半導(dǎo)體器件物理基礎(chǔ)第一章

第一章半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)§1-1晶體結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體材料§1-2半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)§1-3平衡載流子濃度§1-4載流子輸運(yùn)現(xiàn)象§1-5非平衡載流子§1-6半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)2/5/20231§1-1晶體結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體材料晶格結(jié)構(gòu)密勒指數(shù)半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理中的基本概念2/5/202322/5/20233固體結(jié)構(gòu)2/5/20234晶體結(jié)構(gòu)硅、鍺等半導(dǎo)體都屬于金剛石型結(jié)構(gòu)。III-V族化合物（如砷化鎵等）大多是屬于閃鋅礦型結(jié)構(gòu)，與金剛石結(jié)構(gòu)類似。晶格常數(shù)是晶體的重要參數(shù)。aGe=0.5658nm,aSi=0.5431nm2/5/20235常用半導(dǎo)體材料的晶格結(jié)構(gòu)TwointerveningFCCcellsoffsetby?ofthecubicdiagonalfromdiamondstructureandzincblendestructure:2/5/20236—倒格矢：基本參數(shù):a*,b*,c*(aa*=2,a

b*=0,etc.)應(yīng)用：波矢k空間的布里淵區(qū)2/5/20237—沿晶體的不同方向，晶體的機(jī)械、物理特性也是不相同的，這種情況稱為晶體的各向異性。用密勒指數(shù)表示晶面?！芾罩笖?shù)（Millerindices)：表示晶面

（1）確定某一平面在直角坐標(biāo)系三個(gè)軸上的截點(diǎn)，并以晶格常數(shù)為單位測(cè)出相應(yīng)的截距；（2）取截距的倒數(shù)，然后約化為三個(gè)最小的整數(shù)，這就是密勒指數(shù)。晶體的各向異性2/5/20238密勒指數(shù)密勒指數(shù)[43]2/5/20239密勒指數(shù)(hkl):Foraplanethatinterceptsthex-axisonthenegativesideoftheorigin.(100){hkl}:Forplanesofequivalentsymmetry.

(100)(010)(001)(100)(010)(001)<hkl>:Forafullsetofequivalentdirections.

[100][010][001][100][010][001][100]

[hkl]:Foracrystaldirection2/5/202310價(jià)鍵每個(gè)原子有4個(gè)最近鄰原子以共價(jià)鍵結(jié)合，低溫時(shí)電子被束縛在各自的正四面體晶格內(nèi)，不參與導(dǎo)電。高溫時(shí)，熱振動(dòng)使共價(jià)鍵破裂，每打破一個(gè)鍵，就得到一個(gè)自由電子，留下一個(gè)空穴，即產(chǎn)生一個(gè)電子空穴對(duì)。2/5/202311單晶硅2/5/202312半導(dǎo)體載流子：電子和空穴2/5/202313半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件是根據(jù)半導(dǎo)體中的各種效應(yīng)制成的。如：利用pn結(jié)單向?qū)щ娦?yīng)，光電效應(yīng)，雪崩倍增效應(yīng)，隧道效應(yīng)等，可以制成各種半導(dǎo)體結(jié)型器件。利用半導(dǎo)體中載流子的能谷轉(zhuǎn)移效應(yīng)，可以制成體效應(yīng)器件。利用半導(dǎo)體與其它材料之間的界面效應(yīng)，可以制成各種界面器件。半導(dǎo)體中的各種效應(yīng)是由半導(dǎo)體內(nèi)部的電子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，因此需要掌握構(gòu)成半導(dǎo)體器件物理基礎(chǔ)的半導(dǎo)體中的電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律。2/5/202314半導(dǎo)體物理中的基本概念晶格結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu)載流子載流子有效質(zhì)量載流子的散射載流子的統(tǒng)計(jì)分布載流子的輸運(yùn)雜質(zhì)摻雜半導(dǎo)體2/5/202315§1-2半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)能帶的概念

