第五章非平衡载流子.ppt

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1、第五章非平衡载流子现在学习的是第1页，共131页一、非平衡载流子的产生一、非平衡载流子的产生 1光注入光注入 用波长比较短的光 照射到半导体 光照npnopo光照产生非平衡载流子现在学习的是第2页，共131页2电注入电注入3非平衡载流子浓度的表示法非平衡载流子浓度的表示法 产生的非子一般都用n，p来表示。达到动态平衡后：n=n0+n p=p0+p n0，p0为热平衡时电子浓度和空穴浓度，n，p为非子浓度。现在学习的是第3页，共131页对同块材料：n=p 热平衡时n0p0=ni2，非平衡时npni2 n型：n非平衡多子 p非平衡少子 p型：p非平衡多子 n非平衡少子 现在学习的是第4页，共131

2、页注意：注意：n，p非平衡载流子的浓度 n0，p0热平衡载流子浓度 n，p非平衡时导带电子浓度 和价带空穴浓度 现在学习的是第5页，共131页4大注入、小注入大注入、小注入 注入的非平衡载流子浓度大于平衡时的多子浓 度，称为大注入大注入。n型：nn0，p型：pp0 注入的非平衡载流子浓度大于平衡时的少子浓 度，小于平衡时的多子浓度，称为小注入小注入。n型：p0nn0，或p型：n0pp0 现在学习的是第6页，共131页例：例：1 cm的的n型硅中，型硅中，n0 5.5 1015cm-3,p0 3.1 104cm-3.注入非子注入非子 n=p=1010cm-3 则则 n p0。非平衡少子浓度非平衡

3、少子浓度平衡少子浓度平衡少子浓度即使小注入，即使小注入，实际上，非平衡少子起重要作用。实际上，非平衡少子起重要作用。现在学习的是第7页，共131页二、非平衡时的附加电导二、非平衡时的附加电导 热平衡时热平衡时：非平衡时非平衡时：现在学习的是第8页，共131页附加电导率附加电导率 n型：多子：少子：现在学习的是第9页，共131页光注入引起附加光电导光照R半导体三、非平衡载流子的检测与寿命三、非平衡载流子的检测与寿命 1非平衡载流子的检测非平衡载流子的检测设外接电阻 R r(样品的电阻)外现在学习的是第10页，共131页 无光照时无光照时：有光照后有光照后：小注入小注入现在学习的是第11页，共13

4、1页现在学习的是第12页，共131页2非平衡载流子随时间的变化规律非平衡载流子随时间的变化规律(1)随光照时间的变化随光照时间的变化 t=0，无光照，Vr=0 Vrt0t0，加光照 有净产生现在学习的是第13页，共131页(2)取消光照取消光照 在t=0时，取消光照，复合产生 。Vrt0非平衡载流子在半导体中的生存时间称为非子寿命非子寿命。有净复合现在学习的是第14页，共131页3非子的平均寿命非子的平均寿命 假设t=0时，停止光照 t=t时，非子浓度为p(t)t=t+t时，非子浓度为p(t+t)在t时间间隔中，非子的减少量：p(t)p(t+t)单位时间、单位体积中非子的减少为：现在学习的是第

5、15页，共131页当t0时，t时刻单位时间单位体积被复合掉的非子数，为：假设复合几率为 现在学习的是第16页，共131页 C为积分常数 t=0 时，现在学习的是第17页，共131页0t现在学习的是第18页，共131页非子的平均寿命：t=时，非子浓度减到：为非平衡载流子的寿命为非平衡载流子的寿命现在学习的是第19页，共131页5.2 准费米能级和非平衡载流准费米能级和非平衡载流子浓度子浓度 一、非平衡态时的准费米能级一、非平衡态时的准费米能级 现在学习的是第20页，共131页热平衡状态的标志热平衡状态的标志统一的费米能级统一的费米能级来来 描述电子和空穴浓度描述电子和空穴浓度非平衡状态非平衡状态

6、导带准费米能级导带准费米能级 价带准费米能级价带准费米能级二、非平衡态时的载流子浓度二、非平衡态时的载流子浓度 1表达式表达式现在学习的是第21页，共131页热平衡态时热平衡态时：非平衡时非平衡时：现在学习的是第22页，共131页2准费米能级的位置准费米能级的位置 现在学习的是第23页，共131页N型材料：型材料：略高于EF,远低于EF P型材料：型材料：略低于EF,远高于EF n略大于略大于n0p远大于远大于p0p略大于略大于p0n远大于远大于n0现在学习的是第24页，共131页N型EcEvEFEFnEFpP型EcEvEFEFpEFn现在学习的是第25页，共131页3非平衡态的浓度积与平衡态

