半導(dǎo)體導(dǎo)電性

半導(dǎo)體的導(dǎo)電性一、主要內(nèi)容二、載流子的漂移運(yùn)動(dòng)三、載流子的散射四、遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系五、電阻率及其與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系六、強(qiáng)電場(chǎng)下的效應(yīng)、熱載流子七、耿氏效應(yīng)八、總結(jié)載流子在外加電場(chǎng)作用下的漂移運(yùn)動(dòng)半導(dǎo)體的遷移率、電導(dǎo)率、電阻率與溫度和雜質(zhì)濃度的關(guān)系載流子散射的物理本質(zhì)一、主要內(nèi)容半導(dǎo)體中載流子的輸運(yùn)有三種形式漂移擴(kuò)散產(chǎn)生和復(fù)合二、載流子的漂移運(yùn)動(dòng)歐姆定律的微分表達(dá)式歐姆定律的經(jīng)典表達(dá)式反映了通過(guò)導(dǎo)體中某一點(diǎn)的電流密度和該處的電導(dǎo)率、電場(chǎng)強(qiáng)度之間的關(guān)系。電流密度：通過(guò)垂直于電流方向的單位面積的電流歐姆定律的微分表達(dá)式漂移速度和遷移率漂移運(yùn)動(dòng)：載流子在電場(chǎng)力的作用下的定向運(yùn)動(dòng)漂移速度：載流子定向運(yùn)動(dòng)的速度（1）漂移速度是一個(gè)平均值，且是一個(gè)有限值。半導(dǎo)體中的載流子做隨機(jī)的熱運(yùn)動(dòng)，在熱平衡條件下，電子的平均動(dòng)能滿足：漂移速度和遷移率（2）漂移遷移率ABSVIVE電子運(yùn)動(dòng)方向1秒鐘通過(guò)AB面的電子數(shù)n：電子濃度S：AB截面的面積通過(guò)A面的電流強(qiáng)度通過(guò)A面的電流密度反映了電導(dǎo)率和遷移率之間的關(guān)系漂移速度和遷移率載流子的遷移率（1）概念：?jiǎn)挝浑妶?chǎng)強(qiáng)度下載流子平均漂移速度的絕對(duì)值。反映載流子在電場(chǎng)中漂移運(yùn)動(dòng)的難易程度（2）取值：因?yàn)殡娮幽骐妶?chǎng)方向運(yùn)動(dòng)，平均漂移速度為負(fù)值，而習(xí)慣上遷移率只取正值（3）在相同的外電場(chǎng)作用下，電子遷移率大于空穴遷移率：漂移速度和遷移率（3）半導(dǎo)體的電導(dǎo)率和遷移率在電場(chǎng)強(qiáng)度不太大的情況下，半導(dǎo)體中的載流子在電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)仍遵守歐姆定律半導(dǎo)體中存在帶負(fù)電的電子和帶正電的空穴，導(dǎo)電作用是電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電的總和。E電子漂移方向電子電流空穴電流空穴漂移方向n型半導(dǎo)體p型半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體三、載流子的散射載流子散射的基本概念問(wèn)題：導(dǎo)體在外加電場(chǎng)作用下，導(dǎo)體內(nèi)載流子的漂移電流密度有兩種表達(dá)形式：恒定不斷增大載流子散射的基本概念半導(dǎo)體中的載流子在做無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，與格點(diǎn)原子、雜質(zhì)原子（離子）和其它載流子發(fā)生碰撞，即遭到散射。在無(wú)電場(chǎng)作用下，載流子永不停息地做著無(wú)規(guī)則的、雜亂無(wú)章的運(yùn)動(dòng)，稱為熱運(yùn)動(dòng)。熱平衡時(shí)，載流子的熱運(yùn)動(dòng)完全隨機(jī)，所以凈電流為零。平均自由時(shí)間：E?x當(dāng)有外電場(chǎng)作用時(shí)，載流子既受電場(chǎng)力的作用作漂移運(yùn)動(dòng)，同時(shí)不斷發(fā)生散射。