ch02电子和空穴的运动与复合课件

第2章载流子的运动与复合漂移：载流子在外加电场作用下的定向运动，所形成的电流称为漂移电流。复合：电子和空穴被湮灭或消失的过程扩散：由于载流子浓度不均匀而造成的定向运动，所形成的电流称为扩散电流。第2章载流子的运动与复合漂移：载流子在外加电场作用下的定1热运动没有外电场时，载流子做杂乱无章的热运动（因而效果互相抵消，并不形成电流，但会产生噪声）载流子热运动速度载流子平均动能：热运动是载流子不断遭受散射的结果：载流子在晶体中运动时，要不断的与电离的杂质原子和热振动的晶格原子碰撞（称为载流子散射），碰撞后，载流子的速度的大小及方向就发生改变。载流子连续两次散射间运动的平均路程称为平均自由程，所用的时间称为平均时间（约为0.1ps）。热运动没有外电场时，载流子做杂乱无章的热运动（因而效果互相抵2漂移运动当电场施加到半导体上时，载流子一方面受到电场力的作用，沿电场力方向定向运动，另一方面，载流子仍不断遭受到散射，使载流子的运动方向不断改变。载流子在电场力的作用下的加速运动，也只有在两次散射之间才存在，经散射后，它们又失去了获得的附加速度。从而，在外力和散射的双重影响下，使得载流子以一定的平均速度（称为漂移速度）沿力的方向漂移，形成电流。电场产生的漂移速度叠加在热运动速度上漂移运动当电场施加到半导体上时，载流子一方面受到电场力的作用3载流子的漂移电流载流子漂移的结果是在半导体内部产生电流。该电流称为漂移电流，其数学表达式为：电子的漂移速度空穴的漂移速度电子的浓度空穴的浓度A垂直电流方向任意平面的面积电流密度定义为载流子的漂移电流载流子漂移的结果是在半导体内部产生电流。该电4载流子的迁移率在电场不太强时，载流子的漂移速度正比与电场电子的迁移率，空穴的迁移率迁移率的单位漂移电流密度称为电导率，单位S/cm称为电阻率，单位载流子的迁移率在电场不太强时，载流子的漂移速度正比与电场电子5载流子的迁移率迁移率是表示电子和空穴漂移的重要参数，其大小不仅关系到导电能力的强弱，而且直接决定着载流子运动的快慢，它对半导体器件工作的速度有直接的影响室温下轻掺杂半导体中电子和空穴的迁移率载流子的迁移率迁移率是表示电子和空穴漂移的重要参数，其大小不6载流子的迁移率两次散射之间的平均自由时间载流子散射的机制载流子迁移率与载流子所受到的散射有关。晶格散射：与晶格原子碰撞电离杂质散射：与杂质原子碰撞载流子的迁移率两次散射之间的平均自由时间载流子散射的机制载流7迁移率的大小：与杂质相关：低掺杂时随杂质浓度的变化不明显，可以认为其有确定的值；高掺杂时随杂质浓度的增加而单调的减小与温度相关：与温度依赖关系和掺杂浓度有关。低掺杂时按温度的幂指数大幅度地下降；而高掺杂时随温度变化较平缓迁移率的大小：与杂质相关：低掺杂时随杂质浓度的变化不明显，可8载流子的强场效应：速度的饱和室温下，超纯净硅内载流子的漂移速度与外电场的函数关系电子空穴载流子的强场效应：速度的饱和室温下，超纯净硅内载流子的漂移速9电阻率电阻率是重要的材料参数，与载流子的漂移密切相关，其数值可以用四探针法测量半导体的电阻率由掺杂浓度来确定，实际中，掺杂浓度都是通过测量电阻率后折算出来的。电阻率电阻率是重要的材料参数，与载流子的漂移密切相关，其数值10扩散运动扩散的定义与图像如果粒子在空间的浓度分布不均匀，由于粒子无规则的热运动，就可以引起粒子由浓度高的地方向浓度低的地方扩散。把单位时间通过单位面积（垂直于扩散方向）的粒子的数目称为扩散流密度。