固体与半导体物理第五六章优秀课件.ppt

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1、固体与半导体物理第五六章第1页，本讲稿共46页未被散射的电子数未被散射的电子数代入代入 被散射的电子数自由时间的总和被散射的电子数自由时间的总和 个载流子的所有自由时间的总和个载流子的所有自由时间的总和 被散射的电子数被散射的电子数第2页，本讲稿共46页三三.散射机构散射机构1.电离杂质散射电离杂质散射（1）弹性散射，散射过程中不交换能量）弹性散射，散射过程中不交换能量（2）散射中心固定）散射中心固定 正电中心对电子吸引和正电中心对电子吸引和 对空穴排斥引起的散射对空穴排斥引起的散射 负电中心对空穴吸引和负电中心对空穴吸引和 对电子排斥引起的散射对电子排斥引起的散射第3页，本讲稿共46页2.晶

2、格振动散射晶格振动散射（1）长波在散射中起主要作用）长波在散射中起主要作用（2）纵波在散射中起主要作用）纵波在散射中起主要作用 起主要散射作用的是波长为几十或上百个原子间距以上的长波起主要散射作用的是波长为几十或上百个原子间距以上的长波纵波引起原子的疏密变化，横波引起形变纵波引起原子的疏密变化，横波引起形变 电电子子热热运运动动速度速度约为约为105m/s第4页，本讲稿共46页（3）长纵声学波散射）长纵声学波散射（4）长纵光学波散射）长纵光学波散射 低温时，电离杂质散射占主导地位低温时，电离杂质散射占主导地位 高温时，晶格振动散射占主导地位高温时，晶格振动散射占主导地位第5页，本讲稿共46页

3、5.2 载流子漂移运动的基本规律载流子漂移运动的基本规律一一.载流子的漂移运动载流子的漂移运动平均自由时间平均自由时间电子平均漂移速度电子平均漂移速度空穴的漂移速度空穴的漂移速度第6页，本讲稿共46页二二.载流子的迁移率载流子的迁移率电子：电子：空穴：空穴：外场作用下，载流子作漂移运动的难易程度外场作用下，载流子作漂移运动的难易程度（1）一般情况下）一般情况下？（2）各向异性的半导体）各向异性的半导体Si:纵向有效质量纵向有效质量横向有效质量横向有效质量第7页，本讲稿共46页（3）决定半导体器件的工作速度决定半导体器件的工作速度三三.载流子的电导率载流子的电导率在电场作用下在电场作用下 电子电

4、流密度电子电流密度 欧姆定律欧姆定律存在两种载流子存在两种载流子第8页，本讲稿共46页(2)低温时，电离杂质散射为主低温时，电离杂质散射为主2.强电离饱和区强电离饱和区n(或或p）基本不变）基本不变晶格振动散射为主晶格振动散射为主3.本征激发区本征激发区1.低温弱电离区低温弱电离区(1)低温时，载流子来自杂质电离低温时，载流子来自杂质电离第9页，本讲稿共46页5.3 霍尔效应霍尔效应一一.霍尔效应霍尔效应 在电场和磁场中的一种物理性质在电场和磁场中的一种物理性质霍尔电场霍尔电场霍尔系数霍尔系数第10页，本讲稿共46页二二.产生霍尔效应的物理原因产生霍尔效应的物理原因 在电场中定向运动的载流子受

5、到磁场的作用而偏离原来的运动方向在电场中定向运动的载流子受到磁场的作用而偏离原来的运动方向.三三.霍尔系数霍尔系数n型型:稳定时稳定时P型型:第11页，本讲稿共46页n型型P型型四四.霍尔角霍尔角偏向偏向-y-y方向方向,为负为负.偏向偏向y y方向方向,为正为正.n n型型:P P型型:第12页，本讲稿共46页在弱磁场的情况下在弱磁场的情况下五五.两种载流子的霍尔系数两种载流子的霍尔系数稳定时稳定时:(1)(2)(3)和和 包括两部分包括两部分:洛伦兹力引起的电流密度和霍尔电场引起的电流密度洛伦兹力引起的电流密度和霍尔电场引起的电流密度第13页，本讲稿共46页随温度变化随温度变化,一般一般