載流子在外電場(chǎng)的作用下為熱運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)的疊加，因此電流密度是恒定的。四、遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系平均自由時(shí)間和散射幾率的關(guān)系自由時(shí)間：載流子在電場(chǎng)中作漂移運(yùn)動(dòng)時(shí)，只有在連續(xù)兩次散射之間的時(shí)間內(nèi)才作加速運(yùn)動(dòng)，這段時(shí)間稱為自由時(shí)間。平均自由時(shí)間（）：取多次而求得的平均值稱為載流子的平均自由時(shí)間。定義：N(t)和N(t+?t)為t時(shí)刻和(t+?t)時(shí)刻未遭到散射的電子數(shù)在t到(t+?t)時(shí)間內(nèi)被散射的電子數(shù)：當(dāng)?t很小時(shí)：平均自由時(shí)間和散射幾率的關(guān)系在t到t+dt時(shí)間內(nèi)被散射的電子數(shù)：在t到t+dt時(shí)間內(nèi)遭到散射的所有時(shí)間均為t，是這些電子自由時(shí)間的總和，對(duì)所有時(shí)間積分，得到N0個(gè)電子自由時(shí)間的總和，再除以N0得到平均自由時(shí)間：平均自由時(shí)間的數(shù)值等于散射幾率的倒數(shù)。電導(dǎo)率、遷移率與平均自由時(shí)間的關(guān)系如果各向同性，電場(chǎng)沿x方向，在t=0時(shí)刻某電子遭散射，散射后該電子在x方向速度分量為vx0，下一次被散射時(shí)的速度為vx考慮t到t+dt時(shí)間內(nèi)遭到散射的電子數(shù)為，每個(gè)電子獲得的速度為，二者相乘再對(duì)所有時(shí)間積分就得到N0個(gè)電子漂移速度的總和，除以N0得到平均漂移速度：各向同性時(shí)：電導(dǎo)率、遷移率與平均自由時(shí)間的關(guān)系根據(jù)遷移率的定義電子遷移率：空穴遷移率：半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率（n型）（p型）五、電阻率及其與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系電阻率與濃度和溫度的關(guān)系基本表達(dá)式n型p型本征電阻率與濃度和溫度的關(guān)系電阻率和雜質(zhì)濃度的關(guān)系1014101510161017101810191020雜質(zhì)濃度（cm-3）電阻率與濃度和溫度的關(guān)系電阻率和溫度的關(guān)系（1）本征半導(dǎo)體當(dāng)溫度升高時(shí)，ni按指數(shù)規(guī)律增大遷移率隨溫度升高而緩慢減小綜合以上兩者的作用，本征半導(dǎo)體材料的電阻率隨溫度升高而單調(diào)下降，這是半導(dǎo)體區(qū)別于金屬的一個(gè)重要特征。電阻率與濃度和溫度的關(guān)系（2）雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子來(lái)源1：雜質(zhì)電離2：本征激發(fā)遷移率因素3：電離雜質(zhì)散射4：晶格振動(dòng)散射非平衡載流子一、主要內(nèi)容二、非平衡載流子的注入、壽命和準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)三、復(fù)合理論四、陷阱效應(yīng)五、載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)六、愛(ài)因斯坦關(guān)系式七、連續(xù)性方程八、總結(jié)載流子在外加電場(chǎng)作用下的漂移運(yùn)動(dòng)半導(dǎo)體的遷移率、電導(dǎo)率、電阻率與溫度和雜質(zhì)濃度的關(guān)系載流子散射的物理本質(zhì)一、主要內(nèi)容半導(dǎo)體中載流子的輸運(yùn)有三種形式漂移擴(kuò)散產(chǎn)生和復(fù)合二、非平衡載流子的注入、壽命和準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)非平衡載流子的產(chǎn)生平衡載流子濃度：處于熱平衡狀態(tài)下的載流子濃度。