半导体物理-侯艳芳 课件5-3.ppt

半导体处于非平衡态，平衡遭到破坏，引起杂质能级上电子数目的改变。如果电子增加，说明能级具有收容部分非平衡电子的作用。若是电子减少，则可以看成能级具有收容空穴的作用。杂质能级的这种积累非平衡载流子的作用就称为陷阱效应 杂质能级能否成为陷阱，还决定于能级的位置。杂质能级与平衡时费米能级重合时有利于陷阱作用 。低的能级平衡时已被电子填满，不能起陷阱作用。高的能级平衡时基本上是空着的，适于陷阱的作用，但是随着Et升高，电子被激发到导带的几率将迅速提高 。 电子落入陷阱后，基本上不能直接与空穴复合，要先被激发到导带，然后才能再通过复合中心而复合。 陷阱的存在大大增长了从非平衡态恢复到平衡态的弛豫时间。 三维情况各向同性条件下的非平衡载流子扩散问题 空穴扩散定律： 扩散流密度散度的负值就是单位体积内空穴的积累率： 稳定情况下，应等于单位时间在单位体积内由于复合而消失的空穴数： 7 非平衡载流子的漂移运动，爱因斯坦关系式 非平衡载流子的漂移运动 有外加电场时，表面注入非平衡载流子除了扩散运动外，还要作漂移运动。这时扩散电流和漂移电流量加在一起构成半导体总电流 考虑沿x方向电场，载流子的密度： n=n0+?n, p=p0+?p， ?n＝?p 空穴的电流密度为： 电子电流密度： 导带底的能量应为[Ec-qV(x)].在非简并平衡情况下电子的浓度应为： 电子和空穴总电流为零得 －－爱因斯坦关系式 －显示非简并情况下载流子迁移率和扩散系数之间的关系。 －爱因斯坦关系式由平衡载流子推导出来的，但可直接用于非平衡载流子 8 连续性方程 探讨扩散运动和漂移运动同时存在时少数载流子所遵守 的运动方程 连续性方程 一维情况n型半导体为例，x方向有电场，表面存在非平衡载流子注入，载流子浓度是时间和地点的函数。则半导体中同时存在扩散电流和漂移电流 单位时间单位体积中扩散积空穴数是 单位时间单位体积中漂移积累的空穴数 稳态连续性方程 均匀材料中平衡空穴浓度于x无关； 电场恒定 若表面光照恒定，p不随时间变化 ，且gp＝o。 连续性方程称为稳态连续性方程 空穴扩散电流: 电子扩散电流: 例：探针注入的情况，针尖陷入半导体表面形成半径为r0的半球。非平衡载流子浓度分布是r的函数，是一个具有球对称的情况。 在球坐标中，稳定情况下的扩散方程为: 取 ， 得解： 在边界处，沿径向的扩散流密度： 探针扩散比平面的多出一项，效率要高。因在平面情况下．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，增强了扩散效率 爱因斯坦关系式 : 半导体体内杂质分布如不均匀，则载流子浓度是位置x的函数。电离杂质是不能移动的，这使半导体内部不再是处处保持电中性，因而体内存在静电场E，而平衡条件下不存在宏观电流，因此电场的方向必然是阻碍扩散电流，使平衡时电子的总电流和空穴的总电流分别等于零；考虑电子的能量时，须计入附加的电势能 [－qV(x)]。 半导体中总的电流 小注入条件下，单位时间单位体积中复合消失的空穴是Δp/ τ, gp表示外界因索引起的单位时间位体积中空穴的变化。则单位体积内空穴随时间的变化--漂移运动和扩散运动同时存在时少数载流子所遵守的运动方程 ――连续性方程 * * 半导体物理 SEMICONDUCTOR PHYSICS 侯艳芳 Email: houyanfang@tongji.edu.cn 1、非平衡载流子的产生 2、非平衡载流子的复合 3、非平衡载流子的运动规律 第五章 非平衡载流子 Carrier concentrations in unequilibrium 重 点 §5.5 陷 阱 效 应 Effect of Trap 即图中的俘获电子或俘获空穴过程 1、陷阱： 在非平衡时，一部分附加产生的电子⊿nt（或空穴⊿pt ）落入Et中，起这种作用的杂质或缺陷能级Et就叫陷阱。 Effect of Trap 陷 阱 分 类 电子陷阱：能陷落电子的杂质或缺陷能级称为电子陷阱 空穴陷阱：能陷落空穴的杂质或缺陷能级称为空穴陷阱。 Effect of Trap 2、陷阱中陷落的电子浓度 Effect of Trap 作为有效的电子陷阱，应有 Effect of Trap 陷阱效应 杂质能级都有一定的陷阱效应。实际要考虑的是那些有显著积累非平衡载流子的杂质能级，它所