6、(1)(1)本征本征:(2)P(2)P型型:杂质激发区杂质激发区pn (3)n(3)n型型:np 第14页，本讲稿共46页六六.霍尔效应的应用霍尔效应的应用(1)(1)判别半导体类型判别半导体类型(2)测定载流子的浓度和迁移率测定载流子的浓度和迁移率求出求出n和和p测测由由 得出得出 ,求出求出 和和 (3)(3)制作霍尔器件制作霍尔器件第15页，本讲稿共46页第六章第六章 非平衡载流子非平衡载流子6.1 非平衡载流子的注入和准费米能级非平衡载流子的注入和准费米能级一一.非平衡载流子的注入非平衡载流子的注入热平衡状态热平衡状态T一定，无外界作用一定，无外界作用有外界作用有外界作用导带电子浓度导

7、带电子浓度价带空穴浓度价带空穴浓度非平衡载流子浓度非平衡载流子浓度产生非平衡载流子的方法：产生非平衡载流子的方法：（1）电注入）电注入（2）光注入）光注入非平衡状态非平衡状态第16页，本讲稿共46页平衡时平衡时：一般情况一般情况T=300Kn型硅型硅 非平衡少数载流子在半导体器件中起重要作用非平衡少数载流子在半导体器件中起重要作用n型型第17页，本讲稿共46页二二.附加光电导附加光电导三三.非平衡载流子的寿命非平衡载流子的寿命1.热平衡热平衡产生率复合率产生率复合率稳定不变稳定不变2.加上外界作用加上外界作用A:从平衡态从平衡态非平衡态非平衡态B:产生率产生率 复合率复合率C:非子的注入非子的

8、注入D:第18页，本讲稿共46页3.撤除外界作用撤除外界作用A:从非平衡态从非平衡态平衡态平衡态产生率产生率B:复合率复合率C:非子的复合非子的复合D:4.非平衡载流子的寿命非平衡载流子的寿命非子的复合几率非子的复合几率非子浓度非子浓度非子的复合率非子的复合率非子浓度非子浓度第19页，本讲稿共46页 非平衡载流子寿命的大小是鉴别半导体材料质量的常规手段非平衡载流子寿命的大小是鉴别半导体材料质量的常规手段四四.准费米能级准费米能级1.统一的费米能级是热平衡状态的标志统一的费米能级是热平衡状态的标志n型型p型型第20页，本讲稿共46页系统处于非平衡状态系统处于非平衡状态不存在统一的费米能级不存在统

9、一的费米能级平衡平衡平衡平衡不平衡不平衡2.准费米能级准费米能级导带和价带的局部费米能级导带和价带的局部费米能级导带电子的准费米能级导带电子的准费米能级价带空穴的准费米能级价带空穴的准费米能级第21页，本讲稿共46页3.导带电子浓度导带电子浓度价带空穴浓度价带空穴浓度 n型：型：多数载流子的准费米能级偏离平衡费米能级不多多数载流子的准费米能级偏离平衡费米能级不多 少数载流子的准费米能级偏离平衡费米能级显著少数载流子的准费米能级偏离平衡费米能级显著第22页，本讲稿共46页C:n型型(平衡状态）平衡状态）n型型(非平衡状态）非平衡状态）p型型(平衡状态）平衡状态）p型型(非平衡状态）非平衡状态）平

10、衡平衡非平衡非平衡第23页，本讲稿共46页若撤除外界作用若撤除外界作用非平衡态非平衡态平衡态平衡态6.2 非平衡载流子的复合非平衡载流子的复合一一.载流子复合的微观过程载流子复合的微观过程1.直接复合直接复合2.间接复合间接复合电子从导带直接跃迁到价带的空状态电子从导带直接跃迁到价带的空状态B:间接复合（表面）间接复合（表面）通过复合中心的复合通过复合中心的复合A:间接复合（体内）间接复合（体内）第24页，本讲稿共46页二二.复合过程中的能量交换复合过程中的能量交换1.发射光子发射光子2.发射声子发射声子3.与其它载流子交换能量与其它载流子交换能量电子以发射光子的形式与电磁波交换能量电子以发射