熱平衡時(shí)，電子和空穴的產(chǎn)生率等于復(fù)合率。在非簡(jiǎn)并情況下：該式是非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體處于熱平衡狀態(tài)的判據(jù)式。熱平衡狀態(tài)：沒(méi)有外界作用，半導(dǎo)體材料有統(tǒng)一的溫度和確定的載流子濃度。1、熱平衡狀態(tài)和熱平衡載流子非平衡載流子的產(chǎn)生非平衡載流子濃度：非平衡狀態(tài)：若對(duì)半導(dǎo)體材料施加外界作用，其載流子濃度對(duì)熱平衡態(tài)下的載流子濃度發(fā)生了偏離，這時(shí)材料所處的狀態(tài)稱為非平衡狀態(tài)。2、非平衡狀態(tài)和非平衡載流子光照n0p0?n?p非平衡電子非平衡空穴非平衡載流子平衡載流子電子濃度：空穴濃度：非平衡載流子的產(chǎn)生一般情況下，注入的非平衡載流子濃度比平衡時(shí)的多數(shù)載流子濃度小很多。1cm的n型Sin0平衡時(shí)的多數(shù)載流子p0平衡時(shí)的少數(shù)載流子?n非平衡時(shí)的多數(shù)載流子?p非平衡時(shí)的少數(shù)載流子5.510153.110410101010小注入條件對(duì)n型半導(dǎo)體，大注入條件在小注入條件下，非平衡多數(shù)載流子的影響可以忽略，但非平衡少數(shù)載流子起重要的作用。通常講的非平衡載流子指非平衡少數(shù)載流子。非平衡載流子的產(chǎn)生光注入：

光照使價(jià)帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，滿足?n=?p

光注入的條件：3、非平衡載流子的產(chǎn)生——注入電注入：

利用金屬-半導(dǎo)體接觸或利用pn結(jié)的正向工作非平衡載流子的產(chǎn)生4、光電導(dǎo)非平衡載流子的壽命非平衡載流子的平均生存時(shí)間稱為非平衡載流子的壽命。

相對(duì)于非平衡多數(shù)載流子，非平衡少數(shù)載流子的影響處于主導(dǎo)的、決定的地位，因而非平衡載流子的壽命常稱為少數(shù)載流子壽命，或少子壽命。0t?p(t)?p0/et=0時(shí)刻，非平衡載流子濃度為(?p)0此時(shí)停止光照，非平衡載流子濃度隨時(shí)間衰減壽命標(biāo)志著非平衡載流子濃度衰減至起始值的1/e時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間。1、少子壽命的計(jì)算公式非平衡載流子的壽命2、少子壽命的測(cè)試方法直流光電導(dǎo)衰減法高頻光電導(dǎo)衰減法光磁電法（適合測(cè)量短壽命）擴(kuò)散長(zhǎng)度法雙脈沖法漂移法半導(dǎo)體光照R非平衡載流子的注入和檢測(cè)非平衡載流子的壽命光照產(chǎn)生非平衡載流子，使電導(dǎo)增加光照撤除后，光電導(dǎo)的衰減滿足：1、平衡時(shí)半導(dǎo)體的電導(dǎo)率為0，2、光照引起附加電導(dǎo)率為?3、小注入時(shí)0+?04、電阻率的改變：5、電阻改變：6、從示波器上觀測(cè)到的半導(dǎo)體上電壓降的變化：高純Si103s高純Ge104s高純GaAs10-8~10-9s準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)半導(dǎo)體中的電子系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，在整個(gè)半導(dǎo)體中有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)，在非簡(jiǎn)并情況下：半導(dǎo)體中電子和空穴濃度的乘積必須滿足：1、熱平衡狀態(tài)：費(fèi)米能級(jí)準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)當(dāng)半導(dǎo)體的平衡態(tài)遭到破壞后而存在非平衡載流子，不存在統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)價(jià)帶和導(dǎo)帶中的電子，處于熱平衡狀態(tài)，而導(dǎo)帶和價(jià)帶之間處于不平衡狀態(tài)。