半导体物理_第六章.ppt

第6章 半导体中的非平衡过剩载流子本章学习要点：1. 掌握过剩载流子产生与复合的概念；2. 掌握描述过剩载流子运动特性的连续性方程及扩散  方程；3. 掌握双极输运方程及其典型的应用实例；4. 建立准费米能级的概念；5. 了解分析过剩载流子的复合过程及其寿命；6. 了解表面效应对过剩载流子复合的影响。 如果半导体材料受到外部的激励(如温度的突然升高），那么在原来热平衡浓度的基础上，会增加额外的导带电子和价带空穴----非平衡过剩载流子，过剩载流子是半导体器件工作的基础。 本章重点学习描述非平衡过剩载流子随空间位置和时间变化状态---双极输运方程，这是研究分析PN结和双极型晶体管特性的基础。 §6.1 载流子的产生与复合载流子的产生：把一个价带电子激发至导带，形成一对可以参与导电的电子－空穴对的过程；载流子的复合：一个导带电子跃迁至价带，使得一对本来可以参与导电的电子－空穴对消失的过程。 对于热平衡状态的任何偏离，都会导致半导体材料中电子浓度和空穴浓度的变化。例如： 温度的突然升高，会导致电子和空穴热产生率的增大，从而导致半导体材料中电子和空穴浓度随着时间而变化，直到最后达到新的平衡。 外部的光照，也会产生额外的电子－空穴对，从而建立起一个非热平衡状态。 6.1.1 热平衡状态半导体的产生和复合处于热平衡状态的半导体材料，其电子和空穴的浓度不随时间发生变化，但实际这是一种动态平衡。在半导体材料中仍然不断地存在着大量电子－空穴对的产生过程，也存在着大量电子－空穴对的复合过程。 电子的产生率---Gn0 空穴热产生率---Gp0， 单位：cm-3?s-1。 对于导带与价带之间的直接产生过程，电子和空穴是成对产生的，因此有： 6.1.2 过剩载流子的产生与复合 讨论过剩载流子产生和复合过程常用的符号 过剩载流子的产生当有外界激发条件（如光照）时，会把半导体价带中的电子激发至导带，从而在导带中产生导电电子，同时也会在价带中产生导电空穴，即受到外部激励时，半导体材料相对于热平衡状态额外产生了电子－空穴对。 额外产生的电子------过剩电子 额外产生的空穴------过剩空穴 过剩电子的产生率为：gn′  过剩空穴的产生率为：gp′  单位---cm-3?s-1 对于导带与价带之间的直接产生过程来说，过剩电子和过剩空穴也是成对产生的，因此有： 当有过剩载流子产生时，外界的激发作用打破了热平衡状态，因此这时半导体材料不再处于热平衡状态。电子和空穴的浓度也不再满足热平衡时的条件，即： 下图所示为半导体材料中过剩载流子的复合过程。如果撤掉外界作用，由于过剩载流子的复合作用，非热平衡状态会逐渐向热平衡状态恢复。 利用上述关系，上面的方程可进一步变换为： 在小注入条件下，对于P型半导体材料上述方程可简化为： 过剩少数载流子电子的净复合率：（通常取正值） 在小注入条件下，对于N型半导体材料少数载流子空穴的浓度将以时间常数τp0进行衰减，且 6.1.3 过剩载流子的产生与复合过程（1）带与带之间的产生与复合过程： （2）通过产生－复合中心的间接产生复合过程：  复合中心：缺陷或特殊的杂质。 （3）俄歇复合过程（三粒子过程）： §6.2 过剩载流子运动分析方法 过剩载流子的产生率和复合率无疑是非常重要的描述非平衡过剩载流子特性的参数，但是在有电场和浓度梯度存在的情况下，过剩载流子随着时间和空间位置的变化规律也同样重要。 通常过剩电子和过剩空穴之间的运动并不是完全独立的，它们的扩散运动和漂移运动都具有一定的相关性。 这一节将详细讨论过剩载流子运动的分析方法。 6.2.1 连续性方程 如下图所示的一个微分体积元，一束一维空穴流在x处进入微分体积元，又在x+dx处离开微分体积元。空穴的流量：Fpx+，单位：个/cm2-s，则有下式成立： 单位时间内由于x方向空穴流而导致微分体积元中空穴的净增量为： 将上式两边分别除以微分体积元的体积，则有： 类似地，得到一维条件下电子连续性方程为： 将上述两式分别除以电子的电量e，则可得到粒子流量。则上述方程就变为： 所以扩散方程中的电子和空穴的浓度包含了：  热平衡时的载流子浓度； 非热平衡条件下的过剩载流子浓度；热平衡载流子浓度n0、p0不随时间和空间位置变化，因此： 电子和空穴的扩散方程可进一步变换为下式： §6.3 双极输运在第5章中，导出的电子电流密度方程和空穴电流密度方程中，引