大学《信息功能材料》第1章：半导体材料培训课件.ppt

半导体中的载流子分布 非平衡载流子的概念——当半导体受到外界作用时，除了热平衡载流子以外，还将受到光照、电场等的作用，这些外界条件也将激发载流子，称为非平衡载流子。 P-n结的工作就是与非平衡载流子的注入和抽取有关。 例：光辐照半导体产生的非平衡载流子与复合过程： (4) 非平衡载流子 半导体中的载流子分布 当用光子能量大于禁带宽度的光辐照半导体时，价带电子就可以跃迁到导带，形成非平衡载流子。 相应的导带电子和价带空穴浓度为： (4) 非平衡载流子 n0和p0分别为热平衡时电子和空穴的浓度 结论： 非平衡载流子使得导电载流子浓度增加，半导体的导电率增加！ 由光激发所增加的部分电导率称为光电导！ 光敏元件的原理！ 当光停止照射后，出现复合过程！ 需要一定时间—非平衡载流子的寿命！ 二.半导体中的电学性质 1、载流子的漂移运动及电导率 在外电场作用下，半导体中的载流子要受到电场力的作用，从而获得一定的漂移速率，在半导体中形成电流。 电子和空穴漂移方向相反； 电子和空穴漂移速率一般不同：电子大于空穴； 半导体的电导率为电子和空穴电导率之和。 二.半导体中的电学性质 如果载流子的电荷为e，浓度为ρ，则电流密度为： 1、载流子的漂移运动及电导率 对n型：主要以电子电导率为主； 对p型：主要以空穴电导率为主； 对本征半导体，n=p=ni, 则： 二.半导体中的电学性质 (1) 载流子的浓度 2、电导率的主要影响因素 载流子的浓度受温度影响——热激发： 本征半导体：载流子的浓度因本征激发而增加； 杂质半导体：由杂质浓度和温度共同决定； 杂质电离 本征激发 二.半导体中的电学性质 (2)载流子的散射 2、电导率的主要影响因素 受到各种散射作用的弛豫时间： 二.半导体中的电学性质 有效质量一定时，影响迁移率的主要因素是弛豫时间 左式对于电子载流子和空穴载流子都是适用的 (2)载流子的散射 二.半导体中的电学性质 电离杂质对载流子的散射机制—类Rutherford 散射： (2)载流子的散射 晶格振动对载流子的散射机制—声子散射 二.半导体中的电学性质 本征半导体—— 电阻率随温度上升而下降，负温度系数特性； (2)电阻率与温度的关系 杂质半导体—— 不同温度段具有不同的温度系数特性。 半导体中的载流子分布 (2)本征半导体的热平衡载流子分布 对本征半导体而言，导带上的电子全部来源于价带上电子向导带的本征激发，因而，导带上的电子浓度与价带上的空穴浓度必然相等。 故：本征半导体的热平衡载流子浓度： 相应可以得到费米能级： 绝对零度下，费米能级位于禁带中央，随温度升高，费米能级逐渐增加。 半导体中的载流子分布—杂质情况 杂质半导体的载流子浓度来源：本征激发+杂质电离； 对于n型半导体，对导带上的电子载流子浓度是由本征激发和施主电离两者的贡献。由电中性方程： 把n、p代入电中性方程得： (3)杂质半导体的热平衡载流子分布 n为导带电子浓度，N＋d为电离施主浓度，p价带上空穴浓度 Nd为电离施主浓度 从这里，即可求出各种给定温度下的费米能级EF。 从而求出导带上的电子载流子浓度。 半导体中的载流子分布 该方程没有解析解，只能给出数值解。 关于Si的费米能级与温度和杂质的关系： (3)杂质半导体的热平衡载流子分布 半导体中的载流子分布 当温度很低时，略去式中最后一项，可得： 当T=0K时，Fermi能级位于导带底和施主能级的中央，温度升高时，逐渐升高。 (3)杂质半导体的热平衡载流子分布 半导体中的载流子分布 对于P型半导体，价带上的空穴载流子浓度是由本征跃迁和受主电离两者的贡献。 由电中性方程可写为： (3)杂质半导体的热平衡载流子分布 P为价带上空穴载流子浓度 N-d为电离受主浓度 n为导带中电子载流子浓度 半导体中的载流子分布 非平衡载流子的概念——当半导体受到外界作用时，除了热平衡载流子以外，还将受到光照、电场等的作用，这些外界条件也将激发载流子，称为非平衡载流子。 P-n结的工作就是与非平衡载流子的注入和抽取有关。 例：光辐照半导体产生的非平衡载流子与复合过程： (4) 非平衡载流子 半导体中的载流子分布 当用光子能量大于禁带宽度的光辐照半导体时，价带电子就可以跃迁到导带，形成非平衡载流子。 相应的导带电子和价带空穴浓度为： (4) 非平衡载流子 n0和p0分别为热平衡时电子和空穴的浓度 结论： 非平衡载流子使得导电载流子浓度增加，半导体的导电率增加！ 由光激发所增加的部分电导率称为光电导！ 光敏元件的原理！ 当光停止照射后，出现复合过程！ 需要一定时间—非平衡载流子的寿命！ 二.半导体中的电学性质 1、载流子的漂移运动及电导率 在外电场作用下，半导体中的载流子要受到电场力的作用，从而获得一定的漂移速率