电子工程物理基础v11(4-2-1)2015

第4章半导体中电子的状态4.1电子的分布4.2载流子的调节4.3载流子的复合4.4载流子的散射4.5载流子的漂移4.6载流子的扩散4.7载流子的完整运动描述载流子在运动过程中受到的影响描述载流子的运动4.3载流子的复合产生和复合相互伴随产生率GGenerationrate：单位时间和单位体积内所产生的电子-空穴对数复合率RRecombinationrate：单位时间和单位体积内复合掉的电子-空穴对数一.产生与复合电子-空穴对的生成过程电子-空穴对的消失过程热平衡状态下(T恒定，且无其它外界能量)复合率=热产生率载流子浓度一定:n0,p0200inpn非平衡状态下:光照刚开始，产生n、p复合复合=产生（达到稳态）复合产生非平衡载流子Δn、Δpn=n0+Δn、p=p0+Δp稳态下：220iTkEEinpnenpnFpFn光照刚停止，复合产生n、p复合复合=热产生（恢复热平衡）n0,p0n,p存在净复合要讨论的复合过程200inpn光照刚停止，复合产生n、p复合复合=热产生（恢复热平衡）存在净复合要讨论的复合过程所需时间τ定义、意义分析影响因素—复合机制具体计算式分析思路二.非平衡少子的寿命外界条件撤除（如光照停止），经过一段时间后，系统才会恢复到原来的热平衡状态。有的非子生存时间长、有的短。非平衡载流子的平均生存时间—非平衡载流子的寿命τ。1单位时间内非子被复合掉的可能性复合几率p单位时间、单位体积净复合消失的电子-空穴对（非子）复合率光照刚停止，复合产生n、p复合复合=热产生（恢复热平衡）τ在小注入时，τ与ΔP无关（？），则tcetp设t=0时，ΔP(t)=ΔP(0)=(ΔP)0,那么C=(ΔP)0，于是teptp0eppt0,时非平衡载流子的寿命主要与复合有关。t=0时，光照停止，非子浓度的减少率为tpdttpd光照撤除后，非子衰减为原来的1/e时，即认为非子全部消失00)(/)(tptptt非平衡载流子的平均生存时间调节非子寿命三.非平衡载流子的复合机制n型载流子的产生杂质的电离价带—导带载流子的复合通过复合中心过渡导带—价带直接复合间接复合复合直接复合(directrecombination):导带电子与价带空穴直接复合.间接复合(indirectrecombination):通过位于禁带中的杂质或缺陷能级的中间过渡。表面复合(surfacerecombination)：在半导体表面发生的复合过程。将能量给予其它载流子,增加它们的动能量。从释放能量的方法分:Radiativerecombination(辐射复合)Non-radiativerecombination(非辐射复合)Augerrecombination(俄歇复合)从复合的微观机制分：direct/band-to-bandrecombination非平衡载流子的直接净复合)(2000idnnprprnrnpGRU净复合率=复合率-产生率U=R-GRG四.直接复合r-复合系数外界条件撤除后，产生率=热产生率光照刚停止，复合产生n、p复合复合=热产生（恢复热平衡）τ])[(200pppnrUd非平衡载流子寿命：ppnrUpd001小注入001pnrUpd)(2idnnprUpppnnn00n型材料pn大注入1rp00(pnp）00(pnp）与Δp、Δn无关计算式推导τ)(2000idnnprprnrnpGRU教材p.162.第16题indirectrecombination半导体中的杂质和缺陷在禁带中形成一定的能级，它们有促进复合的作用。这些杂质和缺陷称为复合中心。nt：复合中心能级上的电子浓度Nt：复合中心浓度pt：复合中心能级上的空穴浓度五.间接复合()tttpNn*俘获电子Electroncapture*发射电子Electronemission*俘获空穴Holecapture*发射空穴Holeemission四个过程完成复合ntcnptnnetppetppnc电子俘获率：空穴俘获率：电子产生率：空穴产生率：Nt：复合中心浓度nt：复合中心能级上的电子浓度pt：复合中心能级上的空穴浓度()tttpNn电子的净俘获率空穴的净俘获率tnnpctnnetppnctppe电子的净俘获率（导带减少的电子数）：Un=俘获电子-发射电子=空穴的净俘获率（价带减少的空穴数）：Up=俘获空穴-发射空穴=tnnpctnne--tppnctppe热平衡时：Un=0，Up=0复合中心达到稳定时：Un=Up1ncennnt000tnttnnenNncTkEEctceNn01EF与Et重合时导带的平衡电子浓度。1ncenn)(000tttnnnnNnce00tnpnc0tnne=1)(00TkEEttttFteNEfNn热平衡时：Un=0，Up=0推导过程同理，得10pceNcepTkEEvppvtTkEEvtep01其中表示EF与Et重合时价带的平衡空穴浓度。=00tpnpc0tppe热平衡时：Un=0，Up=0俘获电子-发射电子=俘获空穴-发射空穴tnnpctnnetppetppnc-=-1ncenn1pcepp和又)()()(111ppcnnccpncNnpnpntt复合中心达到稳定时：Un=Up净复合率：U=俘获电子-发射电子=)(1)(1112ppNcnnNcnnpUtntpi通过复合中心复合的普遍公式tnnpctnne-注意到：211inpn推导完毕净复合率：其中TkEEctceNn0101tvEEkTVpNeEF与Et重合时导带或价带中的平衡载流子浓度。