固體電子學(xué)導(dǎo)論

固體電子學(xué)導(dǎo)論第1頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Conductor104~105s·cm-1Insulator10-18~10-10s·cm-1Semiconductor10-10~104s·cm-1（1）電導(dǎo)率介于導(dǎo)體與絕緣體之間半導(dǎo)體一般特性（2）對(duì)溫度、光照、濕度敏感（3）性質(zhì)與摻雜密切相關(guān)第2頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Elemental（元素）Compounds（化合物）Alloys（合金）指兩種或多種金屬混合，形成某種化合物classifiedas半導(dǎo)體材料第3頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第4章半導(dǎo)體中電子的狀態(tài)4.1電子的分布4.2載流子的調(diào)節(jié)4.3載流子的復(fù)合4.4載流子的散射4.5載流子的漂移4.6載流子的擴(kuò)散4.7載流子的完整運(yùn)動(dòng)第4頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.1電子的分布一.載流子晶體導(dǎo)體絕緣體半導(dǎo)體能帶中一定有不滿帶T=0K，能帶中只有滿帶和空帶能帶中只有滿帶和空帶,但禁帶寬度較窄,一般小于2ev電子對(duì)能帶填充情況不同1.半導(dǎo)體第5頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（a）滿帶的情況(b)不滿帶的情況無(wú)外場(chǎng)時(shí)晶體電子能量E-k圖

(a)滿帶(b)不滿帶

有電場(chǎng)時(shí)晶體電子的E-k圖A不導(dǎo)電不導(dǎo)電導(dǎo)電第6頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月典型的半導(dǎo)體元素Si、Ge的能帶第7頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.近滿帶與空穴第8頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月*假想在空的k’態(tài)中放入一個(gè)電子，這個(gè)電子的電流等于-qv（k’）*設(shè)近滿帶電流為j（k），那么（1）

j（k）+[-qv（k’）]=0

（滿帶電流為零）即

j（k）=qv（k’）空穴如同一個(gè)帶正電荷q的粒子。第9頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)論：當(dāng)滿帶附近有空狀態(tài)k’時(shí)，整個(gè)能帶中的電流，以及電流在外場(chǎng)作用下的變化，完全如同存在一個(gè)帶正電荷q和具有正有效質(zhì)量|mn*|

