半導(dǎo)體物理課件：第五章 非平衡載流子

1、半導(dǎo)體物理Semiconductor Physics第五章 非平衡載流子2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部2第五章 非平衡載流子引言 半導(dǎo)體中許多重要的現(xiàn)象，如p-n結(jié)注入、晶體管放大、光電導(dǎo)、注入發(fā)光以及光生伏特效應(yīng)等都是和過剩載流子相聯(lián)系的。這一章主要介紹過剩載流子的變化(復(fù)合和產(chǎn)生)和運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部3引言5.1 非平衡載流子的注入與復(fù)合5.2 準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)5.3 復(fù)合理論5.4 陷阱效應(yīng)5.5 載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)5.6 載流子的漂移運(yùn)動(dòng)、愛因斯坦關(guān)系式5.7 連續(xù)性方程2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部45.1 非平衡載流子的注入與復(fù)合

2、熱平衡態(tài)在熱平衡情形下，如果不考慮統(tǒng)計(jì)漲落，則載流子濃度是恒定的。但在外界作用下，這種情況可以被破壞。非平衡態(tài)：系統(tǒng)對(duì)平衡態(tài)的偏離。2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部55.1.1 非平衡載流子的產(chǎn)生光注入電注入其它注入短波長(zhǎng)的光 光照npn0p0n= p探針注入pn結(jié)注入2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部65.1.1 非平衡載流子的產(chǎn)生非平衡載流子的表示產(chǎn)生的非平衡載流子一般都用n，p來(lái)表示 。達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡后： n=n0+n p=p0+p n0，p0為熱平衡時(shí)電子濃度和空穴濃度 ， n，p為非平衡載流子濃度。 2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部75.1.1 非平衡載流子

3、的產(chǎn)生大注入和小注入 注入的非平衡載流子濃度大于平衡時(shí)的多子濃 度，稱為大注入。 n型：nn0，p型：pp0 注入的非平衡載流子濃度大于平衡時(shí)的少子濃 度，小于平衡時(shí)的多子濃度，稱為小注入。 n型：p0nn0，或p型：n0nr(樣品的電阻) (幾乎不變)光電導(dǎo)衰減法2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部115.1.4 非平衡載流子的復(fù)合與壽命外界注入撤銷后，由于半導(dǎo)體的內(nèi)部作用，使它由非平衡態(tài)恢復(fù)到平衡態(tài)，非平衡載流子逐漸消失載流子的復(fù)合。非平衡載流子在半導(dǎo)體中的生存時(shí)間非平衡載流子的壽命。 非平衡載流子的復(fù)合是由不平衡趨向平衡的一種弛豫過程。它是一種統(tǒng)計(jì)性的過程。2022/7/18重慶郵

4、電大學(xué)微電子教學(xué)部125.1.4 非平衡載流子的檢測(cè)和壽命非平衡載流子的壽命2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部135.1.4 非平衡載流子的檢測(cè)和壽命2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部145.1.5 非平衡載流子隨時(shí)間的變化規(guī)律有光照時(shí)2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部155.2 準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)5.2.1 準(zhǔn)平衡2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部165.2.1 準(zhǔn)平衡非平衡載流子的區(qū)間不討論2022/7/18重慶郵電大學(xué)微電子教學(xué)部175.2.2 準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)晶格弛豫（Lp則樣品可看作是半無(wú)窮的。比較 與為少子隨擴(kuò)散距離的指數(shù)式衰減，衰減到原值的1/e所擴(kuò)散的距離為擴(kuò)

5、散長(zhǎng)度Lp。 為少子隨時(shí)間的指數(shù)式衰減，衰減到原值的1/e所用時(shí)間為壽命。585.5.2 一維擴(kuò)散方程的穩(wěn)態(tài)解具有速度的量綱, 稱為擴(kuò)散速度 在上述特定的問題中，各處擴(kuò)散流的大小就象那里的非平衡載流子以擴(kuò)散速度移動(dòng)所產(chǎn)生的一樣。 在表面x=0處，dp /dx可求，(p)0Lp，就象表面非平衡空穴經(jīng)過Lp的長(zhǎng)度線性衰減所產(chǎn)生的梯度一樣。595.5.2 一維擴(kuò)散方程的穩(wěn)態(tài)解 b. 樣品厚度為W，并且在樣品另一端設(shè)法將非平衡少數(shù)載流子全部引出。x=0, p=(p)0 x= W， p=0605.5.2 一維擴(kuò)散方程的穩(wěn)態(tài)解當(dāng)WLp時(shí)，上式可簡(jiǎn)化為 此時(shí)，非平衡載流子濃度在樣品內(nèi)呈線性分布。擴(kuò)散流密度是