費(fèi)米能級(jí)和統(tǒng)計(jì)分布函數(shù)對(duì)導(dǎo)帶和價(jià)帶各自仍然適用。導(dǎo)帶和價(jià)帶有各自不等的費(fèi)米能級(jí)，稱為準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)。2、非平衡狀態(tài)：準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)非平衡載流子濃度（n，p）與平衡載流子濃度（n0，p0）及本征載流子濃度（ni）之間的關(guān)系：準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)多子的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)偏離EF很小，少子的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)偏離EF很大。nnpp?p?nEiEFEvEcEcEv熱平衡狀態(tài)的費(fèi)米能級(jí)n型半導(dǎo)體的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)室溫下n型半導(dǎo)體硅的ND=1015cm-3，用光照產(chǎn)生1014cm-3的非平衡載流子，求其準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)（Nc=2.81019cm-3，ni=1.51010cm-3）。無(wú)光照時(shí)，有光照時(shí)，同理求得：三、復(fù)合理論基本概念平衡態(tài)非平衡態(tài)平衡載流子非平衡載流子產(chǎn)生復(fù)合基本概念產(chǎn)生電子和空穴（載流子）被創(chuàng)建的過(guò)程產(chǎn)生率（G）：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位體積內(nèi)所產(chǎn)生的電子—空穴對(duì)數(shù)復(fù)合電子和空穴（載流子）消失的過(guò)程復(fù)合率（R）：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位體積內(nèi)復(fù)合掉的電子—空穴對(duì)數(shù)產(chǎn)生和復(fù)合會(huì)改變載流子的濃度，從而間接地影響電流基本概念表面載流子的復(fù)合機(jī)構(gòu)abc復(fù)合中心a-直接復(fù)合：電子在導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的直接躍遷，引起電子和空穴的直接復(fù)合。b-體內(nèi)間接復(fù)合：電子和空穴通過(guò)禁帶的能級(jí)（復(fù)合中心）在體內(nèi)進(jìn)行復(fù)合。c-表面間接復(fù)合：電子和空穴通過(guò)禁帶的能級(jí)（復(fù)合中心）在表面進(jìn)行復(fù)合。基本概念直接復(fù)合間接復(fù)合Auger復(fù)合（禁帶寬度小的半導(dǎo)體材料）（窄禁帶半導(dǎo)體及高溫情況下）（具有深能級(jí)雜質(zhì)的半導(dǎo)體材料）直接復(fù)合1、非平衡載流子的凈復(fù)合率EcEv產(chǎn)生復(fù)合復(fù)合率：npr代表不同熱運(yùn)動(dòng)速度的電子和空穴復(fù)合幾率的平均值，是溫度的函數(shù)，與n和p無(wú)關(guān)。產(chǎn)生率：在非簡(jiǎn)并狀態(tài)下，產(chǎn)生率與n和p無(wú)關(guān)，僅是溫度的函數(shù)。