、速度為v（k’）的粒子的情況一樣，這樣假想的粒子稱為空穴。半導(dǎo)體是兩種載流子參于導(dǎo)電。統(tǒng)稱載流子電子空穴第10頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二.載流子的分布1.能帶圖和費(fèi)米能級(jí)E-KE-x電子主要存在于導(dǎo)帶底空穴主要存在于價(jià)帶頂ECEV能帶的兩種圖示法第11頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月能帶圖~價(jià)鍵圖第12頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月費(fèi)米能級(jí)的位置n電子=p空穴n電子>>p空穴n電子<<p空穴本征半導(dǎo)體n型半導(dǎo)體p型半導(dǎo)體第13頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月未通電通電費(fèi)米能級(jí)傾斜費(fèi)米能級(jí)分裂準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)外界能量的注入，體系偏離熱平衡狀態(tài)，統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)不再存在—非平衡態(tài)空穴的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)電子的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)非平衡態(tài)導(dǎo)致載流子變化非平衡載流子第14頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.電中性電中性就是指因?yàn)閹?kù)倫力的作用，空間任何位置的帶電粒子分布穩(wěn)定不隨時(shí)間變化時(shí)，其正負(fù)電荷總量必定相等，對(duì)外呈現(xiàn)電中性。載流子子非穩(wěn)定分布載流子子穩(wěn)定分布非電中性電中性半導(dǎo)體中局部多數(shù)載流子的產(chǎn)生與消亡的過(guò)程，伴隨著電荷和電場(chǎng)的出現(xiàn)與消失，也是一種電極化弛豫過(guò)程，相應(yīng)的時(shí)間也稱為介電弛豫時(shí)間。弛豫過(guò)程第15頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月相對(duì)于少數(shù)載流子的壽命而言，多數(shù)載流子的介電弛豫時(shí)間往往短得可以忽略。載流子介電弛豫模型弛豫時(shí)間半導(dǎo)體材料的介電常數(shù)半導(dǎo)體材料的電阻率第16頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月熱平衡注入的空穴破壞了空間的電中性導(dǎo)帶電子向左移動(dòng)第17頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三.載流子的數(shù)量與能帶結(jié)構(gòu)密切相關(guān)1.典型半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)自由電子晶體中電子各向異性（各向同性）（導(dǎo)帶底附近）（價(jià)帶頂附近）第18頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Si:Eg=1.17eVGe：Eg=0.74eVGaAs:Eg=1.16eVT=0K1-Heavyholes2-Lightholes第19頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月硅的導(dǎo)帶底附近的等能面形狀，沿<100>軸的6個(gè)橢球鍺的導(dǎo)帶底等能面形狀，沿<111>軸的8個(gè)橢球砷化鎵的導(dǎo)帶底?第20頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月金屬自由電子g(E)半導(dǎo)體導(dǎo)帶電子gc(E)2.能態(tài)密度（Densityofstates）第21頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)于Si,Ge其中:Ge:s:thenumberofellipsoidalsurfaceslyingwithinthefirstBrillouin導(dǎo)帶底電子狀態(tài)密度有效質(zhì)量Si:s=6s=(1/2)8=4第22頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月載流子濃度=(∫狀態(tài)密度g(E)×分布函數(shù)f(E)dE)/V能態(tài)密度g(E)—單位能量間隔中的量子態(tài)數(shù)（能級(jí)數(shù)）分布函數(shù)f(E)—能量為E的量子態(tài)被一個(gè)粒子占據(jù)的幾率.3.載流子濃度（Carrierconcentration)第23頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月*分布函數(shù)f(E)半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的電子按能量的分布服從費(fèi)米統(tǒng)計(jì)分布。——玻爾茲曼分布fermifunction非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體（nondegeneratedsemiconductor）簡(jiǎn)并半導(dǎo)體（degeneratedsemiconductor）第24頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月*導(dǎo)帶電子濃度n令Etop→∞則χtop→∞第25頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月導(dǎo)帶的有效狀態(tài)密度Nc電子占據(jù)量子態(tài)Ec的幾率第26頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月*能態(tài)密度：價(jià)帶空穴濃度（Holeconcentration)*分布函數(shù)fV(E）fV(E）表示空穴占據(jù)能態(tài)E的幾率，即能態(tài)E不被電子占據(jù)的幾率。第27頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月*價(jià)帶空穴濃度p0價(jià)帶的有效狀態(tài)密度Nv價(jià)帶頂部EV態(tài)被空穴占據(jù)的幾率第28頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.EF

的高低反映了半導(dǎo)體的摻雜水平。EF越靠近導(dǎo)帶底，表明導(dǎo)帶中的電子濃度越高;EF越靠近價(jià)帶頂，表明價(jià)帶中的空穴濃度越高.2.n0

與p0的乘積與EF無(wú)關(guān)即與摻雜無(wú)關(guān)。3.滿足電中性關(guān)系(ChargeNeutralityRelationship)分析Q+空間正電荷濃度，Q-空間負(fù)電荷濃度第29頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.非平衡載流子與準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)電子和空穴準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)的差反映了半導(dǎo)體偏離平衡態(tài)的程度.第30頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第4章半導(dǎo)體中電子的狀態(tài)4.1電子的分布4.2載流子的調(diào)節(jié)4.3載流子的復(fù)合4.4載流子的散射4.5載流子的漂移4.6載流子的擴(kuò)散4.7載流子的完整運(yùn)動(dòng)第31頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月熱、光、電、磁、聲——外部作用4.2載流子的調(diào)節(jié)載流子的調(diào)節(jié)人為摻雜質(zhì)——內(nèi)部作用一.本征半導(dǎo)體——沒(méi)有雜質(zhì)和缺陷的純凈的半導(dǎo)體Intrinsic