1ncenn1pcepp)(1)(1112ppNcnnNcnnpUtntpi通过复合中心复合的普遍公式)(1)(11010200pppNcpnnNcppppnUtntp非平衡载流子的寿命为)()()(001010ppnccNpppcpnncUppntpn)(1)(1112ppNcnnNcnnpUtntpi0nnn0ppp)()()(001010pnccNppcnncUppntpn小注入条件下设Cn~Cp化简)()()(001010ppnccNpppcpnncUppntpn大注入条件下npntptcNcN11小注入情况下，τ的进一步分析与化简:1.EFtE、的相对位置(设EtEi)强n型区弱n型区强p型区弱p型区(1)强n型区)()()(001010pnccNppcnncUppntpnpptcN10110,,ppnnCn~Cp小注入下TkEEctceNn0101tvEEkTVpNe(2)弱n型区)()()(001010pnccNppcnncUppntpn01011nnnncNppt01,,ppnn01与多数载流子浓度，即与电导率成反比Cn~Cp(3)弱p型区)()()(001010pnccNppcnncUppntpn11001ptpnnNcpp1001pnpn,,Cn~Cp(4)强p型区)()()(001010pnccNppcnncUppntpnnnTcN101,,npnp10FEEF位置与浅能级杂质或温度有关pptcN1强n型区弱n型区（高阻区）01nnp01pnp弱p型区（高阻区）强p型区nnTcN1小结非子寿命除了与所掺深能级杂质有关，也与浅能级杂质、温度有关2.tiEE、相对位置)(1)(1112ppNcnnNcnnpUtntpiTkEEchnpnnnpcNUitiit022)(TkEEvtep01TkEEctceNn01小注入TkEEchnpnnnpCNUitiit022)(若Et靠近EC：俘获电子的能力增强不利于复合Et处禁带中央，复合率最大。Et=Ei最有效的复合中心俘获空穴的能力减弱半导体表面状态对非平衡载流子也有很大影响，表面处的杂质和表面特有的缺陷也在禁带形成复合中心。（1）表面复合表面氧化层、水汽、杂质的污染、表面缺陷或损伤。sspsU)(四.其他复合表面处的非子浓度(1/cm3)单位时间内通过单位表面积复合掉的电子-空穴数(1/cm2.s)表面复合速度（cm/s)020202pnpnRpnrRnnAnn00nnGGnnnn（2）俄歇复合00ppGGhhhh多余能量以声子形式释放21电子2与电子1碰撞—产生电子空穴对（3）陷阱效应一些杂质缺陷能级能够俘获载流子并长时间的把载流子束缚在这些能级上。俘获电子和俘获空穴的能力相差太大产生原因：电子陷阱空穴陷阱)()()(111ppcnnccpncNnpnpnttppnnnnnttt00)()(杂质能级上的电子积累结论：对电子陷阱来说，费米能级以上的杂质能级，越接近费米能级陷阱效应越明显。杂质能级与费米能级重合时，最有利于陷阱作用。第4章半导体中电子的状态4.1电子的分布4.2载流子的调节4.3载流子的复合4.4载流子的散射4.5载流子的漂移4.6载流子的扩散4.7载流子的完整运动4.4载流子的散射散射是指运动粒子受到力场（或势场）的作用时运动状态发生变化的一种现象。处理晶体中的电子时，通常将周期势场的影响概括在有效质量中，这使得晶体中的电子可以被看作为有效质量为m*的自由电子。因此，不存在散射，但是原周期势场一旦遭到破坏，就会发生散射了。*scatteringbyneutralimpurityanddefects中性杂质和缺陷散射*Carrier-carrierscattering载流子之间的散射*Piezoelectricscattering压电散射*Intervalleyscattering能谷间的散射半导体的主要散射（scatting）机构：*Phonon（lattice）scattering晶格振动（声子）散射*Ionizedimpurityscattering电离杂质散射纵波和横波一.晶格振动散射纵波对载流子散射影响大声学波声子散射几率：23TPs光学波声子散射几率：11~111)()(00021023TkhvTkhveTkhvfeTkhvPo温度升高，散射增加。电离杂质散射几率：23TNPII二.电离杂质散射总的散射几率：P=PS+PO+PI+----NI=同时掺有施主ND和受主杂质NA，全电离时：ND+NA主要散射机制电离杂质的散射：晶格振动的散射：ivTP越易掠过杂质中心载LP晶格散射晶格振动T三.温度对散射的影响低温时占主导高温时占主导第4章半导体中电子的状态4.1电子的分布4.2载流子的调节4.3载流子的复合4.4载流子的散射4.5载流子的漂移4.6载流子的扩散4.7载流子的完整运动外加电场下描述载流子在运动过程中受到的影响描述载流子的运动半导体中的载流子在外场的作用下，作定向运动---漂移运动。相应的运动速度---漂移速度。漂移运动引起的电流---漂移电流。4.5载流子的漂移空穴电子漂移速度pndvvv因电场加速而获得的平均速度电场散射平均自由程l平均自由时间迁移率的大小反映了载流子迁移的难易程度。可以证明：pppnnnmqmqmqddvv------迁移率单位电场下，载流子的平均漂移速度一.迁移率电场，由散射决定载流子的平均自由时间2(/)cmVs总的散射几率：总的迁