尼曼-半导体物理与器件第六章解析课件.ppt
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1、第六章第六章 半导体中的非平衡过剩载流子半导体中的非平衡过剩载流子0第六章第六章 半导体中的非平衡过剩载流子半导体中的非平衡过剩载流子1 载流子的产生与复合载流子的产生与复合 过剩载流子的性质过剩载流子的性质 双极输运双极输运 准费米能级准费米能级第六章第六章 半导体中的非平衡过剩载流子半导体中的非平衡过剩载流子2考虑直接带间跃迁:考虑直接带间跃迁:电子电子-空穴对空穴对产生产生:价带电子:价带电子跃迁跃迁到导带到导带形成导带电子,同时在价带留下空位。形成导带电子,同时在价带留下空位。电子电子-空穴对空穴对复合复合:导带电子:导带电子落回落回到价带到价带空位上,使导带中电子数减少一个,同空位上
2、,使导带中电子数减少一个,同时价带中空穴数减少一个。时价带中空穴数减少一个。热平衡状态,电子、空穴净浓度与热平衡状态,电子、空穴净浓度与时间无关,电子、空穴产生率(时间无关,电子、空穴产生率(Gn0、Gp0)与其复合()与其复合(Rn0、Rp0)率相等。)率相等。0000npnpGGRR第六章第六章 半导体中的非平衡过剩载流子半导体中的非平衡过剩载流子3除去热激发,可借助其它方法产生载流子,使电除去热激发,可借助其它方法产生载流子,使电子和空穴浓度偏离热平衡载流子浓度子和空穴浓度偏离热平衡载流子浓度n0、p0,此时,此时的载流子称为的载流子称为非平衡载流子非平衡载流子(n、p),偏离平衡),偏
3、离平衡值的那部分载流子称为值的那部分载流子称为过剩载流子过剩载流子(n、p)。)。0nnn0ppp产生非平衡载流子的方法:电注入(如产生非平衡载流子的方法:电注入(如pn 结)、光注入(如光探测器)等。结)、光注入(如光探测器)等。00npn p第六章第六章 半导体中的非平衡过剩载流子半导体中的非平衡过剩载流子4 假设高能光子注入半导体,导致价带中电子被激发跃入导假设高能光子注入半导体,导致价带中电子被激发跃入导带,产生过剩电子、过剩空穴。带,产生过剩电子、过剩空穴。 直接带间,过剩电子和空穴成对出现、成对复合:直接带间,过剩电子和空穴成对出现、成对复合: 直接带间复合是一种自发行为,因此电子
4、和洞穴的复合率直接带间复合是一种自发行为,因此电子和洞穴的复合率相对时间是一个常数。而复合的概率同时与电子和空穴的相对时间是一个常数。而复合的概率同时与电子和空穴的浓度成比例。浓度成比例。 外力撤除的情况下,电子浓度变化的比率为外力撤除的情况下,电子浓度变化的比率为 0ndn tGRdt 2rinn t p tnpRRnpggnp复合系数复合系数第六章第六章 半导体中的非平衡过剩载流子半导体中的非平衡过剩载流子5热平衡态:热平衡态:20000nnrriGRn pn 00rrRn t p tnn tpp t非非热平衡态热平衡态,电子的复合率,电子的复合率:方程方程 可简化为:可简化为: 2rid
5、n dtann t p t 200 rin tp tdn tdn tnnn tpp tdtdt注意:注意:n(t)既表示过剩多数载流子,也表示过剩少数载流子既表示过剩多数载流子,也表示过剩少数载流子 00rn tnpn t 第六章第六章 半导体中的非平衡过剩载流子半导体中的非平衡过剩载流子6 在某种注入下,在某种注入下,产生的过剩载流子产生的过剩载流子浓度远小浓度远小于热平衡多子于热平衡多子浓度浓度,此时称,此时称小注入小注入。 小注入下,半导体的导电性仍然由自身的掺杂条件所决定。小注入下,半导体的导电性仍然由自身的掺杂条件所决定。小注入条件小注入条件下的下的p型半导体型半导体,前式前式可简化
