半導(dǎo)體物理第五章

1、半導(dǎo)體物理第五章第五章031/69第1頁，共69頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)58分，星期二2/69第五章035.5 陷阱效應(yīng) 當(dāng)半導(dǎo)體處于平衡態(tài)時(shí)，無論是施主、受主、復(fù)合中心或者其他任何的雜質(zhì)能級(jí)上都具有一定數(shù)目的電子，它們由平衡時(shí)的費(fèi)米能級(jí)和分布函數(shù)決定。能級(jí)中的電子通過載流子的俘獲和產(chǎn)生過程與載流子之間保持平衡。第2頁，共69頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)58分，星期二3/69第五章03當(dāng)半導(dǎo)體處于非平衡態(tài)時(shí)，出現(xiàn)非平衡載流子，這種平衡遭到破壞，必然引起雜質(zhì)能級(jí)上電子數(shù)目的改變，如果電子增加，說明該能級(jí)具有收容部分非平衡電子的作用；如果電子減少，看成該能級(jí)具有收容空穴的作用；第3頁，

2、共69頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)58分，星期二4/69第五章03雜質(zhì)能級(jí)積累非平衡載流子的作用就稱為陷阱效應(yīng)。實(shí)際過程中，只需考慮有顯著積累非平衡載流子作用的雜質(zhì)能級(jí)，它積累的非平衡載流子可與導(dǎo)帶或價(jià)帶中的非平衡載流子數(shù)目相當(dāng)。把具有顯著陷阱效應(yīng)的雜質(zhì)能級(jí)稱為陷阱，相應(yīng)的雜質(zhì)或缺陷稱為陷阱中心。第4頁，共69頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)58分，星期二5/69第五章03與陷阱效應(yīng)相關(guān)的問題常常比較復(fù)雜，一般要考慮復(fù)合中心與陷阱同時(shí)存在的情況，而且重要的是非穩(wěn)定變化過程。這里要分析的仍然是非平衡載流子存在時(shí)俘獲和產(chǎn)生過程所引起的變化。原則上講，復(fù)合中心理論可以用來分析有關(guān)陷阱效應(yīng)的問題。

3、第5頁，共69頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)58分，星期二6/69第五章03這里就簡單情況下，以復(fù)合中心理論為依據(jù)，定性討論陷阱效應(yīng)，得出相關(guān)陷阱的幾點(diǎn)基本認(rèn)識(shí)。 根據(jù)復(fù)合理論，前面已經(jīng)得到穩(wěn)定時(shí)雜質(zhì)能級(jí)(復(fù)合中心能級(jí))上的電子濃度：上式如何得到？第6頁，共69頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)58分，星期二7/69第五章03在穩(wěn)定情況下，復(fù)合時(shí)的四個(gè)微觀過程必須保持復(fù)合中心上的電子數(shù)不變，即nt為常數(shù)。由于、兩個(gè)過程造成復(fù)合中心能級(jí)上電子的積累，而、兩個(gè)過程造成復(fù)合中心上電子的減少，要維持 nt不變，必須滿足穩(wěn)定條件: EcEtEv第7頁，共69頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)58分，星期二

4、8/69第五章03即所以復(fù)合中心能級(jí)上的電子濃度為第8頁，共69頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)58分，星期二9/69第五章03在小注入條件下，能級(jí)上電子的積累可表示為（偏微分取平衡時(shí)候的值）因?yàn)閜、 n的影響是相互獨(dú)立的，形式上完全對(duì)稱，只需考慮一項(xiàng)就可以，下面只考慮n 。第9頁，共69頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)58分，星期二10/69第五章03典型的陷阱，rn和rp差別較大。即：電子陷阱（積累電子）rnrp，略去上式的rp第10頁，共69頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)58分，星期二11/69第五章03一定的雜質(zhì)能級(jí)能否成為陷阱，還決定于能級(jí)的位置，對(duì)于低于EF的能級(jí)，平衡時(shí)已被電子

5、填滿，因而不能起陷阱的作用。高于EF的能級(jí)，平衡時(shí)基本上是空的，適于陷阱的作用，但隨著能級(jí)的升高，電子被激發(fā)到導(dǎo)帶的幾率迅速升高，因而被陷阱俘獲的幾率大大降低。 因此，雜質(zhì)能級(jí)與費(fèi)米能級(jí)重合時(shí)(n1=n0)，最有利于陷阱作用。 第11頁，共69頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)58分，星期二12/69第五章03 當(dāng)半導(dǎo)體內(nèi)部的載流子分布不均勻時(shí)，即存在濃度梯度時(shí)，由于載流子的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，引起載流子由濃度高的地方向濃度低的地方擴(kuò)散，結(jié)果使得粒子重新分布，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)是粒子的有規(guī)則運(yùn)動(dòng)。 5.6 載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)第12頁，共69頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)58分，星期二13/69第五章03擴(kuò)散流密