熱平衡時(shí)：非平衡時(shí)：凈復(fù)合率：直接復(fù)合2、非平衡載流子的壽命小注入條件下N型半導(dǎo)體但溫度和摻雜一定時(shí)，壽命為常數(shù)，與注入程度無(wú)關(guān)，與多數(shù)載流子濃度成反比大注入條件下壽命不為常數(shù)，隨非平衡載流子濃度改變而改變。體內(nèi)間接復(fù)合復(fù)合中心：禁帶中引入深能級(jí)的缺陷和雜質(zhì)，促進(jìn)復(fù)合過(guò)程。1、間接復(fù)合的四個(gè)基本過(guò)程EcEv甲乙丙丁Et躍遷前EcEvEt躍遷后甲-俘獲電子過(guò)程：復(fù)合中心能級(jí)Et從導(dǎo)帶中俘獲電子。乙-發(fā)射電子過(guò)程：復(fù)合中心能級(jí)Et上的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶（甲的逆過(guò)程）丙-俘獲空穴過(guò)程：電子由復(fù)合中心能級(jí)Et落入價(jià)帶與空穴復(fù)合（復(fù)合中心能級(jí)從價(jià)帶俘獲一個(gè)空穴）丁-發(fā)射空穴過(guò)程：價(jià)帶電子被激發(fā)到復(fù)合中心能級(jí)Et上（復(fù)合中心能級(jí)向價(jià)帶發(fā)射一個(gè)空穴）（丙的逆過(guò)程）體內(nèi)間接復(fù)合2、電子的俘獲和產(chǎn)生n：導(dǎo)帶電子濃度p：價(jià)帶空穴濃度Nt：復(fù)合中心濃度nt：復(fù)合中心能級(jí)上的電子濃度Nt-nt：未被電子占據(jù)的復(fù)合中心濃度乙、電子產(chǎn)生率Gn：?jiǎn)挝惑w積、單位時(shí)間向?qū)Оl(fā)射的電子數(shù)（非簡(jiǎn)并時(shí)認(rèn)為導(dǎo)帶基本是空的）。EcEv甲乙丙丁Et躍遷前EcEvEt躍遷后甲、電子俘獲率Rn：?jiǎn)挝惑w積、單位時(shí)間被復(fù)合中心俘獲的電子數(shù)。rn：電子俘獲系數(shù)，反映復(fù)合中心俘獲電子能力的大小，是個(gè)平均值s-：電子激發(fā)幾率，僅與溫度有關(guān)。體內(nèi)間接復(fù)合3、空穴的俘獲和產(chǎn)生n：導(dǎo)帶電子濃度p：價(jià)帶空穴濃度Nt：復(fù)合中心濃度nt：復(fù)合中心能級(jí)上的電子濃度Nt-nt：未被電子占據(jù)的復(fù)合中心濃度丁、空穴產(chǎn)生率Gn：?jiǎn)挝惑w積、單位時(shí)間向價(jià)帶發(fā)射的空穴數(shù)（非簡(jiǎn)并時(shí)認(rèn)為價(jià)帶基本是滿的）。EcEv甲乙丙丁Et躍遷前EcEvEt躍遷后丙、空穴俘獲率Rp：?jiǎn)挝惑w積、單位時(shí)間被復(fù)合中心俘獲的空穴數(shù)。rp：空穴俘獲系數(shù)，反映復(fù)合中心俘獲空穴能力的大小，是個(gè)平均值S+：空穴激發(fā)幾率體內(nèi)間接復(fù)合在穩(wěn)定狀態(tài)下，甲乙丙丁四個(gè)過(guò)程必須保持復(fù)合中心上的電子數(shù)nt不變。4、非平衡載流子的復(fù)合率EcEv甲乙丙丁Et躍遷前EcEvEt躍遷后甲+丁=乙+丙體內(nèi)間接復(fù)合小注入的情況壽命取決于n0、p0、n1、p1，與?p無(wú)關(guān)只要考慮其中最大者即可體內(nèi)間接復(fù)合7、Au在硅中的復(fù)合作用以I族元素Au為例說(shuō)明深能級(jí)的形成與特點(diǎn)AuGeGeGeGeEvEDECEiEA1EA2EA3當(dāng)Au取代Ge晶格中的一個(gè)Ge原子時(shí)：（1）失去唯一的價(jià)電子，產(chǎn)生施主能級(jí)ED，施主能級(jí)略高于價(jià)帶頂；（2）也可得到三個(gè)電子，形成穩(wěn)定的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。