7、时的浓度积非平衡态的浓度积与平衡态时的浓度积现在学习的是第26页，共131页EFn和和EFp偏离的大小反映偏离的大小反映 np 和和 ni2 相差的程度，即半导体相差的程度，即半导体偏离热平衡态的程度偏离热平衡态的程度现在学习的是第27页，共131页5.3 非平衡载流子的复合非平衡载流子的复合 产生非子的外部作用撤除后，由于半导产生非子的外部作用撤除后，由于半导体的内部作用，使它由非平衡态恢复到平衡体的内部作用，使它由非平衡态恢复到平衡态，非子逐渐消失，这一过程叫态，非子逐渐消失，这一过程叫。现在学习的是第28页，共131页一、复合类型一、复合类型 按复合机构分按复合机构分直接复合直接复合：E

8、cEv间接复合间接复合：EcEvEt现在学习的是第29页，共131页按复合发生的位置分按复合发生的位置分 表面复合表面复合 体内复合体内复合 按放出能量的形式分按放出能量的形式分 发射光子发射光子 俄歇复合俄歇复合 发射声子发射声子 辐射复合辐射复合 无辐射复合无辐射复合 能量给予其能量给予其它载流子它载流子 现在学习的是第30页，共131页二、非子的直接复合二、非子的直接复合 1复合率和产生率复合率和产生率(1)复合率：复合率：单位时间、单位体积中被复合的载流子对（电子、空穴对），量纲为：对(个)/scm3 用R表示 R np R=rnp r：比例系数，它表示单位时间一个电子与一个空穴相遇的

9、几率，称为电子电子-空穴复合概率空穴复合概率 现在学习的是第31页，共131页当 n=n0，p=p0 时，r n0 p0=热平衡态时单位时间、单位体积被复合掉的电子、空穴对数对直接复合，用 Rd 表示复合率 Rd=rdnp非平衡 Rd=rdn0p0热平衡 rd 为直接复合的复合概率为直接复合的复合概率 现在学习的是第32页，共131页Q 在所有非简并情况下，基本相同，在所有非简并情况下，基本相同，与温度有关，与与温度有关，与 n,p 无关无关现在学习的是第33页，共131页非平衡态下的产生率现在学习的是第34页，共131页现在学习的是第35页，共131页现在学习的是第36页，共131页现在学习

10、的是第37页，共131页EcEvEt(一)(二)现在学习的是第38页，共131页电子由EcEt(甲)(乙)(丙)(丁)现在学习的是第39页，共131页现在学习的是第40页，共131页导带的电子浓度n复合中心上的空态Nt-nt(甲甲)现在学习的是第41页，共131页复合中心上的电子浓度 nt导带中的空态s为比例系数为比例系数,称为称为电子激发概率电子激发概率现在学习的是第42页，共131页热平衡时，电子的产生率电子的复合率热平衡时，电子的产生率电子的复合率现在学习的是第43页，共131页(乙乙)现在学习的是第44页，共131页浅能级杂质浅能级杂质深能级杂质深能级杂质（复合中心）（复合中心）现在学

11、习的是第45页，共131页对复合中心：对复合中心：现在学习的是第46页，共131页(丙丙)(丁丁)现在学习的是第47页，共131页现在学习的是第48页，共131页2复合稳态时复合中心的电子浓度复合稳态时复合中心的电子浓度 在稳定时，甲、乙、丙、丁四个过程在稳定时，甲、乙、丙、丁四个过程必须保持复合中心的电子数不变必须保持复合中心的电子数不变 甲甲+丁丁=乙乙+丙丙(甲)(乙)(丙)(丁)现在学习的是第49页，共131页甲甲丁丁丙丙乙乙现在学习的是第50页，共131页3间接复合的复合率间接复合的复合率ui和寿命和寿命 i 当复合达到稳态时 un=up 甲甲乙乙un电子的净复合率电子的净复合率电子

12、净俘获率电子净俘获率空穴净俘获率空穴净俘获率现在学习的是第51页，共131页现在学习的是第52页，共131页 热平衡时热平衡时 上式为通过复合中心复合的普遍理论公式上式为通过复合中心复合的普遍理论公式现在学习的是第53页，共131页非平衡态时非平衡态时 当nt很小时，近似地认为 现在学习的是第54页，共131页现在学习的是第55页，共131页(1)小注入的小注入的N 型材料型材料为深能级，接近Ei 现在学习的是第56页，共131页EcEvEFEt同样 n0p1现在学习的是第57页，共131页N型材料的非子的间接复合寿命决定于空穴型材料的非子的间接复合寿命决定于空穴的寿命的寿命 N型材料中型材料