扩散流密度由粒子的浓度的变化所决定，其数学表达式（一维情况下）为：D：扩散系数，单位cm2/S，粒子的浓度梯度扩散运动扩散的定义与图像如果粒子在空间的浓度分布不均匀，由于11载流子的扩散电流电子的扩散电流空穴的扩散电流分别为电子和空穴的扩散系数扩散系数反映了粒子扩散本领的大小，是一个重要的物理量。载流子的扩散系数和迁移率之间存在下列确定的关系（Einstein关系）：载流子的扩散电流电子的扩散电流空穴的扩散电流分别为电子和空穴12载流子的总电流在半导体有漂移和扩散时所产生的总电流，是电子电流和空穴电流的总和载流子的总电流在半导体有漂移和扩散时所产生的总电流，是电子电13过剩载流子（非平衡载流子）非平衡态：半导体内部的载流子浓度偏离平衡值非平衡时的载流子浓度与平衡的载流子浓度之差称为过剩载流子浓度，用表示在半导体中引入非平衡载流子的方法称为注入电注入、光注入一般情况下，有若注入的非平衡载流子浓度远小于平衡多子浓度，则称为小注入。小注入时，多子浓度基本不变，但少子浓变化很大，其影响显著。所以通常说的非平衡载流子指的是非平衡少数载流子。过剩载流子（非平衡载流子）非平衡态：半导体内部的载流子浓度偏14复合是指载流子消失的过程。热产生是指由于热运动促使电子不断发生从价带到导带的过程。半导体中产生与复合总是同时存在，如果没有外界的影响，温度又恒定，半导体将在复合和产生的基础上形成热平衡。非平衡载流子的复合在非平衡时产生和复合之间的相对平衡就被打破，定义非平衡载流子的净复合＝复合率－产生率U=R-GU：单位时间、单位体积内净复合的电子－空穴对的数目。U>0表示净复合，U<0时表示净产生。复合是指载流子消失的过程。非平衡载流子的复合在非平衡时产生和15非平衡载流子的寿命寿命是描述复合作用强弱的参数，表示非平衡载流子的平均生存时间。寿命与净复合率的数学关系为：通常寿命指的是非平衡少子的寿命。和迁移率、扩散系数一样，寿命也是器件建模中必需考虑的重要的材料参数，其值是可以测量的。非平衡载流子的寿命寿命是描述复合作用强弱的参数，表示非平衡载16复合理论：寿命的数值大小由什么决定非平衡载流子的复合过程有两种微观机制：直接复合：电子在导带和价带之间的直接跃迁间接复合：电子和空穴通过禁带的深能级（复合中心）进行复合硅中复合主要借助于一些杂质和缺陷进行（即复合中心复合），少子寿命由杂质和缺陷决定。复合理论：寿命的数值大小由什么决定非平衡载流子的复合过程有两17连续性方程连续性方程扩散、漂移、产生、复合同时存在时载流子所遵循的运动方程。漂移、扩散、复合－产生等载流子的输运，都会使载流子浓度随时间变化。单位时间内载流子浓度的总的变化等于各个过程所引起的变化的总和。连续性方程连续性方程18连续性方程上式中连续性方程上式中19连续性方程一维连续性方程连续性方程一维连续性方程20非平衡少子的扩散方程假定从n型半导体一边（x=0）源源不断注入非平衡载流子。注入后，这些非平衡载流子将一边扩散一边复合，稳态时，形成稳定的分布。分布函数所满足的扩散方程可以从连续性方程得到：在硅的表面x=0处，有稳定的注入方程的通解为非平衡少子的扩散方程假定从n型半导体一边（x=0）源源不断注21非平衡少子的扩散方程边界条件带入通解得称为少子扩散长度式中代表非平衡载流子扩散进半导体的平均深度扩散电流：非平衡少子的扩散方程边界条件带入通解得称为少子扩散长度式中代22准费米能级准费米能级是用来描述非平衡状态下的载流子浓度使用准费米能级，可以将能带图推广到非平衡态。电子的准费米能级空穴的准费米能级准费米能级准费米能级是用来描述非平衡状态下的载流子浓度电子的23准费米能级的示意图平衡态非平衡态准费米能级的示意图平衡态非平衡态24ch02电子和空穴的运动与复合课件25Nowassume=1015cm-3.(b)FindEfnandEfp.