接受一個(gè)電子，產(chǎn)生受主能級(jí)EA1；接受兩個(gè)電子，產(chǎn)生受主能級(jí)EA2；接受三個(gè)電子，產(chǎn)生受主能級(jí)EA3；由于庫(kù)侖力的排斥作用，后獲得電子的電離能大于先獲得電子的電離能，即EA3>EA2>EA1。體內(nèi)間接復(fù)合EvECEtAEF當(dāng)Au取代Si晶格中的一個(gè)Si原子時(shí)：（1）失去一個(gè)電子，形成正電中心Au+，起施主作用，施主能級(jí)EtD在價(jià)帶頂以上0.35eV（2）得到一個(gè)電子，形成負(fù)電中心Au-，起受主作用，受主能級(jí)EtA在導(dǎo)帶底以下0.54eVn型硅EvECEtDEFp型硅n型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)接近導(dǎo)帶，電子基本上填滿了金的能級(jí)，即金接受電子成為Au-，僅有受主能級(jí)起作用0.54eVp型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)接近價(jià)帶，Au能級(jí)基本上是空的，金施放電子成為Au+，僅有施主能級(jí)起作用0.35eV體內(nèi)間接復(fù)合（1）通過(guò)控制Au的濃度，可在寬廣的范圍內(nèi)改變載流子的壽命；（2）摻Au工藝已作為縮短少數(shù)載流子壽命的有效手段。俘獲系數(shù)（cm3/s）Nt（cm-3）少子壽命（s）n型Si1.1510-7510141.710-8510151.710-9510161.710-10P型Si6.310-8510153.210-9表面間接復(fù)合影響少子壽命的主要因素有效壽命：體內(nèi)復(fù)合壽命與材料種類有關(guān)表面狀態(tài)對(duì)壽命也有顯著的影響：表面越粗糙，壽命越短：表面復(fù)合壽命雜質(zhì)原子，特別是深能級(jí)雜質(zhì)能形成有效的復(fù)合中心，位錯(cuò)缺陷也能形成復(fù)合中心能級(jí)，極大地降低壽命各種處理過(guò)程（如熱處理、高能質(zhì)點(diǎn)和射線照射）等，顯著降低壽命。壽命是“結(jié)構(gòu)靈敏”參數(shù)，反映了晶格的完整性俄歇復(fù)合（1）定義載流子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷，發(fā)生電子-空穴復(fù)合時(shí)，把多余的能量傳給另一個(gè)載流子，使這個(gè)載流子被激發(fā)到能量更高的能級(jí)上去，當(dāng)它重新躍遷回低能級(jí)時(shí)，多余的能量常以聲子形式放出，這種復(fù)合稱為俄歇復(fù)合。n型p型四、陷阱效應(yīng)陷阱的定義雜質(zhì)能級(jí)（深能級(jí)）積累非平衡載流子的作用稱為陷阱效應(yīng)EvEtrEcEtt當(dāng)雜質(zhì)能級(jí)上積累的非平衡載流子濃度（?nt）與導(dǎo)帶和價(jià)帶中非平衡載流子濃度相當(dāng)時(shí)，此時(shí)的雜質(zhì)能級(jí)成為陷阱。陷阱的特點(diǎn)特點(diǎn)1：陷阱俘獲電子和空穴的幾率差別很大，rn>>rp

或rp>>rn小于1當(dāng)且僅當(dāng)Nt大于等于（n0+p0）時(shí)才會(huì)有顯著的陷阱效應(yīng)，事實(shí)上這是不可能的，問(wèn)題出在假設(shè)rp=rn上，典型的陷阱對(duì)電子和空穴的俘獲幾率差別很大。

若rn>>rp,陷阱俘獲電子后，很難俘獲空穴，稱為電子陷阱若rp>>rn,陷阱俘獲空穴后，很難俘獲電子，稱為空穴陷阱陷阱的特點(diǎn)特點(diǎn)2：陷阱在費(fèi)米能級(jí)附近時(shí)，最有利于陷阱效應(yīng)雜質(zhì)能級(jí)與平衡時(shí)費(fèi)米能級(jí)重合時(shí)，最有利于陷阱作用。對(duì)于電子陷阱，費(fèi)米能級(jí)EF以上的能級(jí)，越接近EF，陷阱效應(yīng)越顯著。以電子陷阱為例說(shuō)明不考慮空穴陷阱當(dāng)且僅當(dāng)n1=n0時(shí)，?nt有最大值：陷阱的特點(diǎn)特點(diǎn)3：陷阱效應(yīng)通常是對(duì)少子而言，其主要作用是增加少子壽命如果電子是多數(shù)載流子，且雜質(zhì)濃度不是很高，Nt可以和平衡載流子濃度n0相當(dāng)，但仍沒(méi)有顯著的陷阱效應(yīng)。