6、为:可简化为: 0rdn tpn tdt 0000rnp ttn tnene 过剩少数载流子寿命,过剩少数载流子寿命,在小注入时是一个常在小注入时是一个常量。量。100nrp注意注意:过过剩剩少 数 载少 数 载流 子 寿 命流 子 寿 命和多数载和多数载流子浓度流子浓度有关有关上式的解上式的解为:为: 000000pn tpnprrdn tn tnpn tn tpn tdt 小注入条件型半导体第六章第六章 半导体中的非平衡过剩载流子半导体中的非平衡过剩载流子7过剩少数载流子的复合率过剩少数载流子的复合率 00nrndn tn tRpn tdt 由于电子和空穴为成对复合,因而由于电子和空穴为成
7、对复合,因而 0npnn tRRn型半导体的小注入型半导体的小注入,过剩少数载流子空穴的寿命为过剩少数载流子空穴的寿命为100prn 0nppn tRR第六章第六章 半导体中的非平衡过剩载流子半导体中的非平衡过剩载流子8过剩载流子在过剩载流子在电场电场作用下的作用下的漂移漂移作用作用过剩载流子在过剩载流子在浓度梯度浓度梯度下的下的扩散扩散作用作用hE+-h对于小注入掺杂半导体,对于小注入掺杂半导体,有效扩散系数和迁移率有效扩散系数和迁移率都是对应少数载流子。都是对应少数载流子。过剩电子和过剩空穴过剩电子和过剩空穴的运动并不是相的运动并不是相互独立,它们的扩散和漂移都具有互独立,它们的扩散和漂移
8、都具有相相同的有效扩散系数同的有效扩散系数和和相同的迁移率相同的迁移率。第六章第六章 半导体中的非平衡过剩载流子半导体中的非平衡过剩载流子9空间中一个微元体积内空间中一个微元体积内粒子数随时间的变化关系粒子数随时间的变化关系与流入流出该区域的与流入流出该区域的粒子流密度粒子流密度及该区域内的及该区域内的产产生复合生复合的关系。的关系。 pxFxpxFxdxdxdydz连续性方程的根本出发点:电荷守恒定律连续性方程的根本出发点:电荷守恒定律xyz第六章第六章 半导体中的非平衡过剩载流子半导体中的非平衡过剩载流子10将将x+dx处的粒子流密度进行泰勒展开,只取前两项:处的粒子流密度进行泰勒展开,只
9、取前两项: pxpxpxFFxdxFxdxx微微分分体积体积元中,元中,单位时间内由单位时间内由x方向的方向的粒子流粒子流产生的产生的净增加量:净增加量: pxpxpxFpdxdydzFxFxdxdydzdxdydztx 空穴的产生率和复合率也会影响微分空穴的产生率和复合率也会影响微分体积体积中的空穴浓度。于是中的空穴浓度。于是微分体积单元中单位时间空穴的总微分体积单元中单位时间空穴的总增加量增加量为为:ppptFppdxdydzdxdydzg dxdydzdxdydztx dt时间内空时间内空穴浓度增量穴浓度增量该空间位置该空间位置的的流量散度流量散度复合率复合率微微分分体积元体积元产生产生
10、率率第六章第六章 半导体中的非平衡过剩载流子半导体中的非平衡过剩载流子11方程两侧除以微元体积,得到单位时间的空穴浓度净增加量方程两侧除以微元体积,得到单位时间的空穴浓度净增加量为为ppptFppgtx 同理,电子的一维连续性方程:同理,电子的一维连续性方程:nnntFnngtx 其中,其中,pt、nt包括热平衡载流子寿命以及过剩载流子寿命。包括热平衡载流子寿命以及过剩载流子寿命。第六章第六章 半导体中的非平衡过剩载流子半导体中的非平衡过剩载流子12 pppnnnpnJepEeDJenEeDxx pnpppnnnJJpnFpEDFnEDexex 一维空穴和电子的电流密度:一维空穴和电子的电流密
11、度:粒子流密度和电流密度有如下关系:粒子流密度和电流密度有如下关系:从中可以求出散度从中可以求出散度 或或 :pFxnFx2222 pnppnnFpEnEFpnDDxxxxxx 代入连续性方程代入连续性方程pxpptFppgtx nxnntFnngtx 第六章第六章 半导体中的非平衡过剩载流子半导体中的非平衡过剩载流子132222 pppnnnptntpEnEpppnnnDgDgtxxtxx 对于一维情况对于一维情况 pEnEpEnEEpEnxxxxxx得到电子和空穴的扩散方程得到电子和空穴的扩散方程2222pppptnnnntppEppDEpgxxxtnnEnnDEngxxxt得到:得到:第