有效質(zhì)量的概念載流子的概念多能谷半導(dǎo)體態(tài)密度2/5/202316能帶的概念

電子的共有化運(yùn)動(dòng)

能帶的概念

導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的能帶直接帶隙半導(dǎo)體：電子從價(jià)帶向?qū)кS遷不需要改變晶體動(dòng)量的半導(dǎo)體，如GaAs。間接帶隙半導(dǎo)體：電子從價(jià)帶向?qū)кS遷要改變晶體動(dòng)量的半導(dǎo)體，如Si。

2/5/202317單電子近似單電子近似解法解為Bloch函數(shù):2/5/202318晶體是由大量的原子結(jié)合而成的，因此各個(gè)原子的電子軌道將有不同程度的交疊。電子不再局限于某個(gè)原子，而可能轉(zhuǎn)移到其他原子上去，使電子可能在整個(gè)晶體中運(yùn)動(dòng)。晶體中電子的這種運(yùn)動(dòng)稱為電子的共有化。由于晶格是勢(shì)場(chǎng)的周期性函數(shù)，我們有

式中V（x）為周期性勢(shì)場(chǎng)，s為整數(shù)，a為晶格常數(shù)。勢(shì)場(chǎng)的周期與晶格周期相同。晶體中的電子在周期性勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的波函數(shù)其振幅隨x作周期性變化，其變化周期與晶格周期相同，這反映了電子不再局限于某個(gè)原子，而是以一個(gè)被調(diào)幅的平面波在晶體中傳播?；痉匠虨檠Χㄖ@方程：2/5/202319電子由一個(gè)原子轉(zhuǎn)移到相鄰的原子去,因而電子將可以在整個(gè)晶體中運(yùn)動(dòng)。

2/5/202320固體的量子理論認(rèn)為，當(dāng)原子凝聚成固體時(shí)，由于原子間的相互作用，相應(yīng)于孤立原子的每個(gè)能級(jí)加寬成間隔極?。?zhǔn)連續(xù)）的分立能級(jí)所組成的能帶，能帶之間隔著寬的禁帶。能帶之間的間隔不允許電子具有的能量。金剛石結(jié)構(gòu)的晶體形成的能帶圖如下。n個(gè)原子組成晶體，原子間相互作用，n重簡(jiǎn)并能級(jí)分裂，n個(gè)連續(xù)的分離但挨的很近的能級(jí)形成能帶。2/5/202321不同材料的能帶圖(a)絕緣體

(b)半導(dǎo)體(c)導(dǎo)體2/5/202322能帶溫度效應(yīng)SiGaAs實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，大多數(shù)半導(dǎo)體的禁帶寬度隨溫度的升高而減小，禁帶寬度與溫度的關(guān)系有下面經(jīng)驗(yàn)公式：2/5/202323直接帶隙半導(dǎo)體DirectSemiconductor例如：

GaAs,InP,GaN,ZnO.2/5/202324間接帶隙半導(dǎo)體IndirectSemiconductor:例如:Ge,Si.2/5/202325有效質(zhì)量的概念

晶體中電子行徑與自由電子在導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂附近非常相似?？梢宰C明，對(duì)于一般輸運(yùn)過(guò)程中，可以把電子看成具有動(dòng)量，能量的有效帶電粒子，其中mn為有效質(zhì)量。2/5/202326

★有效質(zhì)量的引入對(duì)半導(dǎo)體而言,重要的是導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂附近的電子狀態(tài).一維情況下,導(dǎo)帶底、價(jià)帶頂?shù)腅k關(guān)系為拋物線近似

--能帶極值附近的電子有效質(zhì)量.