6、一個(gè)常數(shù)，這意味著非平衡載流子在樣品中沒有復(fù)合。在晶體管中，基區(qū)寬度一般比擴(kuò)散長(zhǎng)度小得多，從發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的水平衡載流子在基區(qū)的分布近似符合上述情況。615.5.3 擴(kuò)散電流625.5.3 擴(kuò)散電流三維情況類似，見教材P136-137635.5.4 探針注入探針尖陷入半導(dǎo)體表面形成半徑為r0的半球。在這種情況下，非平衡載流子濃度p只是徑距r的函數(shù)，是一個(gè)球?qū)ΨQ的情況。三維球面坐標(biāo)變換645.5.4 探針注入 在邊界處，沿徑向的流密度為 比較： 這表明, 這里擴(kuò)散的效率比平面情況要高。65原因：在平面情況下，濃度梯度完全依靠載流子進(jìn)入半導(dǎo)體內(nèi)的復(fù)合。在球?qū)ΨQ情況下，徑向運(yùn)動(dòng)本身就引起載流子的疏散

7、，造成濃度梯度，增強(qiáng)了擴(kuò)散的效率。幾何形狀引起的擴(kuò)散速度5.6 載流子的漂移運(yùn)動(dòng)、愛因斯坦關(guān)系式5.6.1 濃度梯度引起的自建電場(chǎng)66考慮一n型半導(dǎo)體，摻雜不均勻，熱平衡狀態(tài)5.6.2 愛因斯坦關(guān)系式 675.6.2 愛因斯坦關(guān)系式68代入愛因斯坦關(guān)系式針對(duì)平衡態(tài)推導(dǎo)出來(lái)的，但也適用于非平衡態(tài)但注意，只對(duì)非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體適用！5.6.3 丹倍效應(yīng) 69要產(chǎn)生一自建場(chǎng)丹倍電場(chǎng)雙極擴(kuò)散系數(shù)5.6.3 丹倍效應(yīng)丹倍效應(yīng)的幾點(diǎn)說明：1、來(lái)源電子與空穴擴(kuò)散不同步，電子比空穴快。2、作用降低電子擴(kuò)散，加速空穴擴(kuò)散，努力使之同步。3、雙極擴(kuò)散系數(shù)概括了丹倍電場(chǎng)對(duì)電子和空穴擴(kuò)散的影響。總的來(lái)說，丹倍效應(yīng)對(duì)少子擴(kuò)散

8、影響小，而對(duì)多子擴(kuò)散影響大。705.7 連續(xù)性方程式5.7.1 少子連續(xù)性方程的一般形式71以n型半導(dǎo)體為例，考慮一維情況擴(kuò)散漂移產(chǎn)生復(fù)合5.7.2 連續(xù)性方程的應(yīng)用72均勻摻雜： 均勻電場(chǎng)： 穩(wěn)態(tài)： 內(nèi)部沒有其它產(chǎn)生：gp=0 5.7.2 連續(xù)性方程的應(yīng)用a. 光激發(fā)的載流子衰減73（沒有電場(chǎng)）（體內(nèi)均勻產(chǎn)生非平衡載流子）（t=0時(shí)刻，光照停止）5.7.2 連續(xù)性方程的應(yīng)用b. 瞬時(shí)光脈沖74（沒有電場(chǎng)）（脈沖已停止）5.7.2 連續(xù)性方程的應(yīng)用c. 瞬時(shí)電脈沖75（有均勻電場(chǎng)）（電脈沖已停止）5.7.2 連續(xù)性方程的應(yīng)用d. 光照恒定，穩(wěn)態(tài)76（有均勻電場(chǎng)）（體內(nèi)沒有光照）(穩(wěn)態(tài)) 5.7

9、.2 連續(xù)性方程的應(yīng)用775.7.2 連續(xù)性方程的應(yīng)用e. 穩(wěn)態(tài)下的表面復(fù)合78（沒有電場(chǎng)）(穩(wěn)態(tài)) 5.7.2 連續(xù)性方程的應(yīng)用79例1p型半導(dǎo)體摻雜NA=1016/cm3，少子壽命為10us。在均勻光照下，產(chǎn)生非平衡載流子，其產(chǎn)生率為1018/cm3S。求室溫時(shí)光照下的EF并和原來(lái)無(wú)光照時(shí)的EF比較(ni=1010/cm3)。80例2設(shè)NA=1015/cm3的p-Si， ni=1.51010cm-3。若載流子注入在正x區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的非平衡電子濃度為n(x)=1017exp(-2000 x)。求空穴濃度p(x)，并計(jì)算在x=0處電子濃度與空穴濃度的比值n/p，說明是小注入還是大注入。81例3一均勻n-Si，如圖左半部用穩(wěn)定光照射，均勻產(chǎn)生電子空穴對(duì)，產(chǎn)生率為g，若樣品足夠長(zhǎng)，求穩(wěn)態(tài)時(shí)樣品兩邊的空穴濃度分布。邊界處向右擴(kuò)散xp(x)82例4