六章..ppt

第六章 半导体中的非平衡过剩载流子本章学习要点：1. 了解有关过剩载流子产生与复合的概念；2. 掌握描述过剩载流子特性的连续性方程；3. 学习双极输运方程，并掌握双极输运方程的  几个典型的应用实例；4. 建立并深刻理解准费米能级的概念；5. 了解表面效应对过剩载流子复合的影响，并 掌握其定性分析的方法。 我们已经介绍了处于热平衡状态下的半导体材料。当有外加电压时，或者有电流流过半导体器件时，半导体材料实际上就处于一种非热平衡状态。 非热平衡状态：半导体材料处于外界作用力下的一种状态。 本章中将讨论非平衡的过剩载流子随着空间位置和时间的变化关系，这也是研究PN结稳态特性和双极型晶体管特性所必不可少的 §6.1 载流子的产生与复合 所谓载流子的产生，即把一个价带电子激发至导带，形成一对可以参与导电的电子－空穴对的过程；所谓载流子的复合，即一个导带电子跃迁至价带，使得一对本来可以参与导电的电子－空穴对消失的过程。 1. 热平衡状态下的半导体材料 对于处于热平衡状态的半导体材料来说，其中电子和空穴的浓度不随时间发生变化。但是这只是一种动态平衡，在半导体材料中仍然不断地存在着大量电子－空穴对的产生过程，同时也存在着大量电子－空穴对的复合过程。 假设电子和空穴的热产生率分别为Gn0和Gp0，其单位为cm-3?s-1，对于导带与价带之间的产生过程，电子和空穴都是成对产生的，因此有： 过剩电子和过剩空穴一般是由外界激发条件而产生的，其产生率通常记为gn和gp，对于导带与价带之间的直接产生过程来说，过剩电子和过剩空穴也是成对产生的，因此有： 当有过剩载流子产生时，外界的激发作用就已经打破了热平衡状态，电子和空穴的浓度也不再满足热平衡时的条件，即： 下图所示为半导体材料中过剩载流子的复合过程，如果撤掉外界作用，由于过剩载流子的复合作用，非热平衡状态将会逐渐地向热平衡状态恢复。 对于导带与价带之间的直接复合过程来说，电子发生复合的速率既与电子的浓度成正比，也与空穴的浓度成正比，因此有： 对于P型半导体，在小注入条件下上述方程变为 过剩少数载流子电子的复合率（通常其定义为一个正值）则可以表示为： 对于N型半导体材料，在小注入条件下，少数载流子空穴的浓度将以时间常数τp0进行衰减。 讨论过剩载流子产生和复合过程常用的符号 3. 产生与复合过程（1）带与带之间的产生与复合过程： （2）通过复合中心的间接产生与复合过程： （3）俄歇复合过程（三粒子过程）： 能量守恒和动量守恒的考虑：直接带隙半导体材料 间接带隙半导体材料 §6.2 连续性方程 过剩载流子的产生率和复合率无疑是非常重要的描述非平衡过剩载流子特性的参数，但是在有电场和浓度梯度存在的情况下，过剩载流子随着时间和空间位置的变化规律也具有同样的重要性。 因此单位时间内由于x方向空穴粒子流的通量而导致微分体积元中空穴的净增量为： 第二项则是由于空穴的产生作用而引起的单位时间内空穴的增加量，而第三项则是由于空穴的复合作用而引起的单位时间内空穴的减少量。上式中空穴的复合率表示为p/τpt，其中τpt既包含热平衡载流子寿命，又包含过剩载流子寿命。将上式两边分别除以微分体积元的体积，则有： 这两个电流密度公式中都分别包含了漂移电流项和扩散电流项。如果我们将上述两式分别除以电子的电量e，则可得到： 由于电子和空穴的浓度中既包含热平衡时的载流子浓度，也包含非热平衡条件下的过剩载流子浓度，而热平衡时的载流子浓度n0、p0一般不随时间变化，对于掺杂和组分均匀的半导体材料来说，n0和p0也不随空间位置变化，因此利用下述关系： 电子和空穴的连续性方程可进一步变换为下述形式： §6.3 双极输运过程 如果在有外加电场存在的情况下，在半导体材料中的某一点处产生出了一个脉冲的过剩电子和一个脉冲的过剩空穴，此时这些过剩电子和过剩空穴就会在外加电场的作用下朝着相反的方向漂移. 但是,由于这些过剩电子和过剩空穴都是带电的载流子，因此其空间位置上的分离就会在这两类载流子之间诱生出内部电场，而这个内建电场又会反过来将这些过剩电子和过剩空穴往一起拉，即内建电场倾向于将脉冲的过剩电子和过剩空穴保持在同一空间位置。 由于过剩电子和过剩空穴相互分离所诱生的内部电场示意图： 其中εS是半导体材料的介电常数。为了便于联立求解上述方程组，我们需要做适当的近似。可以证明，只需很小的内建电场就足以保证过剩电子和过剩空穴在一起共同漂移和扩散，因此我们可以假设： 为了确保内建电场的存在，以便使得过剩电子和过剩空穴能够在一起共同漂移和扩散，只需很小的过剩电子和