第8章半导体物理基础3讲

第八章半导体物理基础

第三讲董亮伟

8.1本征半导体和杂质半导体

8.2半导体中的载流子浓度

8.3载流子的漂移运动

8.4非平衡载流子及其运动

8.5PN结主要内容8.4非平衡载流子及其运动8.4.1稳态与平衡态系统状态不随时间变化稳态与外界没有物质和能量交换平衡态平衡态由热激发引起的动态平衡。系统内各点温度处处相同；能带中电子分布符合费米分布；载流子浓度满足产生率（单位时间通过单位体积产生的电子-空穴对数）和复合率相等。非平衡载流子光注入电注入非平衡少子浓度可以比平衡值大很多。P192光敏电阻有一块掺磷的硅材料，其掺杂浓度为1.0×1016cm-3，当温度为300K时，问（1）该块材料属于什么类型的半导体？它的电子、空穴浓度和电导率各为多少？（2）当有光照时，光注入非平衡载流子浓度为1016cm-3，此时该块材料的电导率又为多少？设电子和空穴的迁移率分别为500cm2/(V·s)和180cm2/(V·s)，300K下的本征载流子浓度为1.5×1010cm-3掺施主的N型半导体300K下无光照时，多子电子浓度：少子空穴浓度：电导率为：300K下有光照时，非平衡多子浓度：非平衡少子浓度：电导率为：8.4.2寿命光照或偏压停止后直接复合间接复合N型半导体少子空穴浓度p所满足的微分方程方程的解：取光照停止的瞬间作为时间起点，非平衡载流子浓度随时间做指数衰减非平衡载流子的寿命O∆pt∆p01/e(∆p0)τp外界激发撤除后，非平衡载流子浓度衰减至1/e所需的时间（平均生存时间），描写了扰动撤除后平衡恢复的快慢8.4.3扩散运动漂移：载流子在外场作用下的定向运动。扩散：由于载流子浓度不均匀而形成的扩散运动。都可以产生电流。非平衡载流子的扩散长度O∆px∆p01/e(∆p0)Lp非平衡载流子在遭遇复合前平均能扩散的距离，即浓度下降至1/e所需的距离。8.5PN结半导体二极管发光二极管LED光效高；光线质量高；能耗小；寿命长；可靠耐用；应用灵活；安全；绿色环保汽车前照灯

8.5.1PN结及其能带图

利用掺杂工艺，将一块半导体的一侧掺杂成p型，另一侧掺杂成n型，p区与n区的交界面就形成了pn结。掺杂n型p型pn结常用的制备方法

nSiAl

nSi液体

nSip

nSiSiO2

nSi

nSiP合金法扩散法pn结形成的物理过程半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方式。载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动.在半导体中，如果载流子浓度分布不均匀，因为浓度差，载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种运动称为扩散运动。p区多子空穴扩散：从p区向n区n区多子电子扩散：从n区向p区由电离杂质形成的空间电荷区形成了一个从n区指向p区的内建电场内建电场作用下，少子漂移运动。阻止多子扩散出现内建电场开始因浓度差产生空间电荷区引起多子扩散利于少子漂移最终达动态平衡注意：pn结处于动态平衡时，扩散电流与漂移电流相抵消，通过pn结的电流为零。

EFqVDqVDx空间电荷区ECEVp区能带相对向上移n区能带相对向下移势垒高度：qVD=EFn—EFp费米能级相等，pn结达平衡状态，没有净电流通过。pn结的接触电势差平衡pn结的空间电荷区两端间的电势差VD称为pn结的接触电势差或内建电势差，qVD称为pn结的势垒高度。pn结的载流子分布

pnxnponnopnoppon(x)p(x)势垒区为耗尽区，其中载流子浓度很小，可以忽略，空间电荷密度就等于电离杂质浓度。有一硅p-n结，p区电导率为576Ω-1m-1，n区电导率为400Ω-1m-1，电子和空穴的迁移率分别为0.05m2/V·s和0.018m2/V·s，在300K下的本征载流子浓度为1.5×1016m-3，试计算（1）p区的空穴和电子浓度；（2）n区的空穴和电子浓度；（3）p-n结的接触电势差。P区的多子为空穴，电导率满足：空穴浓度：电子浓度：N区的多子为电子，电导率满足：电子浓度：空穴浓度：pn结的接触电势差：8.5.2PN结电流电压特性1、正向偏压外加电场与内电场方向相反，内电场削弱，扩散运动大大超过漂移运动，N区电子不断扩散到P区，P区空穴不断扩散到N区，形成较大的正向电流，这时称PN结处于导通状态。正向偏压、势垒下降导通状态LED的发光原理：利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED非平衡载流子的电注入2、反向偏压外加电场与内电场方向相同，增强了内电场，多子扩散难以进行，少子在电场作用下形成反向电流，因为是少子漂移运动产生的，反向电流很小，这时称PN结处于截止状态反向偏压、势垒升高