13、中,对寿命起决定作用的是复合中对寿命起决定作用的是复合中 心对少子空穴的俘获系数心对少子空穴的俘获系数 rp现在学习的是第58页，共131页(2)小注入的小注入的p型材料型材料EcEvEFE t非子的寿命决定于电子的寿命非子的寿命决定于电子的寿命 小注入时非子的寿命决定于少子的寿命。小注入时非子的寿命决定于少子的寿命。现在学习的是第59页，共131页(3)大注入现在学习的是第60页，共131页4有效复合中心有效复合中心现在学习的是第61页，共131页若：电子俘获系数电子俘获系数空穴俘获系数空穴俘获系数现在学习的是第62页，共131页现在学习的是第63页，共131页当时，最小,复合率ui 极大位

14、于禁带中央的深能级是最有效的复合中心位于禁带中央的深能级是最有效的复合中心现在学习的是第64页，共131页 如果如果 Et Ec，那么由，那么由 EcEt 决定的决定的 n1 大，大，n1 决决定定发发射射电电子子的的产产生生率率 Qn=rnntn1 大大，电电子子容容易易从从 Et 能能级级上上发发射射出出去去，进进入入导导带带，un=RnQn，如如果果 Et EV，那那么么 p1，Et 能能级级向向价价带带发发射射的的空空穴数穴数 ，Et 上净俘获的空穴几率上净俘获的空穴几率 up。浅能级不能起有效的复合中心的作用浅能级不能起有效的复合中心的作用现在学习的是第65页，共131页四、表面复合

15、四、表面复合 -半导体表面发生的复合过程半导体表面发生的复合过程1表面复合率表面复合率us us：单位时间流过单位表面积的非平衡载流子，单位：个/scm2：为样品表面处单位体积的非子数(表面处的非子浓度1/cm3)少子的寿命受半导体的形状和表面状态的影响少子的寿命受半导体的形状和表面状态的影响现在学习的是第66页，共131页个/s cm2个/cm3cm/sS比例系数，表征表面复合的强弱，具有速度的量纲，称为表面复合速度表面复合速度。现在学习的是第67页，共131页2影响表面复合的因素及寿命表示式影响表面复合的因素及寿命表示式(1)表面粗糙度表面粗糙度(2)表面积与总体积的比例表面积与总体积的比

16、例(3)与表面的清洁度、化学气氛有关与表面的清洁度、化学气氛有关 在考虑表面复合后，总的复合几率为：现在学习的是第68页，共131页五、俄歇复合非辐射复合五、俄歇复合非辐射复合 载流子从高能级向低能级跃迁，发生电子载流子从高能级向低能级跃迁，发生电子空穴复合时，将多余的能量传给另一载空穴复合时，将多余的能量传给另一载流子，使此载流子被激发到能量更高的能流子，使此载流子被激发到能量更高的能级上去，当它重新跃迁回低能级时，多余级上去，当它重新跃迁回低能级时，多余的能量以声子形式放出。的能量以声子形式放出。现在学习的是第69页，共131页n 型型p 型型俄歇复合俄歇复合杂质带杂质带现在学习的是第70

17、页，共131页5.4 陷阱效应陷阱效应陷阱效应陷阱效应：杂质能级积累非平衡载流子的作用。：杂质能级积累非平衡载流子的作用。所有杂质能级都有一定的陷阱作用。所有杂质能级都有一定的陷阱作用。陷阱陷阱：有显著陷阱效应的杂质能级。：有显著陷阱效应的杂质能级。陷阱中心陷阱中心：相应的杂质和缺陷称为陷阱中心。：相应的杂质和缺陷称为陷阱中心。现在学习的是第71页，共131页对于 的杂质，电子的俘获能力远大于俘获空穴的能力，称为电子陷阱电子陷阱。对于 的杂质，俘获空穴的能力远大于俘获电子的能力，称为空穴陷阱空穴陷阱。一、陷阱效应的类型一、陷阱效应的类型 现在学习的是第72页，共131页二、陷阱效应的分析二、陷