Semiconductor本征激發(fā):T>0K時(shí),電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶,同時(shí)價(jià)帶中產(chǎn)生空穴.第32頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月n0=p0=ni

ni------本征載流子濃度

n0p0=ni

2

n0=p0=ni

第33頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)論:本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)Ei基本位于禁帶中央.本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)EF一般用Ei表示第34頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Intrinsiccarrierconcentrationni

(本征載流子濃度)

結(jié)論:本征載流子濃度ni隨溫度升高而增加.lnni~1/T基本是直線關(guān)系.第35頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月*從si的共價(jià)鍵平面圖看:P15:1S22S22P63S23P3Doped/extrinsicSemiconductor(1)Donor（施主雜質(zhì)）n型半導(dǎo)體

Ⅳ族元素硅、鍺中摻Ⅴ族元素,如P:二.摻雜半導(dǎo)體—原理1.常規(guī)摻雜調(diào)節(jié)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性（導(dǎo)電類型和導(dǎo)電能力）第36頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

這種束縛比共價(jià)鍵的束縛弱得多,只要很少的能量就可以使它掙脫束縛,成為導(dǎo)帶中的自由粒子.這個(gè)過(guò)程稱雜質(zhì)電離.第37頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

結(jié)論:

磷雜質(zhì)在硅、鍺中電離時(shí)，能夠釋放電子而產(chǎn)生導(dǎo)電電子并形成正電中心。這種雜質(zhì)稱施主雜質(zhì)。摻施主雜質(zhì)后，導(dǎo)帶中的導(dǎo)電電子增多，增強(qiáng)了半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。主要依靠導(dǎo)帶電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱n型半導(dǎo)體。

結(jié)論:

磷雜質(zhì)在硅、鍺中電離時(shí)，能夠釋放電子而產(chǎn)生導(dǎo)電電子并形成正電中心。這種雜質(zhì)稱施主雜質(zhì)。摻施主雜質(zhì)后，導(dǎo)帶中的導(dǎo)電電子增多，增強(qiáng)了半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。第38頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）Acceptor(受主雜質(zhì))p型半導(dǎo)體Ⅳ族元素硅、鍺中摻Ⅲ族元素,如硼（B）:*從si的共價(jià)鍵平面圖看:B13:1S22S22P63S23P1小結(jié)：純凈半導(dǎo)體中摻入受主雜質(zhì)后，受主雜質(zhì)電離，使價(jià)帶中的導(dǎo)電空穴增多，增強(qiáng)了半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。主要依靠?jī)r(jià)帶空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱p型半導(dǎo)體。第39頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月*從Si的電子能量圖看:第40頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體中同時(shí)存在施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)時(shí)，它們之間有相互抵消的作用——雜質(zhì)補(bǔ)償作用。*當(dāng)ND》NA時(shí)，n=ND-NA≈ND半導(dǎo)體是n型*當(dāng)ND《NA時(shí)，p=NA-ND≈NA半導(dǎo)體是p型*當(dāng)ND≈

NA時(shí)，

雜質(zhì)的高度補(bǔ)償ND——施主雜質(zhì)濃度NA——受主雜質(zhì)濃度

n——導(dǎo)帶電子濃度p——價(jià)帶空穴濃度（3）雜質(zhì)的補(bǔ)償作用

第41頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（1）深能級(jí)雜質(zhì)0.54eV+0.35eVSi晶體中的Au能級(jí)EcEvEAED2.特殊摻雜深能級(jí)雜質(zhì)----減少非平衡載流子生存時(shí)間重?fù)诫s-----高導(dǎo)電性、高電荷密度等第42頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)于簡(jiǎn)并半導(dǎo)體,導(dǎo)帶底部的量子態(tài)基本被電子占滿.電子分布函數(shù)不再能近似為玻爾茲曼分布函數(shù)了,而要用費(fèi)米分布描述。（2）重?fù)诫s

