半导体物理课件：第五章 非平衡载流子

1、半导体物理Semiconductor Physics第五章 非平衡载流子2022/7/18重庆邮电大学微电子教学部2第五章 非平衡载流子引言 半导体中许多重要的现象，如p-n结注入、晶体管放大、光电导、注入发光以及光生伏特效应等都是和过剩载流子相联系的。这一章主要介绍过剩载流子的变化(复合和产生)和运动的规律。2022/7/18重庆邮电大学微电子教学部3引言5.1 非平衡载流子的注入与复合5.2 准费米能级5.3 复合理论5.4 陷阱效应5.5 载流子的扩散运动5.6 载流子的漂移运动、爱因斯坦关系式5.7 连续性方程2022/7/18重庆邮电大学微电子教学部45.1 非平衡载流子的注入与复合

2、热平衡态在热平衡情形下，如果不考虑统计涨落，则载流子浓度是恒定的。但在外界作用下，这种情况可以被破坏。非平衡态：系统对平衡态的偏离。2022/7/18重庆邮电大学微电子教学部55.1.1 非平衡载流子的产生光注入电注入其它注入短波长的光 光照npn0p0n= p探针注入pn结注入2022/7/18重庆邮电大学微电子教学部65.1.1 非平衡载流子的产生非平衡载流子的表示产生的非平衡载流子一般都用n，p来表示 。达到动态平衡后： n=n0+n p=p0+p n0，p0为热平衡时电子浓度和空穴浓度 ， n，p为非平衡载流子浓度。 2022/7/18重庆邮电大学微电子教学部75.1.1 非平衡载流子

3、的产生大注入和小注入 注入的非平衡载流子浓度大于平衡时的多子浓 度，称为大注入。 n型：nn0，p型：pp0 注入的非平衡载流子浓度大于平衡时的少子浓 度，小于平衡时的多子浓度，称为小注入。 n型：p0nn0，或p型：n0nr(样品的电阻) (几乎不变)光电导衰减法2022/7/18重庆邮电大学微电子教学部115.1.4 非平衡载流子的复合与寿命外界注入撤销后，由于半导体的内部作用，使它由非平衡态恢复到平衡态，非平衡载流子逐渐消失载流子的复合。非平衡载流子在半导体中的生存时间非平衡载流子的寿命。 非平衡载流子的复合是由不平衡趋向平衡的一种弛豫过程。它是一种统计性的过程。2022/7/18重庆邮

4、电大学微电子教学部125.1.4 非平衡载流子的检测和寿命非平衡载流子的寿命2022/7/18重庆邮电大学微电子教学部135.1.4 非平衡载流子的检测和寿命2022/7/18重庆邮电大学微电子教学部145.1.5 非平衡载流子随时间的变化规律有光照时2022/7/18重庆邮电大学微电子教学部155.2 准费米能级5.2.1 准平衡2022/7/18重庆邮电大学微电子教学部165.2.1 准平衡非平衡载流子的区间不讨论2022/7/18重庆邮电大学微电子教学部175.2.2 准费米能级晶格弛豫（Lp则样品可看作是半无穷的。比较 与为少子随扩散距离的指数式衰减，衰减到原值的1/e所扩散的距离为扩

5、散长度Lp。 为少子随时间的指数式衰减，衰减到原值的1/e所用时间为寿命。585.5.2 一维扩散方程的稳态解具有速度的量纲, 称为扩散速度 在上述特定的问题中，各处扩散流的大小就象那里的非平衡载流子以扩散速度移动所产生的一样。 在表面x=0处，dp /dx可求，(p)0Lp，就象表面非平衡空穴经过Lp的长度线性衰减所产生的梯度一样。595.5.2 一维扩散方程的稳态解 b. 样品厚度为W，并且在样品另一端设法将非平衡少数载流子全部引出。x=0, p=(p)0 x= W， p=0605.5.2 一维扩散方程的稳态解当WLp时，上式可简化为 此时，非平衡载流子浓度在样品内呈线性分布。扩散流密度是

6、一个常数，这意味着非平衡载流子在样品中没有复合。在晶体管中，基区宽度一般比扩散长度小得多，从发射区注入基区的水平衡载流子在基区的分布近似符合上述情况。615.5.3 扩散电流625.5.3 扩散电流三维情况类似，见教材P136-137635.5.4 探针注入探针尖陷入半导体表面形成半径为r0的半球。在这种情况下，非平衡载流子浓度p只是径距r的函数，是一个球对称的情况。三维球面坐标变换645.5.4 探针注入 在边界处，沿径向的流密度为 比较： 这表明, 这里扩散的效率比平面情况要高。65原因：在平面情况下，浓度梯度完全依靠载流子进入半导体内的复合。在球对称情况下，径向运动本身就引起载流子的疏散

7、，造成浓度梯度，增强了扩散的效率。几何形状引起的扩散速度5.6 载流子的漂移运动、爱因斯坦关系式5.6.1 浓度梯度引起的自建电场66考虑一n型半导体，掺杂不均匀，热平衡状态5.6.2 爱因斯坦关系式 675.6.2 爱因斯坦关系式68代入爱因斯坦关系式针对平衡态推导出来的，但也适用于非平衡态但注意，只对非简并半导体适用！5.6.3 丹倍效应 69要产生一自建场丹倍电场双极扩散系数5.6.3 丹倍效应丹倍效应的几点说明：1、来源电子与空穴扩散不同步，电子比空穴快。2、作用降低电子扩散，加速空穴扩散，努力使之同步。3、双极扩散系数概括了丹倍电场对电子和空穴扩散的影响。总的来说，丹倍效应对少子扩散

8、影响小，而对多子扩散影响大。705.7 连续性方程式5.7.1 少子连续性方程的一般形式71以n型半导体为例，考虑一维情况扩散漂移产生复合5.7.2 连续性方程的应用72均匀掺杂： 均匀电场： 稳态： 内部没有其它产生：gp=0 5.7.2 连续性方程的应用a. 光激发的载流子衰减73（没有电场）（体内均匀产生非平衡载流子）（t=0时刻，光照停止）5.7.2 连续性方程的应用b. 瞬时光脉冲74（没有电场）（脉冲已停止）5.7.2 连续性方程的应用c. 瞬时电脉冲75（有均匀电场）（电脉冲已停止）5.7.2 连续性方程的应用d. 光照恒定，稳态76（有均匀电场）（体内没有光照）(稳态) 5.7

9、.2 连续性方程的应用775.7.2 连续性方程的应用e. 稳态下的表面复合78（没有电场）(稳态) 5.7.2 连续性方程的应用79例1p型半导体掺杂NA=1016/cm3，少子寿命为10us。在均匀光照下，产生非平衡载流子，其产生率为1018/cm3S。求室温时光照下的EF并和原来无光照时的EF比较(ni=1010/cm3)。80例2设NA=1015/cm3的p-Si， ni=1.51010cm-3。若载流子注入在正x区域内产生的非平衡电子浓度为n(x)=1017exp(-2000 x)。求空穴浓度p(x)，并计算在x=0处电子浓度与空穴浓度的比值n/p，说明是小注入还是大注入。81例3一均匀n-Si，如图左半部用稳定光照射，均匀产生电子空穴对，产生率为g，若样品足够长，求稳态时样品两边的空穴浓度分布。边界处向右扩散xp(x)82例4