固体与半导体物理第五六章

第一页，共四十六页，编辑于2023年，星期五未被散射的电子数代入

被散射的电子数自由时间的总和

个载流子的所有自由时间的总和被散射的电子数第二页，共四十六页，编辑于2023年，星期五三.散射机构1.电离杂质散射

（1）弹性散射，散射过程中不交换能量（2）散射中心固定正电中心对电子吸引和对空穴排斥引起的散射负电中心对空穴吸引和对电子排斥引起的散射第三页，共四十六页，编辑于2023年，星期五2.晶格振动散射（1）长波在散射中起主要作用（2）纵波在散射中起主要作用起主要散射作用的是波长为几十或上百个原子间距以上的长波纵波引起原子的疏密变化，横波引起形变电子热运动速度约为105m/s第四页，共四十六页，编辑于2023年，星期五（3）长纵声学波散射（4）长纵光学波散射低温时，电离杂质散射占主导地位高温时，晶格振动散射占主导地位第五页，共四十六页，编辑于2023年，星期五{

5.2载流子漂移运动的基本规律一.载流子的漂移运动平均自由时间电子平均漂移速度空穴的漂移速度第六页，共四十六页，编辑于2023年，星期五二.载流子的迁移率电子：空穴：

外场作用下，载流子作漂移运动的难易程度（1）一般情况下？（2）各向异性的半导体Si:纵向有效质量横向有效质量第七页，共四十六页，编辑于2023年，星期五（3）决定半导体器件的工作速度三.载流子的电导率在电场作用下电子电流密度

欧姆定律存在两种载流子第八页，共四十六页，编辑于2023年，星期五(2)低温时，电离杂质散射为主2.强电离饱和区n(或p）基本不变晶格振动散射为主3.本征激发区1.低温弱电离区(1)低温时，载流子来自杂质电离第九页，共四十六页，编辑于2023年，星期五{5.3霍尔效应一.霍尔效应

在电场和磁场中的一种物理性质－霍尔电场霍尔系数第十页，共四十六页，编辑于2023年，星期五二.产生霍尔效应的物理原因

在电场中定向运动的载流子受到磁场的作用而偏离原来的运动方向.三.霍尔系数n型:稳定时P型:第十一页，共四十六页，编辑于2023年，星期五n型P型四.霍尔角偏向-y方向,为负.偏向y方向,为正.n型:P型:第十二页，共四十六页，编辑于2023年，星期五在弱磁场的情况下五.两种载流子的霍尔系数稳定时:(1)(2)(3)和包括两部分:洛伦兹力引起的电流密度和霍尔电场引起的电流密度第十三页，共四十六页，编辑于2023年，星期五随温度变化,一般

>(1)本征:(2)P型:杂质激发区p>>n

>>(3)n型:n>>p

第十四页，共四十六页，编辑于2023年，星期五六.霍尔效应的应用(1)判别半导体类型(2)测定载流子的浓度和迁移率求出n和p测由得出,求出和(3)制作霍尔器件第十五页，共四十六页，编辑于2023年，星期五第六章非平衡载流子6.1非平衡载流子的注入和准费米能级一.非平衡载流子的注入热平衡状态T一定，无外界作用有外界作用导带电子浓度价带空穴浓度－非平衡载流子浓度产生非平衡载流子的方法：（1）电注入（2）光注入非平衡状态第十六页，共四十六页，编辑于2023年，星期五平衡时：一般情况T=300Kn型硅

非平衡少数载流子在半导体器件中起重要作用n型第十七页，共四十六页，编辑于2023年，星期五二.附加光电导三.非平衡载流子的寿命1.热平衡产生率＝复合率稳定不变2.加上外界作用A:从平衡态非平衡态B:产生率>复合率C:非子的注入D:第十八页，共四十六页，编辑于2023年，星期五3.撤除外界作用A:从非平衡态平衡态产生率>B:复合率C:非子的复合D:4.非平衡载流子的寿命－非子的复合几率－非子浓度－非子的复合率非子浓度第十九页，共四十六页，编辑于2023年，星期五

非平衡载流子寿命的大小是鉴别半导体材料质量的常规手段四.准费米能级1.统一的费米能级是热平衡状态的标志n型p型第二十页，共四十六页，编辑于2023年，星期五系统处于非平衡状态不存在统一的费米能级平衡平衡不平衡2.准费米能级导带和价带的局部费米能级－导带电子的准费米能级－价带空穴的准费米能级第二十一页，共四十六页，编辑于2023年，星期五3.导带电子浓度价带空穴浓度