摻雜濃度高，EC-EF

與或EF–EV越小

（F-D）（M-B）第43頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月雜質(zhì)能級(jí)—雜質(zhì)能帶

在重?fù)诫s的簡(jiǎn)并半導(dǎo)體中,雜質(zhì)濃度很高.雜質(zhì)原子相互靠近,被雜質(zhì)原子束縛的電子的波函數(shù)顯著重疊,這時(shí)電子作共有化運(yùn)動(dòng).那么,雜質(zhì)能級(jí)擴(kuò)展為雜質(zhì)能帶.

雜質(zhì)能帶中的電子,可以通過(guò)雜質(zhì)原子間共有化運(yùn)動(dòng)參加導(dǎo)電---雜質(zhì)帶導(dǎo)電.第44頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)摻雜濃度很高時(shí),會(huì)使

EF接近或進(jìn)入了導(dǎo)帶.—半導(dǎo)體簡(jiǎn)并化了.EC-EF>2k0T非簡(jiǎn)并

簡(jiǎn)并化條件0<EC-EF<

2k0T弱簡(jiǎn)并EC-EF<0簡(jiǎn)并第45頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月雜質(zhì)電離能的計(jì)算氫原子類氫原子模型三.摻雜半導(dǎo)體—計(jì)算1.雜質(zhì)能級(jí)計(jì)算第46頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月氫原子晶體中原子第47頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月雜質(zhì)能級(jí)與費(fèi)米能級(jí)的相對(duì)位置施主能級(jí)被電子占據(jù)的概率：*分布函數(shù)fD(E）:施主雜質(zhì)能級(jí)與導(dǎo)帶中的能級(jí)不同,只能是以下兩種情況之一:

(1)

被一個(gè)有任一自旋方向的電子所占據(jù);(2)不接受電子

受主能級(jí)被空穴占據(jù)的概率：第48頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月*施主能級(jí)上的電子濃度nD電離了的施主濃度(ionizeddonors)*施主雜質(zhì)能級(jí)的態(tài)密度=所摻施主雜質(zhì)的濃度ND(E=ED)，顯然第49頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月*受主雜質(zhì)能級(jí)的態(tài)密度=所摻受主雜質(zhì)的濃度NA(E=EA)，顯然*受主能級(jí)上的空穴濃度PA：電離了的受主雜質(zhì)濃度(ionizedacceptors)第50頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月分析雜質(zhì)能級(jí)與費(fèi)米能級(jí)的相對(duì)位置明顯反映了電子和空穴占據(jù)雜質(zhì)能級(jí)情況！2反之，費(fèi)米能級(jí)在施主雜質(zhì)能級(jí)

之上時(shí)，施主雜質(zhì)基本上沒(méi)有電離費(fèi)米能級(jí)遠(yuǎn)在施主雜質(zhì)能級(jí)

之下時(shí)，即時(shí)，

則?？梢哉J(rèn)為施主雜質(zhì)幾乎全部電離。3.費(fèi)米能級(jí)與施主雜質(zhì)能級(jí)

重合時(shí)，受主雜質(zhì)情況，同學(xué)照此可自己分析第51頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電中性方程:以只含施主為例來(lái)分析：分溫區(qū)討論：(1)低溫弱電離區(qū)電中性方程Freeze-out2.載流子濃度計(jì)算非簡(jiǎn)并情況第52頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月兩邊取對(duì)數(shù)并整理,得:ED起了本征情況下EV的作用載流子濃度:第53頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(2)中溫強(qiáng)電離區(qū)電中性方程兩邊取對(duì)數(shù)并整理,得:載流子濃度:第54頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(本征激發(fā)不可忽略)電中性方程(3)過(guò)渡區(qū)n0---多數(shù)載流子p0---少數(shù)載流子第55頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(4)高溫本征區(qū)(本征激發(fā)產(chǎn)生的載流子遠(yuǎn)多于雜質(zhì)電離產(chǎn)生的載流子)電中性方程載流子濃度:第56頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月溫區(qū)低溫中溫高溫