6、度：單位時(shí)間通過單位面積的粒子數(shù)有：負(fù)號(hào)表示載流子從濃度高的地方向濃度低的地方擴(kuò)散，D為擴(kuò)散系數(shù)，單位cm2/s第13頁，共69頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)58分，星期二14/69第五章03擴(kuò)散流密度通常是隨位置變化的，由于擴(kuò)散，單位時(shí)間在單位體積內(nèi)積累的空穴數(shù)為：第14頁，共69頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)58分，星期二15/69第五章03達(dá)到穩(wěn)態(tài)分布時(shí)，空間任一點(diǎn)，單位體積內(nèi)的載流子數(shù)目不隨時(shí)間變化，則由于擴(kuò)散單位時(shí)間單位體積內(nèi)累積的載流子數(shù)目等于復(fù)合掉的載流子數(shù)目。上述兩個(gè)方程的解(可以利用matlab命令:dsolve(D2y*dp-y/tao=0)來得到)：第15頁，共69頁

7、，2022年，5月20日，1點(diǎn)58分，星期二16/69第五章03討論不同的樣品厚度（無限厚和有限厚）： 1、樣品很厚非平衡載流子未擴(kuò)散到另一端已幾乎消失第16頁，共69頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)58分，星期二17/69第五章03所以：非平衡載流子的平均擴(kuò)散距離：Lp表示非平衡載流子擴(kuò)散的平均距離，稱為擴(kuò)散長度第17頁，共69頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)58分，星期二18/69第五章03當(dāng)x=Lp時(shí)，非平衡載流子減到原來的1/e這表明，向內(nèi)擴(kuò)散的空穴流的大小就如同表面的空穴以Dp/Lp的速度向內(nèi)運(yùn)動(dòng)一樣第18頁，共69頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)58分，星期二19/69第五章032

8、、樣品厚度一定，并且在樣品另一端設(shè)法將非平衡少數(shù)載流子全部抽走，設(shè)樣品厚度w第19頁，共69頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)58分，星期二20/69第五章03第20頁，共69頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)58分，星期二21/69第五章03當(dāng)wLp時(shí)這時(shí)，非平衡載流子濃度在樣品內(nèi)呈線性分布 第21頁，共69頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)58分，星期二22/69第五章03濃度梯度為第22頁，共69頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)58分，星期二23/69第五章03此時(shí)，擴(kuò)散流密度為常數(shù)這意味著非平衡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)散長度小得多，從發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的非平載流子在基區(qū)

9、的分布近似符合上述情況。 第23頁，共69頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)58分，星期二24/69第五章03 因?yàn)殡娮雍涂昭ǘ际菐щ娏Ｗ樱运鼈兊臄U(kuò)散運(yùn)動(dòng)也必然伴隨著電流的出現(xiàn)，形成擴(kuò)散電流。 第24頁，共69頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)58分，星期二25/69第五章03對(duì)于三維情況第25頁，共69頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)58分，星期二26/69第五章03 擴(kuò)散流密度的散度的負(fù)值就是單位體積內(nèi)空穴積累率：第26頁，共69頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)58分，星期二27/69第五章03探針注入時(shí)的三維非平衡載流子輸運(yùn)此時(shí)非平衡載流子沿著徑向方向擴(kuò)散p只是半徑r的函數(shù)，令采用球坐標(biāo)系，此時(shí)非平衡載流子濃度只是半徑r的函數(shù)，所以則有第27頁，共69頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)58分，星期二28/69第五章03邊界條件：當(dāng)r=r0時(shí)非平衡載流子濃度為第28頁，共69頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)58分，星期二29/69第五章03與前面的一維情況樣品無限厚時(shí)的表達(dá)式相比，這里多了前面的 項(xiàng)?？梢?，這里擴(kuò)散的效率比平面情況要高。原因是很明顯的，因?yàn)樵谄矫媲闆r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;而在球?qū)ΨQ情況下，徑向運(yùn)動(dòng)本身就引起載流子的疏散，造成濃度梯度，增強(qiáng)了擴(kuò)散的效率。