即雖然雜質(zhì)俘獲多數(shù)載流子的幾率比俘獲少數(shù)載流子的幾率大得多，且雜質(zhì)能級(jí)的位置也最有利于陷阱作用，但仍不能形成多數(shù)載流子陷阱。實(shí)際上遇到的常常是少數(shù)載流子的陷阱效應(yīng)。假設(shè)電子落入陷阱后，基本上不能直接和空穴復(fù)合，它們必須首先被激發(fā)到導(dǎo)帶，然后才能再通過(guò)復(fù)合中心而復(fù)合。相對(duì)于從導(dǎo)帶俘獲電子的平均時(shí)間而言，陷阱中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶所需的平均時(shí)間要長(zhǎng)的多，陷阱的存在大大增加了從非平衡態(tài)恢復(fù)到平衡態(tài)的弛豫時(shí)間。五、載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)起源于粒子濃度分布不均勻。均勻摻雜的n型半導(dǎo)體中，載流子分布是均勻的，不產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。當(dāng)適當(dāng)波長(zhǎng)的光照射樣品的一側(cè)，引起非平衡載流子由表面向內(nèi)部擴(kuò)散。ABx

x+?x?p(?p)0x?p(x)光照一維平面擴(kuò)散（1）擴(kuò)散流密度Sp(x)空穴擴(kuò)散系數(shù)[cm2/s]反映了非平衡少子擴(kuò)散能力的強(qiáng)弱負(fù)號(hào)表示擴(kuò)散由高濃度向低濃度方向進(jìn)行擴(kuò)散定律ABx

x+?x?p(?p)0x?p(x)光照一維平面擴(kuò)散（2）穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散方程通過(guò)A和B兩個(gè)截面的擴(kuò)散流密度不相等:穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散時(shí)，空穴積累率等于空穴復(fù)合率：ABx

x+?x?p(?p)0x?p(x)光照穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散方程的解：一維平面擴(kuò)散樣品無(wú)限厚時(shí)穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散方程的解邊界條件：解出：一維平面擴(kuò)散非平衡載流子的平均擴(kuò)散距離：空穴擴(kuò)散長(zhǎng)度，反映了非平衡載流子因擴(kuò)散而深入樣品的平均距離?？昭ǖ臄U(kuò)散流密度：空穴的擴(kuò)散速度一維平面擴(kuò)散樣品厚度為W，且在另一端全部抽出時(shí)穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散方程的解邊界條件：解出：y=shx=(ex-e-x)/2(雙曲正弦）當(dāng)W<<Lp時(shí)：一維平面擴(kuò)散濃度梯度：擴(kuò)散流密度：是常數(shù)，表明沒(méi)有復(fù)合：非平衡載流子來(lái)不及復(fù)合就擴(kuò)散到了樣品的另一端。在晶體管中，基區(qū)寬度一般比擴(kuò)散長(zhǎng)度小很多，從發(fā)射區(qū)注入的非平衡載流子在基區(qū)的分布近似復(fù)合上述情況。一維平面擴(kuò)散（3）p型半導(dǎo)體中的非平衡電子電子的擴(kuò)散流密度：穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散方程：一維平面擴(kuò)散（4）擴(kuò)散電流密度空穴的擴(kuò)散電流密度：電子的擴(kuò)散電流密度：球形（徑向）擴(kuò)散三維探針注入：探針尖陷入半導(dǎo)體表面形成半徑為r0的半球面探針注入r0用球坐標(biāo)表示方程的解球形（徑向）擴(kuò)散在邊界處，沿徑向的擴(kuò)散流密度：一維平面擴(kuò)散，注入面的擴(kuò)散流密度：復(fù)合引起的擴(kuò)散（擴(kuò)散速度）幾何形狀引起的擴(kuò)散徑向擴(kuò)散比平面擴(kuò)散效率高。