費(fèi)米能級(jí)載流子濃度第57頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月簡(jiǎn)并情況電子和空穴的分布規(guī)律不再能用波爾茲曼分布來(lái)近似，而必須采用費(fèi)米-狄拉克分布。第58頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月類似的費(fèi)米積分第59頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例.一塊補(bǔ)償硅材料，已知摻入受主雜質(zhì)濃度NA=1×1015cm-3,室溫下測(cè)得其費(fèi)米能級(jí)位置恰好與施主能級(jí)重合，并測(cè)得熱平衡時(shí)電子濃度n0=5×1015cm-3

。已知室溫下硅本征載流子濃度ni=1.5×1010cm-3。試問(wèn)：（1）熱平衡時(shí)空穴濃度為多少？（2）摻入材料中的施主雜質(zhì)濃度為多少？（3）電離雜質(zhì)中心為多少？（4）中性雜質(zhì)中心為多少？第60頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第4章半導(dǎo)體中電子的狀態(tài)4.1電子的分布4.2載流子的調(diào)節(jié)4.3載流子的復(fù)合4.4載流子的散射4.5載流子的漂移4.6載流子的擴(kuò)散4.7載流子的完整運(yùn)動(dòng)第61頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.3載流子的復(fù)合產(chǎn)生率GGenerationrate：?jiǎn)挝粫r(shí)間和單位體積內(nèi)所產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)數(shù)復(fù)合率RRecombinationrate：?jiǎn)挝粫r(shí)間和單位體積內(nèi)復(fù)合掉的電子-空穴對(duì)數(shù)產(chǎn)生和復(fù)合相互伴隨。熱平衡：復(fù)合率=熱產(chǎn)生率非熱平衡：存在凈復(fù)合或凈產(chǎn)生產(chǎn)生=復(fù)合，穩(wěn)態(tài)載流子增或減外界能量恒定外界能量撤除產(chǎn)生=復(fù)合，熱平衡第62頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一.非平衡少子的壽命

外界條件撤除（如光照停止），經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，系統(tǒng)才會(huì)恢復(fù)到原來(lái)的熱平衡狀態(tài)。有的非子生存時(shí)間長(zhǎng)、有的短。非子的平均生存時(shí)間——非子的壽命τ。單位時(shí)間內(nèi)非子被復(fù)合掉的可能性復(fù)合幾率單位時(shí)間、單位體積凈復(fù)合消失的電子-空穴對(duì)（非子）復(fù)合率光照剛停止，復(fù)合>產(chǎn)生n、p

復(fù)合復(fù)合=產(chǎn)生（恢復(fù)熱平衡）第63頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在小注入時(shí)，τ與ΔP無(wú)關(guān)，則設(shè)t=0時(shí)，ΔP(t)=ΔP(0)=(ΔP)0,那么C=(ΔP)0，于是非平衡載流子的壽命主要與復(fù)合有關(guān)。t=0時(shí)，光照停止，非子濃度的減少率為第64頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二.非平衡載流子的復(fù)合機(jī)制復(fù)合直接復(fù)合(directrecombination):導(dǎo)帶電子與價(jià)帶空穴直接復(fù)合.間接復(fù)合(indirectrecombination):通過(guò)位于禁帶中的雜質(zhì)或缺陷能級(jí)的中間過(guò)渡。表面復(fù)合(surfacerecombination)：在半導(dǎo)體表面發(fā)生的復(fù)合過(guò)程。將能量給予其它載流子,增加它們的動(dòng)能量。從釋放能量的方法分:Radiativerecombination(輻射復(fù)合)Non-radiativerecombination(非輻射復(fù)合)Augerrecombination(俄歇復(fù)合)第65頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月direct/band-to-bandrecombination

