高二物理竞赛广义欧姆定律课件.pptx

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1、1 1、广义欧姆定律、广义欧姆定律均匀半导体中的电流cdEdVjnendxdx均匀中性半导体，导带与费米能级之间的距离不变=cFdEndxdEjndx说明：费米能级的差异引起载流子流动说明：费米能级的差异引起载流子流动非均匀半导体中的电流cdEdnjneDdxdx0( )( )( )expcFcE xExn xNk T0( )( )( )( )cFd E xExdn xn xdxk TdxFdEjndxn在平衡态时，净电流为000nnnnnnndnJqnqDdxqDqnqnkTkTDq qkTndxdnppqkTD0k TDq具有电势量纲非简并情况下载流子迁移率和扩散系数之间的关系可适用于非平

2、衡载流子可适用于非平衡载流子迁移率和扩散系数都是由载流子平均自由时间限制的。平均自由时间长，载流子可以在浓度差更大的两点间实现交换。np*ppp*nnnDDmqmq、扩散运动（扩散系数）漂移运动（迁移率）通过平均自由通过平均自由时间相互联系时间相互联系qTkD02n00200.026eVSi140/0.026/0.026 140036.0cm /4cmVs/snK TK T qVDK T q中：室温：。时适用范围适用范围由非简并近平衡情形推出（未考虑复合）可适用于非平衡载流子（获得稳定速度分布的时间远小于非平衡载流子寿命） 应小于平均热运动速度/ j netvxnqTkEnqxpqTkEpqJ

3、xnqTkEnqxpqTkEpqJJJdd|dd|:dddd|:0n0p0n0pnp非均匀半导体均匀半导体半导体内的总电流半导体内的总电流00()()npnnppnpJJJdndpqnqDqpqDdxdxk Tk TdndpqnEqpEq dxq dx连续性方程式连续性方程式扩散：单位时间单位体积中空穴积累率扩散：单位时间单位体积中空穴积累率2pp2()1JpDqxx扩空穴浓度空穴浓度（x，t）漂移：空穴积累率漂移：空穴积累率 =dxJdq漂)(1p复合：复合：xEpxpEd|ddd|pp/p其他：其他：gpx处空穴随时间的变化率处空穴随时间的变化率=x处空穴积累率处空穴积累率+x处空穴产生率

4、处空穴产生率x处空穴复合率处空穴复合率连续性方程（漂移、扩散同时存在时少数载流子）连续性方程（漂移、扩散同时存在时少数载流子）漂移：单位时间单位体积中空穴积累率漂移：单位时间单位体积中空穴积累率()E1=EpppJppqxxx 漂pp2pppp2p()1|pJppgtqxppEpDEpgxxx 总连续性方程式（三维）连续性方程式（三维）11pppnnnppJgtqnnJgtq ()()pppppJJJqpEqDp漂扩()()nnnnnJJJqpEqDn 漂扩2222pppppnnnnnpppEpDEpgdtxxxdnd nnEnDEngdtdxxx （一维）（一维）说明：样品足够厚时，注入空穴

5、所产生的扩散电流密度就相当于说明：样品足够厚时，注入空穴所产生的扩散电流密度就相当于该处的过剩空穴以速度该处的过剩空穴以速度D Dp p/ /L Lp p运动的结果，注入表面处（运动的结果，注入表面处（x x=0=0）的）的空穴电流密度为空穴电流密度为 假设在一块均匀掺杂的假设在一块均匀掺杂的n型半导体某一表面恒定注入少数载流子型半导体某一表面恒定注入少数载流子p，计算小注入情况下的电流密度。计算小注入情况下的电流密度。恒定注入少子恒定注入少子 0| , 0Etpp22pddpxpD（一维稳态扩散方程式一维稳态扩散方程式） 样品足够样品足够厚厚 p0expLxpxp xpLDqLxqpLDxp