2/5/202327PhysicsofSemiconductorDevices2/5/202328PhysicsofSemiconductorDevices★電子的速度和加速度根據(jù)量子力學(xué)，電子的運(yùn)動(dòng)可以看作波包的運(yùn)動(dòng)，波包的群速就是電子運(yùn)動(dòng)的平均速度（波包中心的運(yùn)動(dòng)速度）。設(shè)波包有許多頻率ν相近的波組成，則波包的群速為：根據(jù)波粒二象性，頻率為ν的波，其粒子的能量為hν，所以速度-在準(zhǔn)經(jīng)典近似下,電子的速度即為波包中心的運(yùn)動(dòng)速度(群速度).2/5/202329PhysicsofSemiconductorDevices加速度-在外力(例如電場(chǎng)力)作用下,電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化

-晶體中電子的準(zhǔn)動(dòng)量.2/5/202330PhysicsofSemiconductorDevices★關(guān)于有效質(zhì)量的幾點(diǎn)說(shuō)明

①有效質(zhì)量概括了半導(dǎo)體中內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)的作用.引入有效質(zhì)量后,帶頂、帶底的電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以表達(dá)為類似自由電子的形式。

②有效質(zhì)量可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)直接測(cè)得。③由有效質(zhì)量看內(nèi)部勢(shì)場(chǎng):

?有效質(zhì)量的大小—與共有化運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)弱有關(guān),反映了晶體中的勢(shì)場(chǎng)對(duì)電子束縛作用的大小.(能帶極值處有不同的曲率半徑)能帶越窄，二次微商越小，有效質(zhì)量越大（內(nèi)層電子的有效質(zhì)量大）；能帶越寬，二次微商越大；有效質(zhì)量越?。ㄍ鈱与娮拥挠行з|(zhì)量?。?。

?有效質(zhì)量的正負(fù)—與位置有關(guān),反映了概括內(nèi)部周期勢(shì)場(chǎng)的內(nèi)部作用后的有效質(zhì)量。2/5/202331PhysicsofSemiconductorDevices帶底,帶頂附近:(一維情況)能量—在帶底,帶頂附近,E~k為拋物線關(guān)系.有效質(zhì)量為定值有效質(zhì)量—導(dǎo)帶底有效質(zhì)量>0價(jià)帶頂有效質(zhì)量<0速度—在帶底,帶頂附近,其數(shù)值正比于k.E,v,m*~k2/5/202332PhysicsofSemiconductorDevices★倒有效質(zhì)量張量

?當(dāng)認(rèn)為半導(dǎo)體各向同性(E~k關(guān)系各向同性),則有效質(zhì)量是常數(shù).

?一般情況下,E~k關(guān)系不是各向同性,但半導(dǎo)體具有對(duì)稱性,即倒有效質(zhì)量張量是對(duì)稱張量.選擇適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系,可以使該張量在k空間給定的點(diǎn)對(duì)角化.2/5/202333PhysicsofSemiconductorDevices★半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)--空穴部分填充的能帶(導(dǎo)帶中有電子,價(jià)帶中有空態(tài))才對(duì)電導(dǎo)有貢獻(xiàn)在外電場(chǎng)作用下,價(jià)帶中所有價(jià)電子運(yùn)動(dòng)的效果等價(jià)于少量假想粒子(即空穴)的運(yùn)動(dòng)效果.討論半導(dǎo)體中的導(dǎo)電問(wèn)題—導(dǎo)帶電子導(dǎo)電；價(jià)帶空穴導(dǎo)電.2/5/202334PhysicsofSemiconductorDevices絕對(duì)零度和室溫時(shí)，半導(dǎo)體中的情況絕對(duì)零度和室溫情況下的能帶圖2/5/202335PhysicsofSemiconductorDevices當(dāng)價(jià)帶是滿帶,在外電場(chǎng)作用下,滿帶電子對(duì)導(dǎo)電沒(méi)有貢獻(xiàn).當(dāng)價(jià)帶中存在空狀態(tài)(圖中A點(diǎn)),在外電場(chǎng)作用下,價(jià)帶電子可參與導(dǎo)電k空間空穴的運(yùn)動(dòng)2/5/202336PhysicsofSemiconductorDevices空穴特點(diǎn)設(shè)價(jià)帶頂附近,k1處有一空狀態(tài),①電荷:空穴帶正電荷,在外電場(chǎng)下產(chǎn)生電流為j=ev(k1)[等價(jià)于價(jià)帶中所有其他價(jià)電子產(chǎn)生的電流]②有效質(zhì)量:空穴具有正有效質(zhì)量m*p=