11、光子的形式与电磁波交换能量电子以发射声子的形式与晶格振动交换能量电子以发射声子的形式与晶格振动交换能量三三.直接复合直接复合复合率为复合率为R产生率为产生率为G热平衡热平衡与温度有关与温度有关第25页，本讲稿共46页非平衡时非平衡时净复合率（非子的复合率）净复合率（非子的复合率）（1）r在平衡时和非平衡时一样在平衡时和非平衡时一样（2）由于外界作用，价带空穴浓度增加（电子浓度减少）由于外界作用，价带空穴浓度增加（电子浓度减少）导带电子浓度增加（空穴浓度减少）导带电子浓度增加（空穴浓度减少）第26页，本讲稿共46页A:小注入小注入n型型P型型当当T和掺杂浓度一定时，和掺杂浓度一定时，为常数为常数

12、B:大注入大注入不是常数第27页，本讲稿共46页对于间接带隙半导体，直接复合理论得出对于间接带隙半导体，直接复合理论得出与实测的与实测的有很大差异有很大差异计算值：计算值：实测值：实测值：a:对于间接带隙半导体，直接复合理论不是决定载流子对于间接带隙半导体，直接复合理论不是决定载流子复合寿命的主要因素复合寿命的主要因素b:半导体中的杂质、缺陷起着促进复合的作用半导体中的杂质、缺陷起着促进复合的作用四：间接复合四：间接复合第28页，本讲稿共46页1.间接复合的微观过程间接复合的微观过程甲：俘获电子甲：俘获电子乙：发射电子乙：发射电子丙：俘获空穴丙：俘获空穴丁：发射空穴丁：发射空穴甲：电子的俘获率

13、甲：电子的俘获率乙：电子的产生率乙：电子的产生率电子的产生率俘获率电子的产生率俘获率平衡时平衡时第29页，本讲稿共46页丙：空穴的俘获率丙：空穴的俘获率丁：空穴的产生率丁：空穴的产生率2.非子的间接复合率非子的间接复合率相对相对使使 上电子增加的过程是：上电子增加的过程是：甲和丁甲和丁使使 上电子减少的过程是上电子减少的过程是:乙和丙乙和丙稳定时稳定时甲丁乙丙甲丁乙丙甲乙丙丁甲乙丙丁第30页，本讲稿共46页讨论：讨论：（1）间接复合率大于直接复合率）间接复合率大于直接复合率非子的直接复合率非子的直接复合率n型型（2）热平衡）热平衡A:非子的复合率非子的复合率热平衡时，无非子热平衡时，无非子B:

14、载流子的净复合率载流子的净复合率热平衡时，产生率复合率热平衡时，产生率复合率非子的间接复合率非子的间接复合率第31页，本讲稿共46页（3）存在净复合存在净复合非子的复合过程非子的复合过程（4）存在净产生存在净产生非子的产生过程非子的产生过程从非平衡态向平衡态过渡过程从非平衡态向平衡态过渡过程3.非子的寿命非子的寿命（1）最有效的复合中心位于禁带中线附近的深能级）最有效的复合中心位于禁带中线附近的深能级第32页，本讲稿共46页（2）小注入）小注入A:强强n型区型区第33页，本讲稿共46页B:n型高阻区型高阻区C:强强p型区型区D:p型高阻区型高阻区第34页，本讲稿共46页 对于两个高阻区，若对于

15、两个高阻区，若 靠近价带顶，寿命的表达式有何不同？靠近价带顶，寿命的表达式有何不同？n型高阻区型高阻区p型高阻区型高阻区（3）大注入）大注入6.3 陷阱效应陷阱效应一一.陷阱陷阱 只对一种载流子有很大俘获几率的杂质能级只对一种载流子有很大俘获几率的杂质能级第35页，本讲稿共46页（1 1）电子陷阱）电子陷阱（2 2）空穴陷阱）空穴陷阱二二.少数载流子陷阱效应显著少数载流子陷阱效应显著稳定时稳定时:杂质能级上的电子数杂质能级上的电子数积积累累电电子子时时,最大最大,第36页，本讲稿共46页要使陷阱效应显著要使陷阱效应显著A:A:是多子是多子,需重掺杂需重掺杂.一般情况一般情况B:B:是少子是少子