18、阱效应的分析1陷阱效应中的载流子浓度陷阱效应中的载流子浓度陷阱上的电子浓度 nt复合中心理论可用来分析有关陷阱效应的问题复合中心理论可用来分析有关陷阱效应的问题现在学习的是第73页，共131页为陷阱上的非子浓度 为俘获电子，电子陷阱 为俘获空穴，空穴陷阱 nt0 稳定时陷阱上的电子浓度稳定时陷阱上的电子浓度现在学习的是第74页，共131页现在学习的是第75页，共131页2陷阱上的电子对电导的间接贡献陷阱上的电子对电导的间接贡献 没有陷阱时：没有陷阱时：有电子陷阱后：有电子陷阱后：现在学习的是第76页，共131页现在学习的是第77页，共131页三、有效陷阱效应三、有效陷阱效应假设电子陷阱，假设电

19、子陷阱，rn rp 现在学习的是第78页，共131页当：当：俘获的电子最多俘获的电子最多现在学习的是第79页，共131页最大 时，电子陷阱最有效电子陷阱最有效现在学习的是第80页，共131页当 EtEF 时，EcEt 小，n1 大，电子从 Et 激发到 Ec 的几率大；当 EtLp WLpxh边扩散边复合边扩散边复合现在学习的是第94页，共131页xp0Lp现在学习的是第95页，共131页表面处的空穴表面处的空穴扩散流密度扩散流密度向内扩散的空穴流的大小如同表面的空穴以向内扩散的空穴流的大小如同表面的空穴以Dp/Lp的速度向内运动一样。的速度向内运动一样。现在学习的是第96页，共131页w注入

20、抽出无复合，另一端将非子全部引出无复合，另一端将非子全部引出现在学习的是第97页，共131页现在学习的是第98页，共131页xp0w常数常数非平衡载流子在样品中没有复合非平衡载流子在样品中没有复合现在学习的是第99页，共131页3非平衡载流子的扩散电流密度非平衡载流子的扩散电流密度 空穴扩散电流密度空穴扩散电流密度 电子扩散电流密度电子扩散电流密度 现在学习的是第100页，共131页(Jp)扩(Jn)扩二、载流子的扩散和漂移运动二、载流子的扩散和漂移运动N型材料型材料,在在 x 方向方向加光照、电场方向方向加光照、电场(Jp)漂(Jn)漂x,E现在学习的是第101页，共131页1少子空穴电流少

21、子空穴电流 非平衡少子扩散电流：非平衡少子扩散电流：+x方向 非平衡空穴和平衡空穴形成的漂移电流：非平衡空穴和平衡空穴形成的漂移电流：+x方向 少子电流密度：少子电流密度：现在学习的是第102页，共131页2多子电流密度多子电流密度 非平衡多子形成的扩散电流：非平衡多子形成的扩散电流：-x方向 平衡多子与非平衡多子的漂移电流：平衡多子与非平衡多子的漂移电流：+x方向 现在学习的是第103页，共131页多子电流密度：多子电流密度：3总的电流密度总的电流密度 J=Jp+Jn现在学习的是第104页，共131页三、爱因斯坦关系三、爱因斯坦关系 非简并情况下载流子非简并情况下载流子迁移率和扩散系数关系迁

22、移率和扩散系数关系迁移率迁移率：反映载流子在电场作用下运动的：反映载流子在电场作用下运动的 难易程度难易程度扩散系数扩散系数：反映存在浓度梯度时载流子运：反映存在浓度梯度时载流子运 动的难易程度动的难易程度现在学习的是第105页，共131页 考考虑虑一一块块处处于于热热平平衡衡状状态态的的非非均均匀匀的的N型型半半导导体体，其其中中施施主主杂杂质质浓浓度度随随x增增加加而而下下降，电子浓度为降，电子浓度为no(x)现在学习的是第106页，共131页电子扩散电流密度：电子扩散电流密度：漂移电流：平衡时电子的总电流等于0 Jn=(Jn)漂+(Jn)扩=0 现在学习的是第107页，共131页导带底的

23、能量应为导带底的能量应为EcqV(x)，qV(x)：附加的静电势能：附加的静电势能现在学习的是第108页，共131页现在学习的是第109页，共131页对于空穴：对于空穴：室温时：室温时：KT=0.026 eVSi中：中：n=1350cm2/vs 现在学习的是第110页，共131页总电流密度：总电流密度：现在学习的是第111页，共131页1少子电流连续性方程的一般形式少子电流连续性方程的一般形式影响因素主要有：影响因素主要有：由于电流的流通（载流子的扩散由于电流的流通（载流子的扩散 和漂移运动），从而使体内的载流子和漂移运动），从而使体内的载流子。由于载流子复合使非子浓度由于载流子复合使非子浓度