n=1.011017cm-3=

Ec–Efn=kTln(Nc/1.011017cm-3)=26meVln(2.81019cm-3/1.011017cm-3)=0.15eV

EfnisnearlyidenticaltoEfbecausen

n0.

Nowassume=10126ch02电子和空穴的运动与复合课件27能带图与电压V、电场E的关系能带图与电压V、电场E的关系28第2章载流子的运动与复合漂移：载流子在外加电场作用下的定向运动，所形成的电流称为漂移电流。复合：电子和空穴被湮灭或消失的过程扩散：由于载流子浓度不均匀而造成的定向运动，所形成的电流称为扩散电流。第2章载流子的运动与复合漂移：载流子在外加电场作用下的定29热运动没有外电场时，载流子做杂乱无章的热运动（因而效果互相抵消，并不形成电流，但会产生噪声）载流子热运动速度载流子平均动能：热运动是载流子不断遭受散射的结果：载流子在晶体中运动时，要不断的与电离的杂质原子和热振动的晶格原子碰撞（称为载流子散射），碰撞后，载流子的速度的大小及方向就发生改变。载流子连续两次散射间运动的平均路程称为平均自由程，所用的时间称为平均时间（约为0.1ps）。热运动没有外电场时，载流子做杂乱无章的热运动（因而效果互相抵30漂移运动当电场施加到半导体上时，载流子一方面受到电场力的作用，沿电场力方向定向运动，另一方面，载流子仍不断遭受到散射，使载流子的运动方向不断改变。载流子在电场力的作用下的加速运动，也只有在两次散射之间才存在，经散射后，它们又失去了获得的附加速度。从而，在外力和散射的双重影响下，使得载流子以一定的平均速度（称为漂移速度）沿力的方向漂移，形成电流。电场产生的漂移速度叠加在热运动速度上漂移运动当电场施加到半导体上时，载流子一方面受到电场力的作用31载流子的漂移电流载流子漂移的结果是在半导体内部产生电流。该电流称为漂移电流，其数学表达式为：电子的漂移速度空穴的漂移速度电子的浓度空穴的浓度A垂直电流方向任意平面的面积电流密度定义为载流子的漂移电流载流子漂移的结果是在半导体内部产生电流。该电32载流子的迁移率在电场不太强时，载流子的漂移速度正比与电场电子的迁移率，空穴的迁移率迁移率的单位漂移电流密度称为电导率，单位S/cm称为电阻率，单位载流子的迁移率在电场不太强时，载流子的漂移速度正比与电场电子33载流子的迁移率迁移率是表示电子和空穴漂移的重要参数，其大小不仅关系到导电能力的强弱，而且直接决定着载流子运动的快慢，它对半导体器件工作的速度有直接的影响室温下轻掺杂半导体中电子和空穴的迁移率载流子的迁移率迁移率是表示电子和空穴漂移的重要参数，其大小不34载流子的迁移率两次散射之间的平均自由时间载流子散射的机制载流子迁移率与载流子所受到的散射有关。晶格散射：与晶格原子碰撞电离杂质散射：与杂质原子碰撞载流子的迁移率两次散射之间的平均自由时间载流子散射的机制载流35迁移率的大小：与杂质相关：低掺杂时随杂质浓度的变化不明显，可以认为其有确定的值；高掺杂时随杂质浓度的增加而单调的减小与温度相关：与温度依赖关系和掺杂浓度有关。低掺杂时按温度的幂指数大幅度地下降；而高掺杂时随温度变化较平缓迁移率的大小：与杂质相关：低掺杂时随杂质浓度的变化不明显，可36载流子的强场效应：速度的饱和室温下，超纯净硅内载流子的漂移速度与外电场的函数关系电子空穴载流子的强场效应：速度的饱和室温下，超纯净硅内载流子的漂移速37电阻率电阻率是重要的材料参数，与载流子的漂移密切相关，其数值可以用四探针法测量半导体的电阻率由掺杂浓度来确定，实际中，掺杂浓度都是通过测量电阻率后折算出来的。