12、六章第六章 半导体中的非平衡过剩载流子半导体中的非平衡过剩载流子14电子和空穴的扩散方程电子和空穴的扩散方程:2222pppptnnnntppEppDEpgxxxtnnEnnDEngxxxt 上述两式是有关电子和空穴与时间相关的上述两式是有关电子和空穴与时间相关的扩散方程扩散方程。由于电。由于电子和空穴的浓度中都包含了过剩载流子的成分,因此上述两子和空穴的浓度中都包含了过剩载流子的成分,因此上述两式也就是描述式也就是描述过剩载流子随着时间和空间变化的方程过剩载流子随着时间和空间变化的方程。 由于电子和空穴浓度中既包含热平衡载流子浓度,也包含非由于电子和空穴浓度中既包含热平衡载流子浓度,也包含非
13、平衡条件下的过剩载流子浓度;热平衡载流子浓度平衡条件下的过剩载流子浓度;热平衡载流子浓度n0、p0不不是时间的函数;在是时间的函数;在均匀均匀半导体中,半导体中,n0和和p0也与空间坐标无关。也与空间坐标无关。第六章第六章 半导体中的非平衡过剩载流子半导体中的非平衡过剩载流子15因此利用关系:因此利用关系: ,上述,上述方程可改写为:方程可改写为:2222pppptnnnntpppEpDEpgxxxtnnnEnDEngxxxt注意:上述两个时间相关的扩散方程中,既包含与注意:上述两个时间相关的扩散方程中,既包含与总载流子总载流子浓度浓度n、p相关的项,也包含仅与相关的项,也包含仅与过剩载流子浓
14、度过剩载流子浓度n、p相关相关的项。因此,上述两式就是的项。因此,上述两式就是均匀半导体均匀半导体中中过剩载流子浓度随过剩载流子浓度随着时间和空间变化着时间和空间变化的方程。的方程。00nnnppp,第六章第六章 半导体中的非平衡过剩载流子半导体中的非平衡过剩载流子16 第第5章中引起漂移电流的电场实际上指的是章中引起漂移电流的电场实际上指的是外加电场外加电场,该电,该电场在场在6.2节的扩散方程中仍出现。节的扩散方程中仍出现。 在外加电场下,半导体中某一点产生过剩电子和过剩空穴,在外加电场下,半导体中某一点产生过剩电子和过剩空穴,这些过剩电子、空穴在外加电场作用下朝这些过剩电子、空穴在外加电
15、场作用下朝相反方向相反方向漂移。漂移。 由于这些过剩电子、空穴都是带电载流子,因此其空间由于这些过剩电子、空穴都是带电载流子,因此其空间位位置上的分离置上的分离会在这两类载流子间诱生出会在这两类载流子间诱生出内建电场内建电场,而这内,而这内建电场反过来又将这些过剩电子、空穴往一起拉,即内建建电场反过来又将这些过剩电子、空穴往一起拉,即内建电场倾向于将过剩电子、空穴保持在同一空间位置。电场倾向于将过剩电子、空穴保持在同一空间位置。第六章第六章 半导体中的非平衡过剩载流子半导体中的非平衡过剩载流子17考虑内建电场后,考虑内建电场后,6.2节导出的电子和空穴与时间相关的扩散方节导出的电子和空穴与时间
16、相关的扩散方程中的电场同时包含外加电场和内建电场,即:程中的电场同时包含外加电场和内建电场,即:intappEEE由于过剩电子和过剩空穴分离所诱生的内建电场示意图由于过剩电子和过剩空穴分离所诱生的内建电场示意图其中,其中,Eapp为外加电场,而为外加电场,而Eint则为内建电场。则为内建电场。带负电的过剩电子和带正电的过剩空穴以同一个迁移率或扩散带负电的过剩电子和带正电的过剩空穴以同一个迁移率或扩散系数一起漂移或扩散。这种现象称为系数一起漂移或扩散。这种现象称为双极扩散双极扩散或或双极输运过程。双极输运过程。第六章第六章 半导体中的非平衡过剩载流子半导体中的非平衡过剩载流子18扩散方程描述了过
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- 尼曼 半导体 物理 器件 第六 解析 课件
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