24、。由于内部有其它产生，使载流子由于内部有其它产生，使载流子。四、电流连续性方程四、电流连续性方程现在学习的是第112页，共131页以以N型半导体为例型半导体为例(1)少子流通少子流通 xxx+x取一小体积元取一小体积元dV，横截面为单位面积，横截面为单位面积 假设流进假设流进dV的少子多，每秒钟净留在的少子多，每秒钟净留在dV中的中的空穴数为：空穴数为：Sp(x)Sp(x+x)现在学习的是第113页，共131页在单位时间中净留在单位体积中的空穴数为：在单位时间中净留在单位体积中的空穴数为：现在学习的是第114页，共131页现在学习的是第115页，共131页(2)其它因素的产生率其它因素的产生率

25、gp(3)复合率：复合率：少子浓度随时间的变化规律：少子浓度随时间的变化规律：对于对于P型材料，少子连续方程：型材料，少子连续方程：现在学习的是第116页，共131页2连续性方程的应用连续性方程的应用 (1)稳态少子连续性方程稳态少子连续性方程 假设材料为假设材料为N型材料，均匀掺杂，内部也没型材料，均匀掺杂，内部也没有其它产生，沿有其它产生，沿x方向加光照后，并加均匀电场方向加光照后，并加均匀电场，求达到稳态时少子的分布规律。，求达到稳态时少子的分布规律。均匀掺杂：均匀掺杂：现在学习的是第117页，共131页均匀电场：均匀电场：稳态：稳态：内部没有其它产生：内部没有其它产生：gp=0 稳态时

26、少子的连续方程为：稳态时少子的连续方程为：现在学习的是第118页，共131页令：牵引长度：牵引长度：空穴在电场作用空穴在电场作用下，在寿命下，在寿命 内所内所漂移的距离。漂移的距离。平均扩散长度平均扩散长度现在学习的是第119页，共131页代入得：代入得：现在学习的是第120页，共131页对很厚的样品对很厚的样品：现在学习的是第121页，共131页A=0，现在学习的是第122页，共131页 电场很强电场很强 现在学习的是第123页，共131页扩散运动可以忽略扩散运动可以忽略现在学习的是第124页，共131页xp0poLp(E)po/eLp(E)牵引长度牵引长度现在学习的是第125页，共131页

27、 电场很弱电场很弱 p pE 很低，很低，Lp(E)Lp 漂移运动可以忽略漂移运动可以忽略现在学习的是第126页，共131页(2)光激发载流子的衰减光激发载流子的衰减 均匀掺杂的均匀掺杂的N型半导体，光均匀照在半导型半导体，光均匀照在半导体上，其内部均匀地产生非子，没有电场，体上，其内部均匀地产生非子，没有电场，内部也没有其它产生，求光照停止后的衰减内部也没有其它产生，求光照停止后的衰减方程。方程。均匀掺杂，均匀光照：均匀掺杂，均匀光照：现在学习的是第127页，共131页无电场：无电场：E=0 内部无其它产生：内部无其它产生：gp=0 t=0，停止光照，停止光照，p(0)=p0，A=p0非平衡

28、载流子衰减时遵守的规律非平衡载流子衰减时遵守的规律现在学习的是第128页，共131页(3)扩散方程扩散方程 光照均匀掺杂的光照均匀掺杂的N型半导体，无电场，无其型半导体，无电场，无其它产生时的稳态方程。它产生时的稳态方程。E=0，gp=0，稳态稳态 均匀掺杂：均匀掺杂：(p=p0+p)现在学习的是第129页，共131页稳定扩散情况下非平衡少子所遵循的扩散方程稳定扩散情况下非平衡少子所遵循的扩散方程现在学习的是第130页，共131页第五章第五章 非平衡载流子非平衡载流子一、非平衡载流子的产生、平均寿命、一、非平衡载流子的产生、平均寿命、平均扩散长度及浓度的计算平均扩散长度及浓度的计算二、非平衡载流子的复合二、非平衡载流子的复合1.直接复合：小注入时，非子寿命决定于多子浓度直接复合：小注入时，非子寿命决定于多子浓度 大注入时，非子寿命决定于注入。大注入时，非子寿命决定于注入。2.间接复合：小注入时非子寿命决定于少子寿命间接复合：小注入时非子寿命决定于少子寿命现在学习的是第131页，共131页