电阻率电阻率是重要的材料参数，与载流子的漂移密切相关，其数值38扩散运动扩散的定义与图像如果粒子在空间的浓度分布不均匀，由于粒子无规则的热运动，就可以引起粒子由浓度高的地方向浓度低的地方扩散。把单位时间通过单位面积（垂直于扩散方向）的粒子的数目称为扩散流密度。扩散流密度由粒子的浓度的变化所决定，其数学表达式（一维情况下）为：D：扩散系数，单位cm2/S，粒子的浓度梯度扩散运动扩散的定义与图像如果粒子在空间的浓度分布不均匀，由于39载流子的扩散电流电子的扩散电流空穴的扩散电流分别为电子和空穴的扩散系数扩散系数反映了粒子扩散本领的大小，是一个重要的物理量。载流子的扩散系数和迁移率之间存在下列确定的关系（Einstein关系）：载流子的扩散电流电子的扩散电流空穴的扩散电流分别为电子和空穴40载流子的总电流在半导体有漂移和扩散时所产生的总电流，是电子电流和空穴电流的总和载流子的总电流在半导体有漂移和扩散时所产生的总电流，是电子电41过剩载流子（非平衡载流子）非平衡态：半导体内部的载流子浓度偏离平衡值非平衡时的载流子浓度与平衡的载流子浓度之差称为过剩载流子浓度，用表示在半导体中引入非平衡载流子的方法称为注入电注入、光注入一般情况下，有若注入的非平衡载流子浓度远小于平衡多子浓度，则称为小注入。小注入时，多子浓度基本不变，但少子浓变化很大，其影响显著。所以通常说的非平衡载流子指的是非平衡少数载流子。过剩载流子（非平衡载流子）非平衡态：半导体内部的载流子浓度偏42复合是指载流子消失的过程。热产生是指由于热运动促使电子不断发生从价带到导带的过程。半导体中产生与复合总是同时存在，如果没有外界的影响，温度又恒定，半导体将在复合和产生的基础上形成热平衡。非平衡载流子的复合在非平衡时产生和复合之间的相对平衡就被打破，定义非平衡载流子的净复合＝复合率－产生率U=R-GU：单位时间、单位体积内净复合的电子－空穴对的数目。U>0表示净复合，U<0时表示净产生。复合是指载流子消失的过程。非平衡载流子的复合在非平衡时产生和43非平衡载流子的寿命寿命是描述复合作用强弱的参数，表示非平衡载流子的平均生存时间。寿命与净复合率的数学关系为：通常寿命指的是非平衡少子的寿命。和迁移率、扩散系数一样，寿命也是器件建模中必需考虑的重要的材料参数，其值是可以测量的。非平衡载流子的寿命寿命是描述复合作用强弱的参数，表示非平衡载44复合理论：寿命的数值大小由什么决定非平衡载流子的复合过程有两种微观机制：直接复合：电子在导带和价带之间的直接跃迁间接复合：电子和空穴通过禁带的深能级（复合中心）进行复合硅中复合主要借助于一些杂质和缺陷进行（即复合中心复合），少子寿命由杂质和缺陷决定。复合理论：寿命的数值大小由什么决定非平衡载流子的复合过程有两45连续性方程连续性方程扩散、漂移、产生、复合同时存在时载流子所遵循的运动方程。漂移、扩散、复合－产生等载流子的输运，都会使载流子浓度随时间变化。单位时间内载流子浓度的总的变化等于各个过程所引起的变化的总和。连续性方程连续性方程46连续性方程上式中连续性方程上式中47连续性方程一维连续性方程连续性方程一维连续性方程48非平衡少子的扩散方程假定从n型半导体一边（x=0）源源不断注入非平衡载流子。注入后，这些非平衡载流子将一边扩散一边复合，稳态时，形成稳定的分布。分布函数所满足的扩散方程可以从连续性方程得到：在