16、,很容易满足很容易满足.P P型半导体型半导体,电子陷阱效应显著电子陷阱效应显著n n型半导体型半导体,空穴陷阱效应显著空穴陷阱效应显著三三.具有显著陷阱效应的杂质能级的位置具有显著陷阱效应的杂质能级的位置时时,最大最大,第37页，本讲稿共46页6.4 非平衡载流子的扩散、漂移运动和爱因斯坦关系式非平衡载流子的扩散、漂移运动和爱因斯坦关系式一一.非子的扩散非子的扩散1.扩散运动扩散运动载流子浓度不均匀产生扩散运动载流子浓度不均匀产生扩散运动 电子陷阱效应最显著电子陷阱效应最显著 对于电子陷阱对于电子陷阱,以上越接近以上越接近 ，越显著，越显著.对于空穴陷阱对于空穴陷阱,以下越接近以下越接近 ，

17、越显著，越显著.第38页，本讲稿共46页2.扩散流密度扩散流密度电子：电子：空穴：空穴：3.扩散电流密度扩散电流密度电子：电子：空穴：空穴：第39页，本讲稿共46页二二.非子的漂移非子的漂移外场为外场为电子的漂移电流密度电子的漂移电流密度 空穴的漂移电流密度空穴的漂移电流密度三三.半导体的总电流半导体的总电流第40页，本讲稿共46页漂移电流是多子的主要电流形式漂移电流是多子的主要电流形式扩散电流是少子的主要电流形式扩散电流是少子的主要电流形式四四.爱因斯坦关系式爱因斯坦关系式 将扩散系数将扩散系数 和迁移率和迁移率 联系起来的关系式联系起来的关系式导出条件：导出条件：热平衡热平衡 非均匀非均匀

18、第41页，本讲稿共46页表示导带电子能量不同表示导带电子能量不同由于体内存在电场由于体内存在电场体内各处电势不等，电势能体内各处电势不等，电势能 不等不等反映在反映在 上的变化上的变化第42页，本讲稿共46页6.5 6.5 连续性方程连续性方程导出条件：导出条件：非均匀非均匀 非平衡非平衡描述半导体中同时存在载流子的扩散、漂移、产生、复合时，描述半导体中同时存在载流子的扩散、漂移、产生、复合时，载流子浓度随时间载流子浓度随时间(t)(t)及空间及空间(x)(x)的变化规律的变化规律P(tP(t、x)x)。1.n1.n型空穴的连续性方程型空穴的连续性方程一维一维有光照和电场有光照和电场既有扩散运

19、动、也有漂移运动既有扩散运动、也有漂移运动空穴流密度空穴流密度漂移流漂移流 扩散流扩散流第43页，本讲稿共46页通过通过x x处截面流入的空穴数处截面流入的空穴数通过通过x+dxx+dx处截面流出的空穴数处截面流出的空穴数在体积在体积AdxAdx内发生空穴积累内发生空穴积累积累率积累率复合率复合率产生率产生率以上三个原因引起以上三个原因引起x x处单位体积内空穴浓度的变化处单位体积内空穴浓度的变化第44页，本讲稿共46页2.2.连续性方程的应用连续性方程的应用（1 1）光电导衰减法测寿命）光电导衰减法测寿命A:A:空穴均匀分布空穴均匀分布 B:B:无外场无外场C:t=0 C:t=0 光照停止光照停止D:D:产生停止产生停止光照停止后，非子的变化光照停止后，非子的变化光电导衰减法测寿命原理光电导衰减法测寿命原理第45页，本讲稿共46页（2 2）恒定注入下的电流密度）恒定注入下的电流密度A:A:恒定注入恒定注入B:B:均匀掺杂均匀掺杂C:C:无外场无外场一维稳态扩散方程一维稳态扩散方程边界条件：边界条件：解出：解出：扩散长度扩散长度恒定注入引起稳态扩散电流密度恒定注入引起稳态扩散电流密度 空穴所产生的扩散电流密度相当于空穴以速度空穴所产生的扩散电流密度相当于空穴以速度 运动的结果运动的结果 第46页，本讲稿共46页