非平衡載流子的直接凈復(fù)合凈復(fù)合率=復(fù)合率-產(chǎn)生率U=R-GGR三.直接復(fù)合第66頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月非平衡載流子壽命：小注入n型材料大注入第67頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月indirectrecombination半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷在禁帶中形成一定的能級(jí)，它們有促進(jìn)復(fù)合的作用。這些雜質(zhì)和缺陷稱為復(fù)合中心。nt：復(fù)合中心能級(jí)上的電子濃度Nt：復(fù)合中心濃度pt：復(fù)合中心能級(jí)上的空穴濃度四.間接復(fù)合第68頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月*俘獲電子Electroncapture*發(fā)射電子Electronemission*俘獲空穴Holecapture*發(fā)射空穴Holeemission第69頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電子俘獲(capture)率：空穴俘獲率：電子產(chǎn)生(emission)率：空穴產(chǎn)生率：ntNt：復(fù)合中心濃度pt第70頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電子的凈俘獲率：Un=俘獲電子-發(fā)射電子=空穴的凈俘獲率：Up=俘獲空穴-發(fā)射空穴=--熱平衡時(shí)：Un=0，Up=0復(fù)合中心達(dá)到穩(wěn)定時(shí)：Un=Up第71頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月EF與Et重合時(shí)導(dǎo)帶的平衡電子濃度。熱平衡時(shí)：=Un=0,Up=0第72頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月同理，得空穴俘獲率=空穴產(chǎn)生率其中表示EF與Et重合時(shí)價(jià)帶的平衡空穴濃度。=第73頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月復(fù)合中心達(dá)到穩(wěn)定時(shí)：俘獲電子-發(fā)射電子=俘獲空穴-發(fā)射空穴-=-和又第74頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月凈復(fù)合率：U=俘獲電子-發(fā)射電子=通過(guò)復(fù)合中心復(fù)合的普遍公式-注意到：第75頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月非平衡載流子的壽命為第76頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月小注入條件下設(shè)Cn~Cp第77頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月分析討論:(設(shè)Et>Ei)第78頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(1)強(qiáng)n型區(qū)Cn~Cp第79頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(2)弱n型區(qū)第80頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(3)弱p型區(qū)第81頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(4)強(qiáng)p型區(qū)第82頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第83頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月若Et靠近EC：俘獲電子的能力增強(qiáng)不利于復(fù)合Et處禁帶中央，復(fù)合率最大。Et=Ei最有效的復(fù)合中心俘獲空穴的能力減弱第84頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

大注入第85頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

半導(dǎo)體表面狀態(tài)對(duì)非平衡載流子也有很大影響，表面處的雜質(zhì)和表面特有的缺陷也在禁帶形成復(fù)合中心。（1）表面復(fù)合

表面氧化層、水汽、雜質(zhì)的污染、表面缺陷或損傷。四.其他復(fù)合第86頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）俄歇復(fù)合第87頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（3）陷阱效應(yīng)