平面情況下，濃度梯度完全依賴載流子進(jìn)入半導(dǎo)體內(nèi)的復(fù)合；在球形對(duì)稱時(shí)，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。當(dāng)r0<<Lp時(shí)，幾何形狀所引起的擴(kuò)散效果非常明顯，遠(yuǎn)超過(guò)復(fù)合所引起的擴(kuò)散。六、愛(ài)因斯坦關(guān)系式均勻半導(dǎo)體n型半導(dǎo)體加以均勻電場(chǎng)E；表面處光注入產(chǎn)生非平衡載流子運(yùn)動(dòng)方向電流方向平衡載流子漂移運(yùn)動(dòng)方向電流方向非平衡載流子漂移運(yùn)動(dòng)方向電流方向非平衡載流子擴(kuò)散光照均勻半導(dǎo)體電子的總電流密度：空穴的總電流密度：半導(dǎo)體內(nèi)的總電流密度：非均勻半導(dǎo)體++++++++++++++++++++平衡載流子漂移無(wú)外界作用時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)存在濃度梯度，使平衡載流子產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：由于電子擴(kuò)散，在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生靜電場(chǎng)，使載流子產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)：x平衡載流子擴(kuò)散內(nèi)建電場(chǎng)非均勻半導(dǎo)體在熱平衡條件下，半導(dǎo)體中部存在宏觀電流，電場(chǎng)的方向必然反抗擴(kuò)散電流，使平衡時(shí)電子的總電流和空穴的總電流分別等于零：得到：非均勻半導(dǎo)體非均勻半導(dǎo)體中出現(xiàn)自建電場(chǎng)時(shí)，電勢(shì)是x的函數(shù)為V(x)，導(dǎo)帶底的能量也是x的函數(shù)為[Ec-qV(x)]，非簡(jiǎn)并條件下，電子濃度為：對(duì)于空穴：愛(ài)因斯坦關(guān)系式，表明非簡(jiǎn)并條件下載流子遷移率和擴(kuò)散系數(shù)之間的關(guān)系。愛(ài)因斯坦關(guān)系式可直接應(yīng)用于非平衡載流子；愛(ài)因斯坦關(guān)系式可直接用于外加電場(chǎng)的情況；愛(ài)因斯坦關(guān)系式僅適用于非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體。非均勻半導(dǎo)體非均勻半導(dǎo)體（光注入產(chǎn)生非平衡載流子、存在外加電場(chǎng)）半導(dǎo)體中同時(shí)存在擴(kuò)散和漂移運(yùn)動(dòng)時(shí)的電流密度方程式非均勻半導(dǎo)體n(cm2/Vs)p(cm2/Vs)Dn

(cm2/s)Dp(cm2/s)Se390019009747室溫時(shí)：(k0T)/q=(1/40)V七、連續(xù)性方程連續(xù)性方程連續(xù)性方程——擴(kuò)散和漂移同時(shí)存在時(shí)，少子所遵守的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。(1)n型半導(dǎo)體(2)x方向電場(chǎng)(3)光注入非平衡載流子dV內(nèi)空穴的變化（1）擴(kuò)散造成的空穴積累：（2）漂移造成的空穴積累：（3）空穴產(chǎn)生率：（4）空穴復(fù)合率：連續(xù)性方程連續(xù)性方程空穴濃度隨時(shí)間的變化率為：p型半導(dǎo)體中電子濃度隨時(shí)間的變化率為：連續(xù)性方程穩(wěn)態(tài)連續(xù)性方程：載流子濃度的變化不隨時(shí)間變化連續(xù)性方程連續(xù)性方程：電流密度：連續(xù)性方程的應(yīng)用（1）光激發(fā)的載流子的衰減條件：光照在均勻半導(dǎo)體中均勻產(chǎn)生非平衡載流子：無(wú)電場(chǎng)：t=0時(shí)刻，停止光照：gp