6、qDJppp0ppppexpdd0pppLDq(1)(1)求恒定注入下的电流密度：求恒定注入下的电流密度：连续性方程应用连续性方程应用：u 光照在均匀掺杂的光照在均匀掺杂的n型半导体中均匀地产生非平衡载流子型半导体中均匀地产生非平衡载流子u 稳定时，过剩空穴浓度为稳定时，过剩空穴浓度为(p)0 u t=0时，光照停止，时，光照停止，gp=0 , 0 xptptpp0pexptppptp用电导衰减法测寿命用电导衰减法测寿命测量少数载流子迁移率测量少数载流子迁移率 t0时非平衡少子的分布1.无外场，连续性方程：无外场，连续性方程：试探解有外场有外场E，连续性方程：，连续性方程：波包在电场作用下出现

7、漂移运动，令试探解停止脉冲后，测量停止脉冲后，测量t时间内时间内脉冲漂移距离脉冲漂移距离x, 可由可由 计算得到漂移迁移率计算得到漂移迁移率 当当V0时，存在时，存在相同能量的量子态相同能量的量子态，费米能级，费米能级以上的量子态没有电子，以下没有空量子态。以上的量子态没有电子，以下没有空量子态。 当很小，当很小，n区导带中的电子可能穿过隧道到区导带中的电子可能穿过隧道到p区区价带中，产生正向电流。价带中，产生正向电流。（a，1） 当当V增加（增加（Vp），），p区费米能级与区费米能级与n区导带底一区导带底一样，样，n区的导带中的电子可能全部穿过隧道到区的导带中的电子可能全部穿过隧道到p区的价

8、带中空量子态。区的价带中空量子态。（b，2）电压较低时，以隧道电流为主电压较低时，以隧道电流为主比正扩散电比正扩散电流大流大 当当V增加，增加，相同能量的量子态（相同能量的量子态（n区导带电子数及区导带电子数及p区接受电子的空量子区接受电子的空量子态）态）减少，隧道电流减小。减少，隧道电流减小。（c，3） 当当VVv,，n区导带底和区导带底和p区价带顶一样高，无能量相同的量子态，隧道区价带顶一样高，无能量相同的量子态，隧道电流为零。电流为零。（d，4） Iv(谷值电流谷值电流)大于正向扩散电流（谷值电压）大于正向扩散电流（谷值电压） 当当V大于大于 Vv ，扩散电流成为主要的，扩散电流成为主要

9、的， 与一般与一般p-n结的正向特性基本一样。结的正向特性基本一样。 反向偏压时，反向偏压时，p区相对区相对n区升高，存在能量相同的量子态，区升高，存在能量相同的量子态，p区中的价带区中的价带电子就可以穿过隧道到电子就可以穿过隧道到n区导带中，产生反相隧道电流，区导带中，产生反相隧道电流，V增加，穿过隧增加，穿过隧道的电子数大大增加，反向电流增加。道的电子数大大增加，反向电流增加。（e，5） （与一般（与一般p-n结不同）结不同）简并半导体能带边缘的延伸，导致相同能量的量子态存在简并半导体能带边缘的延伸，导致相同能量的量子态存在禁带中的深能级杂质或缺陷禁带中的深能级杂质或缺陷TkqVJJ0se

10、xpsJJ一般一般pn结：结：说明：说明： 隧道结利用多子隧道效应工作，单位时间通过隧道结利用多子隧道效应工作，单位时间通过p-n结的结的多子数目多子数目起伏小，噪声低。起伏小，噪声低。 重掺杂的简并半导体制成，温度对多子浓度影响小，隧道二极重掺杂的简并半导体制成，温度对多子浓度影响小，隧道二极管工作温度范围增大。管工作温度范围增大。 隧道效应本质上是一量子跃迁过程，电子穿过势垒极其迅速，隧道效应本质上是一量子跃迁过程，电子穿过势垒极其迅速，可以工作在高频领域。可以工作在高频领域。 以重掺杂为基础，以费米能级为中心，以能量相等的量子态为重点以重掺杂为基础，以费米能级为中心，以能量相等的量子态为重点正、反向偏压对能带的影响正、反向偏压对能带的影响熟悉隧道二极管的电流电压特性并进行说明熟悉隧道二极管的电流电压特性并进行说明