固体与半导体物理半导体的导电性.ppt
第五章 半导体的导电性,载流子的散射、漂移,迁移率、电导率的公式,5.1 载流子的散射,一.散射机理,周期势场遭到破坏,1.原子的热振动,2.杂质原子和缺陷的存在,二.平均自由时间 和散射几率 的关系,在t时刻尚未遭到散射的电子数,被散射的电子数,未被散射的电子数,代入,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,被散射的电子数,三.散射机构,1.电离杂质散射,（1）弹性散射，散射过程中不交换能量,（2）散射中心固定,正电中心对电子吸引和 对空穴排斥引起的散射,负电中心对空穴吸引和 对电子排斥引起的散射,2.晶格振动散射,（1）长波在散射中起主要作用,（2）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,纵波引起原子的疏密变化，横波引起形变,电子热运动速度约为105m/s,（3）长纵声学波散射,（4）长纵光学波散射,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,5.2 载流子漂移运动的基本规律,一.载流子的漂移运动,平均自由时间,电子平均漂移速度,空穴的漂移速度,二.载流子的迁移率,电子：,空穴：,外场作用下，载流子作漂移运动的难易程度,（1）一般情况下,？,（2）各向异性的半导体,Si:,纵向有效质量,横向有效质量,（3）决定半导体器件的工作速度,三.载流子的电导率,在电场作用下,电子电流密度,欧姆定律,存在两种载流子,(2)低温时，电离杂质散射为主,2.强电离饱和区,n(或p）基本不变,晶格振动散射为主,3.本征激发区,1.低温弱电离区,(1)低温时，载流子来自杂质电离,5.3 霍尔效应,一.霍尔效应,在电场和磁场中的一种物理性质,霍尔电场,霍尔系数,二.产生霍尔效应的物理原因,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.霍尔系数,n型:,稳定时,P型:,n型,P型,四.霍尔角,偏向-y方向,为负.,偏向y方向,为正.,n型:,P型:,在弱磁场的情况下,五.两种载流子的霍尔系数,稳定时:(1),(2),(3)和 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,随温度变化,一般,(1)本征:,(2)P型:,杂质激发区,pn,(3)n型:,np,六.霍尔效应的应用,(1)判别半导体类型,(2)测定载流子的浓度和迁移率,求出n和p,测,由 得出,求出 和,(3)制作霍尔器件,第六章 非平衡载流子,6.1 非平衡载流子的注入和准费米能级,一.非平衡载流子的注入,热平衡状态,T一定，无外界作用,有外界作用,导带电子浓度,价带空穴浓度,非平衡载流子浓度,产生非平衡载流子的方法：,（1）电注入,（2）光注入,非平衡状态,平衡时：,一般情况,T=300K,n型硅,非平衡少数载流子在半导体器件中起重要作用,n型,二.附加光电导,三.非平衡载流子的寿命,1.热平衡,产生率复合率,稳定不变,2.加上外界作用,A:从平衡态,非平衡态,B:产生率,复合率,C:非子的注入,D:,3.撤除外界作用,A:从非平衡态,平衡态,产生率,B:复合率,C:非子的复合,D:,4.非平衡载流子的寿命,非子的复合几率,非子浓度,非子的复合率,非子浓度,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.准费米能级,1.统一的费米能级是热平衡状态的标志,n型,p型,系统处于非平衡状态,不存在统一的费米能级,平衡,平衡,不平衡,2.准费米能级,导带和价带的局部费米能级,导带电子的准费米能级,价带空穴的准费米能级,3.导带电子浓度,价带空穴浓度,n型：,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,C:,n型(平衡状态）,n型(非平衡状态）,p型(平衡状态）,p型(非平衡状态）,平衡,非平衡,若撤除外界作用,非平衡态,平衡态,6.2 非平衡载流子的复合,一.载流子复合的微观过程,1.直接复合,2.间接复合,电子从导带直接跃迁到价带的空状态,B:间接复合（表面）,通过复合中心的复合,A:间接复合（体内）,二.复合过程中的能量交换,1.发射光子,2.发射声子,3.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,电子以发射声子的形式与晶格振动交换能量,三.直接复合,复合率为R,产生率为G,热平衡,与温度有关,非平衡时,净复合率（非子的复合率）,（1）r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）,导带电子浓度增加（空穴浓度减少）,A:小注入,n型,P型,当T和掺杂浓度一定时，,为常数,B:大注入,不是常数,对于间接带隙半导体，直接复合理论得出,与实测的,有很大差异,计算值：,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,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,四：间接复合,1.间接复合的微观过程,甲：俘获电子,乙：发射电子,丙：俘获空穴,丁：发射空穴,甲：电子的俘获率,乙：电子的产生率,电子的产生率俘获率,平衡时,丙：空穴的俘获率,丁：空穴的产生率,2.非子的间接复合率,相对,使 上电子增加的过程是：,甲和丁,使 上电子减少的过程是:,乙和丙,稳定时,甲丁乙丙,甲乙丙丁,讨论：,（1）间接复合率大于直接复合率,非子的直接复合率,n型,（2）热平衡,A:非子的复合率,热平衡时，无非子,B:载流子的净复合率,热平衡时，产生率复合率,非子的间接复合率,（3）,存在净复合,非子的复合过程,（4）,存在净产生,非子的产生过程,从非平衡态向平衡态过渡过程,3.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,（2）小注入,A:强n型区,B:n型高阻区,C:强p型区,D:p型高阻区,对于两个高阻区，若 靠近价带顶，寿命的表达式有何不同？,n型高阻区,p型高阻区,（3）大注入,6.3 陷阱效应,一.陷阱,只对一种载流子有很大俘获几率的杂质能级,（1）电子陷阱,（2）空穴陷阱,二.少数载流子陷阱效应显著,稳定时:,杂质能级上的电子数,积累电子,时,最大,要使陷阱效应显著,A:是多子,需重掺杂.,一般情况,B:是少子,很容易满足.,P型半导体,电子陷阱效应显著,n型半导体,空穴陷阱效应显著,三.具有显著陷阱效应的杂质能级的位置,时,最大,6.4 非平衡载流子的扩散、漂移运动和爱因斯坦关系式,一.非子的扩散,1.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,对于电子陷阱,以上越接近，越显著.,对于空穴陷阱,以下越接近，越显著.,2.扩散流密度,电子：,空穴：,3.扩散电流密度,电子：,空穴：,二.非子的漂移,外场为,电子的漂移电流密度,空穴的漂移电流密度,三.半导体的总电流,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,四.爱因斯坦关系式,将扩散系数 和迁移率 联系起来的关系式,导出条件：,热平衡 非均匀,表示导带电子能量不同,由于体内存在电场,体内各处电势不等，电势能 不等,反映在 上的变化,6.5 连续性方程,导出条件：,非均匀 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，,载流子浓度随时间(t)及空间(x)的变化规律P(t、x)。,1.n型空穴的连续性方程,一维,有光照和电场,既有扩散运动、也有漂移运动,空穴流密度,漂移流,扩散流,通过x处截面流入的空穴数,通过x+dx处截面流出的空穴数,在体积Adx内发生空穴积累,积累率,复合率,产生率,以上三个原因引起x处单位体积内空穴浓度的变化,2.连续性方程的应用,（1）光电导衰减法测寿命,A:空穴均匀分布,B:无外场,C:t=0 光照停止,D:产生停止,光照停止后，非子的变化,光电导衰减法测寿命原理,（2）恒定注入下的电流密度,A:恒定注入,B:均匀掺杂,C:无外场,一维稳态扩散方程,边界条件：,解出：,扩散长度,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 运动的结果,