一些雜質(zhì)缺陷能級(jí)能夠俘獲載流子并長(zhǎng)時(shí)間的把載流子束縛在這些能級(jí)上。俘獲電子和俘獲空穴的能力相差太大產(chǎn)生原因：電子陷阱空穴陷阱第88頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第4章半導(dǎo)體中電子的狀態(tài)4.1電子的分布4.2載流子的調(diào)節(jié)4.3載流子的復(fù)合4.4載流子的散射4.5載流子的漂移4.6載流子的擴(kuò)散4.7載流子的完整運(yùn)動(dòng)第89頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.4載流子的散射散射是指運(yùn)動(dòng)粒子受到力場(chǎng)（或勢(shì)場(chǎng)）的作用時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化的一種現(xiàn)象。處理晶體中的電子時(shí)，通常將周期勢(shì)場(chǎng)的影響概括在有效質(zhì)量中，這使得晶體中的電子可以被看作為有效質(zhì)量為m*的自由電子。因此，不存在散射，但是原周期勢(shì)場(chǎng)一旦遭到破壞，就會(huì)發(fā)生散射了。第90頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月*scatteringbyneutralimpurityanddefects中性雜質(zhì)和缺陷散射*Carrier-carrierscattering載流子之間的散射*Piezoelectricscattering壓電散射*Intervalleyscattering能谷間的散射半導(dǎo)體的主要散射（scatting）機(jī)構(gòu)：*Phonon（lattice）scattering晶格振動(dòng)（聲子）散射*Ionizedimpurityscattering電離雜質(zhì)散射第91頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月縱波和橫波一.晶格振動(dòng)散射第92頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月聲學(xué)波聲子散射幾率：光學(xué)波聲子散射幾率：第93頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電離雜質(zhì)散射幾率：總的散射幾率：P=PS+PO+PI+----總的遷移率：二.電離雜質(zhì)散射第94頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月主要散射機(jī)制電離雜質(zhì)的散射：晶格振動(dòng)的散射：三.溫度對(duì)散射的影響第95頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第4章半導(dǎo)體中電子的狀態(tài)4.1電子的分布4.2載流子的調(diào)節(jié)4.3載流子的復(fù)合4.4載流子的散射4.5載流子的漂移4.6載流子的擴(kuò)散4.7載流子的完整運(yùn)動(dòng)第96頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體中的載流子在外場(chǎng)的作用下，作定向運(yùn)動(dòng)---漂移運(yùn)動(dòng)。相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)速度---漂移速度。漂移運(yùn)動(dòng)引起的電流---漂移電流。4.5載流子的漂移漂移速度是因電場(chǎng)加速而獲得的平均速度第97頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月遷移率的大小反映了載流子遷移的難易程度。可以證明：------遷移率單位電場(chǎng)下，載流子的平均漂移速度一.遷移率第98頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月遷移率討論1.遷移率~雜質(zhì)濃度雜質(zhì)濃度電離雜質(zhì)散射第99頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.遷移率與溫度的關(guān)系摻雜很輕：忽略電離雜質(zhì)散射μ高溫：晶格振動(dòng)散射為主μT晶格振動(dòng)散射μ一般情況：低溫：電離雜質(zhì)散射為主

T電離雜質(zhì)散射T晶格振動(dòng)散射第100頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月-------毆姆定律的微分形式二.電導(dǎo)率第101頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電流密度另一表現(xiàn)形式第102頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電導(dǎo)率與遷移率的關(guān)系第103頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電導(dǎo)遷移率電導(dǎo)有效質(zhì)量多能谷下的電導(dǎo)

第104頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第105頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電阻率與摻雜、溫度的關(guān)系（1）電阻率與雜質(zhì)濃度的關(guān)系輕摻雜：μ~常數(shù)；n=NDp=NA

電阻率與雜質(zhì)濃度成簡(jiǎn)單反比關(guān)系。非輕摻雜｛μ：雜質(zhì)濃度μρn、p：未全電離;雜質(zhì)濃度n（p）ρ雜質(zhì)濃度增高時(shí)，曲線嚴(yán)重偏離直線。原因第106頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第107頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）電阻率與溫度的關(guān)系μ：

T電離雜質(zhì)散射μρ

*低溫n（未全電離）：Tnρρμ：

T晶格振動(dòng)散射μρ

*中溫n（全電離）：n=ND飽和ρμ：

T晶格振動(dòng)散射μρ

*高溫n（本征激發(fā)開始）：Tnρρ第108頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Hight-FieldEffects1歐姆定律的偏離三.強(qiáng)電場(chǎng)效應(yīng)第109頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月解釋：*載流子與晶格振動(dòng)散射交換能量過(guò)程*平均自由時(shí)間與載流子運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系第110頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

