半导体物理总复习 - 图文

第五章非平衡载流子

16?3例1.某p型半导体掺杂浓度NA?10cm,少子寿命?n?10?s,在均匀光的照射下产18?3?1s, 试计算室温时光照情况下的费米能级并生非平衡载流子,其产生率g?10cm?和原来无光照时的费米能级比较。设本征载流子浓度ni?10cm.

E?EFp??NA?niexp(i)T思路与解:(1)无光照时,空穴浓度

NA?EF?Ei?Tln?Ei?0.26?6?ln10?Ei?0.35(eV)ni说明无光照时,费米能级在禁带中线下面0.35eV处。

（2）稳定光照后，产生的非平衡载流子为：

10?3

?n??p?gL?n?1018?10?5?1013cm?3ni2?n?n???n???n?104?1013?1013cm?3ND

?p?p???p?1016?1013?1016cm?3

p16Ei?EFp10pp?niexp()?E?E?kTln0.026ln?0.36(eV)iF?10k?Tni10n13EF?Ein10nn?niexp()?EF?Ei?k?Tln0.026ln10?0.18(eV)k?Tni10

pEF

上面两式说明，

原来的费米能级几乎无差别，与电子的准费米能级相差甚远，如下图所示。

Ec

nEE在i之下，而F在Ei之上。且非平衡态时空穴的准费米能级和和

Ei

EF

Ev

EFn EFp

光照前光照后

评析：由此可见，在小注入时，非平衡载流子对少数载流子的影响远远大于对多数载

流子的影响。 习题：

1.何谓非平衡载流子？非平衡状态与平衡状态的差异何在？

答：半导体处于非平衡态时，附加的产生率使载流子浓度超过热平衡载流子浓度，额外产生的这部分载流子就是非平衡载流子。通常所指的非平衡载流子是指非平衡少子。

热平衡状态下半导体的载流子浓度是一定的，产生与复合处于动态平衡状态，跃迁引起的产生、复合不会产生宏观效应。在非平衡状态下，额外的产生、复合效应会在宏观现象中体现出来。

Eg2np?NNexp(?)?nvci 平衡状态判断依据：00k0T2.漂移运动和扩散运动有什么不同？

答：漂移运动是载流子在外电场的作用下发生的定向运动，而扩散运动是由于浓度分布不均匀导致载流子从浓度高的地方向浓度底的方向的定向运动。前者的推动力是外电场，后者的推动力则是载流子的分布引起的。

3.漂移运动与扩散运动之间有什么联系？非简并半导体的迁移率与扩散系数之间有什么联系？

答：漂移运动与扩散运动之间通过迁移率与扩散系数相联系。非简并半导体的迁移率与扩散系数则通过爱因斯坦关系相联系，二者的比值与温度成反比关系，即

?D?q k0T4.平均自由程与扩散长度有何不同？平均自由时间与非平衡载流子的寿命有何不同？ 答：平均自由程是在连续两次散射之间载流子自由运动的平均路程。而扩散长度则是非平衡载流子深入样品的平均距离。它们的不同之处在于平均自由程由散射决定，而扩散长度由扩散系数和材料的寿命来决定。

平均自由时间是载流子连续两次散射平均所需的自由时间，非平衡载流子的寿命是指非平衡载流子的平均生存时间。前者与散射有关，散射越弱，平均自由时间越长；后者由复合几率决定，它与复合几率成反比关系。 5.非平衡载流子的寿命满足?p(t)??p0e?t?，并说明式中各项的物理意义。

d???p?t?????答：单位时间内非平衡载流子的减少数； dt单位时间内复合的非平衡载流子数??p?p；

Δp(0)为t=0时刻的非平衡载流子浓度。此式表达了非平衡载流子随时间呈指数衰减的规律。

6.非简并载流子满足的爱因斯坦关系。

Dpk0Tk0T??电子：空穴：?nq?pq

Dnk0Tdpk0Tdn)?q?n(nE?) 总电流密度：J?q?p(pE?qdxqdx7.间接复合效应与陷阱效应有何异同？

答：间接复合效应是指非平衡载流子通过位于禁带中特别是位于禁带中央的杂质或缺陷能级Et而逐渐消失的效应，Et的存在可能大大促进载流子的复合；陷阱效应是指非平衡载流子落入位于禁带中的杂质或缺陷能级Et中，使在Et上的电子或空穴的填充情况比热平衡时有较大的变化，从引起Δn≠Δp，这种效应对瞬态过程的影响很重要。此外，最有效的复合中心在禁带中央，而最有效的陷阱能级在费米能级附近。一般来说，所有的杂质或缺陷能级都有某种程度的陷阱效应，而且陷阱效应是否成立还与一定的外界条件有关。

8.光均匀照射在6Ωcm的n型Si样品上，电子-空穴对的产生率为4×1021cm-3s-1，样品寿命为8μs。试计算光照前后样品的电导率。

1?1?1????1.167??cm??解：光照前0

?06光照后Δp=Gτ=（4×10）（8×10）=3.2×10 cm

16?19?1?1则???0?????0??p?q??p?1.167??3.2?10??1.6?10?490?3.51???cm?

21

-6

17

-3

1答：光照前后样品的电导率分别为1.167Ω-1cm-1和3.51Ω-1cm-1。

ndEF9.非简并的非均匀半导体中的电子电流形式为J?q?n。

dx10.假设Si中空穴浓度是线性分布，在4μm内的浓度差为2×1016cm-3，试计算空穴的扩散电流密度。 解：?jp???qDp?kT?dpdp??q??n0? dxq?dx??19??2?1016?1080.026?1.602?10???52????1.6?10?19??0.055???7.15?10A/m??

??4?10?61.6?10?19??答：空穴的扩散电流密度为7.15×10-5A/m2。

11.在小信号条件下，本征半导体的非平衡载流子的寿命最长。

12.小注入条件：?n?n0,?p?n0，非平衡状态下小注入对少数载流子变化大。

13.复合理论

直接复合：自由电子和空穴在运动中直接相遇而复合，使电子空穴对消失。 间接复合：分两步，首先导带电子落入复合中心能级；再落入价带与空穴复合。 复合概率的平均值r越大，净复合率越高，τ越小。

第六章pn结

1.PN结的形成：载流子的浓度差引起扩散运动。P区的空穴向N区扩散，剩下带负电的受主离子；N区的电子向P区扩散，剩下带正电的施主电子。在靠近PN结界面的区域形成一个空间电荷区，空间电荷区里载流子很少，是高阻区，电厂的方向由N区指向P区，称为内建电场。在内建电场的作用下，载流子将产生漂移运动，运动方向与扩散方向相反。漂移运动与扩散运动达到动态平衡，结区内建立了相对稳定的内建电场。有合金法和扩散法

2.空间电荷区：当p型半导体和n型半导体结合形成pn结时，由于存在载流子梯度，导致了空穴从p区到n区，电子从n区到p区，留下了不可动的电离受主和施主，在p区构成了一个正电荷区，在n区构成了一个负电荷区，在pn结两侧形成了空间电荷区。 3.平衡pn结中载流子分布：在p区空穴是多数载流子，电子为少数载流子；而在n区电子是多数载流子，空穴是少数载流子。根据扩散运动可知，载流子由浓度高的区域流向浓度低的区域，所以形成了由p区流向n区的电流。同一种载流子在势垒区两边的浓度关系满足玻尔兹曼分布函数的关系。

4.加外加电压后能带的变化：在正向偏压下，正向电流密度随正向偏压呈指数关系增大，在反向电压下，没有变化。正向导通，反向保护。