n型：

多数载流子的准费米能级偏离平衡费米能级不多少数载流子的准费米能级偏离平衡费米能级显著第二十二页，共四十六页，编辑于2023年，星期五C:n型(平衡状态）n型(非平衡状态）p型(平衡状态）p型(非平衡状态）平衡非平衡第二十三页，共四十六页，编辑于2023年，星期五若撤除外界作用非平衡态平衡态6.2非平衡载流子的复合一.载流子复合的微观过程1.直接复合2.间接复合电子从导带直接跃迁到价带的空状态B:间接复合（表面）通过复合中心的复合A:间接复合（体内）第二十四页，共四十六页，编辑于2023年，星期五二.复合过程中的能量交换1.发射光子2.发射声子3.与其它载流子交换能量电子以发射光子的形式与电磁波交换能量电子以发射声子的形式与晶格振动交换能量三.直接复合复合率为R产生率为G热平衡与温度有关第二十五页，共四十六页，编辑于2023年，星期五非平衡时净复合率（非子的复合率）（1）r在平衡时和非平衡时一样（2）由于外界作用，价带空穴浓度增加（电子浓度减少）导带电子浓度增加（空穴浓度减少）第二十六页，共四十六页，编辑于2023年，星期五A:小注入n型P型当T和掺杂浓度一定时，为常数B:大注入不是常数第二十七页，共四十六页，编辑于2023年，星期五对于间接带隙半导体，直接复合理论得出与实测的有很大差异计算值：实测值：a:对于间接带隙半导体，直接复合理论不是决定载流子复合寿命的主要因素b:半导体中的杂质、缺陷起着促进复合的作用四：间接复合第二十八页，共四十六页，编辑于2023年，星期五1.间接复合的微观过程甲：俘获电子乙：发射电子丙：俘获空穴丁：发射空穴甲：电子的俘获率乙：电子的产生率电子的产生率＝俘获率平衡时第二十九页，共四十六页，编辑于2023年，星期五丙：空穴的俘获率丁：空穴的产生率2.非子的间接复合率相对使上电子增加的过程是：甲和丁使上电子减少的过程是:乙和丙稳定时甲＋丁＝乙＋丙甲－乙＝丙－丁第三十页，共四十六页，编辑于2023年，星期五讨论：（1）间接复合率大于直接复合率非子的直接复合率n型（2）热平衡A:非子的复合率热平衡时，无非子B:载流子的净复合率热平衡时，产生率＝复合率非子的间接复合率第三十一页，共四十六页，编辑于2023年，星期五（3）存在净复合非子的复合过程（4）存在净产生非子的产生过程从非平衡态向平衡态过渡过程3.非子的寿命（1）最有效的复合中心位于禁带中线附近的深能级第三十二页，共四十六页，编辑于2023年，星期五（2）小注入A:强n型区第三十三页，共四十六页，编辑于2023年，星期五B:n型高阻区C:强p型区D:p型高阻区第三十四页，共四十六页，编辑于2023年，星期五

对于两个高阻区，若靠近价带顶，寿命的表达式有何不同？n型高阻区p型高阻区（3）大注入6.3陷阱效应一.陷阱只对一种载流子有很大俘获几率的杂质能级第三十五页，共四十六页，编辑于2023年，星期五（1）电子陷阱（2）空穴陷阱二.少数载流子陷阱效应显著稳定时:杂质能级上的电子数积累电子时,最大,第三十六页，共四十六页，编辑于2023年，星期五要使陷阱效应显著A:是多子,需重掺杂.一般情况B:是少子,

很容易满足.P型半导体,电子陷阱效应显著n型半导体,空穴陷阱效应显著三.具有显著陷阱效应的杂质能级的位置时,最大,第三十七页，共四十六页，编辑于2023年，星期五6.4非平衡载流子的扩散、漂移运动和爱因斯坦关系式一.非子的扩散1.扩散运动载流子浓度不均匀产生扩散运动

电子陷阱效应最显著对于电子陷阱,以上越接近，越显著.对于空穴陷阱,以下越接近，越显著.第三十八页，共四十六页，编辑于2023年，星期五2.扩散流密度电子：空穴：3.扩散电流密度电子：空穴：

第三十九页，共四十六页，编辑于2023年，星期五二.非子的漂移外场为电子的漂移电流密度

空穴的漂移电流密度三.半导体的总电流第四十页，共四十六页，编辑于2023年，星期五漂移电流是多子的主要电流形式扩散电流是少子的主要电流形式四.爱因斯坦关系式将扩散系数和迁移率联系起来的关系式导出条件：热平衡非均匀第四十一页，共四十六页，编辑于2023年，星期五表示导带电子能量不同由于体内存在电场体内各处电势不等，电势能不等反映在上的变化第四十二页，共四十六页，编辑于2023年，星期五6.5连续性方程导出条件：非均匀非平衡描述半导体中同时存在载流子的扩散、漂移、产生、复合时，载流子浓度随时间(t)及空间(x)的变化规律P(t、x)。1.n型空穴的连续性方程一维有光照和电场既有扩散运动、也有漂移运动空穴流密度漂移流扩散流第四十三页，共四十六页，编辑于2023年，星期五－通过x处截面流入的空穴数－通过x+dx处截面流出的空穴数在体积Adx内发生空穴积累积累率复合率产生率以上三个原因引起x处单位体积内空穴浓度的变化第四十四页，共四十六页，编辑于2023年，星期五2.连续性方程的应用