平均自由時(shí)間與載流子運(yùn)動(dòng)速度關(guān)系第111頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(1)無(wú)電場(chǎng)時(shí)：平均自由時(shí)間與電場(chǎng)無(wú)關(guān)(2)弱電場(chǎng)時(shí)：平均自由時(shí)間與電場(chǎng)基本無(wú)關(guān)

加弱電場(chǎng)時(shí)，載流子從電場(chǎng)獲得能量，一部分通過(guò)發(fā)射聲子轉(zhuǎn)移給晶格，其余部分用于提高載流子的漂移速度。但漂移速度很小,仍可認(rèn)為載流子系統(tǒng)與晶格系統(tǒng)近似保持熱平衡狀態(tài)。載流子與晶格散射，交換的凈能量為零，載流子與晶格處于熱平衡狀態(tài)。第112頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（3）強(qiáng)電場(chǎng)時(shí)：平均自由時(shí)間由兩者共同決定。載流子的平均能量比熱平衡狀態(tài)時(shí)的大，因而載流子系統(tǒng)與晶格系統(tǒng)不再處于熱平衡狀態(tài)。

加強(qiáng)電場(chǎng)時(shí)，載流子從電場(chǎng)獲得很多能量第113頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

載流子從電場(chǎng)獲得的能量與晶格散射時(shí)，以光學(xué)波聲子的方式轉(zhuǎn)移給了晶格。所以獲得的大部分能量又消失,故平均漂移速度可以達(dá)到飽和。（4）極強(qiáng)電場(chǎng)時(shí)：第114頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（1）IntervalleyScattering(能谷間散射）2.GaAs能谷間的載流子轉(zhuǎn)移第115頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月物理機(jī)制：從能帶結(jié)構(gòu)分析n1n2*Centralvalley*Satellitevalley第116頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月中心谷：衛(wèi)星谷：谷2（衛(wèi)星谷）：E-k曲線曲率小第117頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1電場(chǎng)很低2電場(chǎng)增強(qiáng)3電場(chǎng)很強(qiáng)(2)Negetivedifferentialconductance(負(fù)微分電導(dǎo))

NDC第118頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

在某一個(gè)電場(chǎng)強(qiáng)度區(qū)域，電流密度隨電場(chǎng)強(qiáng)度的增大而減小。負(fù)的微分電導(dǎo)（negetivedifferentialconductance）。

NDC第119頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月熱載流子強(qiáng)電場(chǎng)速度飽和進(jìn)入介質(zhì)層碰撞電離3.強(qiáng)電場(chǎng)效應(yīng)對(duì)器件的影響第120頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第4章半導(dǎo)體中電子的狀態(tài)4.1電子的分布4.2載流子的調(diào)節(jié)4.3載流子的復(fù)合4.4載流子的散射4.5載流子的漂移4.6載流子的擴(kuò)散4.7載流子的完整運(yùn)動(dòng)第121頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月考察p型半導(dǎo)體的非少子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)沿x方向的濃度梯度電子的擴(kuò)散流密度（單位時(shí)間通過(guò)單位截面積的電子數(shù)）4.6載流子的擴(kuò)散（Diffusion）一.凈擴(kuò)散第122頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Dn---電子擴(kuò)散系數(shù)（electrondiffusioncoefficients）——單位時(shí)間在小體積Δx·1中積累的電子數(shù)擴(kuò)散定律第123頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

在x附近，單位時(shí)間、單位體積中積累的電子數(shù)——積累率穩(wěn)態(tài)時(shí)，積累=損失穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散方程第124頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三維球坐標(biāo)第125頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一維求解第126頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（1）若樣品足夠厚第127頁(yè)，課件共147頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月