2022-2023學(xué)年高二物理競賽課件：近本征半導(dǎo)體中非平衡載流子的擴(kuò)散和漂移

近本征半導(dǎo)體中非平衡

載流子的擴(kuò)散和漂移

近本征半導(dǎo)體中非平衡載流子的擴(kuò)散和漂移可以忽略的,分析了非本征半導(dǎo)體中非平衡少子的擴(kuò)散和漂移。本節(jié)，我們討論近本征半導(dǎo)體中非平衡載流子的擴(kuò)散和漂移。所謂近本征半導(dǎo)體，是指電子和空穴的平衡濃度相差不多的半導(dǎo)體。此時，必須考慮，由于兩種載流子擴(kuò)散和漂移運動的差異所引起的電場分布的變化，以及它對兩種載流子運動的影響.一、雙極擴(kuò)散（無外電場）

考慮光照在表面薄層內(nèi)產(chǎn)生電子－空穴對，使表面的電子和空穴濃度比內(nèi)部高,這必然引起它們由表面向內(nèi)部的擴(kuò)散。該電場是由于電子和空穴擴(kuò)散運動的差異引起的，只有在Dn=Dp時，才有ε=0.所以由于Dn>Dp,電子比空穴擴(kuò)散的快，結(jié)果將在樣品中產(chǎn)生沿x方向的電場ε.在這種情況下,空穴和電子的電流密度都包含擴(kuò)散電流和漂移電流兩個部分.在達(dá)到穩(wěn)定時,總的電流密度jn+jp=0,即設(shè)Δn≈Δp,則有其中,稱為雙極擴(kuò)散系數(shù).在過剩載流子濃度很小時，上式中的n和p可以分別用n0和p0來代替。在形式上與前面的相同，只是Dn和Dp被一個雙極擴(kuò)散系數(shù)D所代替。D綜合了載流子的擴(kuò)散運動和漂移運動，就好象電子和空穴都以雙極擴(kuò)散系數(shù)做單純的擴(kuò)散運動一樣.

在小注入情況下，對于N型半導(dǎo)體(p<<n),，D≈Dp；對于P型半導(dǎo)體(n<<p)，D≈Dn.對于本征半導(dǎo)體，D=2DnDp/(Dn+Dp).二、雙極擴(kuò)散和漂移對于近本征半導(dǎo)體，盡管電中性條件仍能近似成立，但是少子和多子相差不多，(Δp-Δn)項不能忽略。于是有流密度：圖7.11D：雙極擴(kuò)散系數(shù)，已不是載流子本身的漂移速度，代表擾動△p或△n

的漂移速度。

在海恩斯-消克萊實驗中，根據(jù)過剩少子濃度Δp的漂移所得到的遷移率，稱為漂移遷移率。在近本征材料中，它是上式給出的雙極遷移率。只有在非本征半導(dǎo)體中(n>>p或者p>>n)，少子的漂移遷移率才等于電導(dǎo)遷移率。非本征半導(dǎo)體：

N型，n>>p，

P型，p>>n，本征半導(dǎo)體：n=p，μ＝0，電場不影響過剩載流子的空間分布N型，n>p，μ>0，擾動沿正電場方向（過?？昭ㄆ品较颍┢?；P型，p>n，μ<0，擾動沿電場反方向（過剩電子漂移方向）漂移；

擾動在電場中沿著少子的漂移方向運動近本征半導(dǎo)體：當(dāng)Et在禁帶下部時，只是在高阻區(qū)的壽命變?yōu)樗摹勖c復(fù)合中心能級位置的關(guān)系復(fù)合中心能級Et在禁帶中的位置不同，它對非平衡載流子復(fù)合的影響將有很大的差別。一般說來，只有雜質(zhì)的能級Et比費米能級離導(dǎo)帶底或價帶頂更遠(yuǎn)的深能級雜質(zhì)，才能成為有效的復(fù)合中心。

復(fù)合中心能級位于禁帶中央附近時，對非平衡載流子的復(fù)合作用最大。對于有效復(fù)合中心，其電子俘獲系數(shù)與空穴俘獲系數(shù)相差不大。即復(fù)合中心的復(fù)合作用最強。此時，壽命達(dá)到極小值當(dāng)Et離開Ei而偏向Ec或Ev時，電子或空穴激發(fā)過程的幾率增大，減弱復(fù)合作用。五、壽命隨溫度的變化對于一定的樣品，當(dāng)溫度變化時，n0，p0，n1和p1都要隨之改變，從而引起壽命的變化。設(shè)樣品是N型的，復(fù)合中心能級Et在禁帶的上半部，如圖7.18（b）所示。下面我們根據(jù)壽命公式，分三個溫度區(qū)討論壽命隨溫度的變化。圖7.18N型半導(dǎo)體中電子濃度、費米能級和壽命隨溫度的關(guān)系雜質(zhì)電離區(qū)飽和電離區(qū)本征激發(fā)區(qū)⑴在溫度較低時,隨著溫度的升高，費米能級EF從導(dǎo)帶底附近單調(diào)下降,一直到它與復(fù)合中心能級Et重合.在這個溫度范圍內(nèi)，由⑵溫度再升高，EF繼續(xù)下降，一直到飽和電離區(qū)的最高溫度，在此溫度區(qū)內(nèi)，n0是常數(shù)，并且n1>>n0，n0>>p0，p1。于是其中，A是與T無關(guān)的常數(shù)。上式表明，隨著溫度的升高，壽命基本上按指數(shù)規(guī)律增大。因此，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)畫出lnて～1/T曲線，由其斜率可確定復(fù)合中心能級的位置（Ec-Et）。⑶溫度繼續(xù)上升，進(jìn)入本征激發(fā)區(qū)以后，n0≈p0=ni，則弱P型區(qū) 費米能級EF在Et′和本征費米能級Ei之間（Et′<EF<Ei），這時，n1>>p0>>

n0>>p1，于是這時，壽命與空穴（多子）的濃度p0成反比，越偏離本征區(qū)，與電子復(fù)合的空穴數(shù)目越多，壽命則越短。

⒋強P型區(qū) 費米能級EF在價帶頂E