-m*n具有準(zhǔn)動(dòng)量ph=-hk1

2/5/202337PhysicsofSemiconductorDevices

③能量:價(jià)帶頂?shù)目昭芰孔畹?偏離價(jià)帶頂,空穴能量增加.

導(dǎo)帶底附近電子的能量

E(k)=Ec+h2k2/2m*n(m*n?0)價(jià)帶頂附近電子的能量E(k)=Ev+h2k2/2m*n(m*n?0)或

E(k)=Ev-h2k2/2m*p(m*p?0)2/5/202338PhysicsofSemiconductorDevices在外電場(chǎng)作用下,價(jià)帶中所有價(jià)電子運(yùn)動(dòng)的效果等價(jià)于少量假想粒子(空穴)的運(yùn)動(dòng)效果.--空穴概念的引入,使我們對(duì)價(jià)帶的討論大為簡(jiǎn)化半導(dǎo)體中導(dǎo)帶電子,價(jià)帶空穴均可導(dǎo)電—兩種載流子導(dǎo)電.對(duì)本征半導(dǎo)體而言,導(dǎo)帶電子數(shù)與價(jià)帶空穴數(shù)是相同的.2/5/202339PhysicsofSemiconductorDevices

mn*/m0mp*/m0Si0.230.12Ge0.030.08GaAs0.070.092/5/202340多能谷半導(dǎo)體

許多重要的半導(dǎo)體不只有一個(gè)導(dǎo)帶極小值，而是有若干個(gè)位于k空間不同點(diǎn)的極小值。電子轉(zhuǎn)移效應(yīng)

在強(qiáng)電場(chǎng)下獲得足夠高的能量時(shí)，電子可以由低能谷向次能谷轉(zhuǎn)移的效應(yīng)。2/5/202341態(tài)密度的概念

空間允許載流子占據(jù)的能態(tài)密度。載流子（電子或空穴）占據(jù)某個(gè)能級(jí)（量子態(tài)）的幾率滿足費(fèi)米分布。費(fèi)米能級(jí)Ef的定義。2/5/202342

§1.3載流子平衡濃度有效態(tài)密度本征半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體2/5/202343有效態(tài)密度有效態(tài)密度導(dǎo)帶底有效態(tài)密度和價(jià)帶頂有效態(tài)密度自由電子和自由空穴密度的表達(dá)式2/5/202344表1-1Si、Ge、GaAs的載流子有效質(zhì)量、有效狀態(tài)密度及禁帶寬度（300K）

mn/m0mp/m0NC(cm-3)NV(cm-3)Eg(eV)Si0.230.122.810191.010191.12Ge0.030.081.010186.010180.67GaAs0.070.094.710187.010181.432/5/202345本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體即沒(méi)有雜質(zhì)和缺陷的半導(dǎo)體,當(dāng)T0K時(shí),出現(xiàn)本征激發(fā),電子和空穴成對(duì)產(chǎn)生,即n=p

本征費(fèi)米能級(jí)質(zhì)量作用定律2/5/202346本征載流子濃度

Si、GaAs本征載流子濃度與溫度的關(guān)系2/5/202347討論在一定溫度下，一定的半導(dǎo)體，np的乘積是確定的，與摻雜多少、費(fèi)米能級(jí)位置無(wú)關(guān)。且ni隨溫度上升而指數(shù)增加。半導(dǎo)體的禁帶寬度越大，本征載流子濃度越小。室溫下，Si的ni＝1.45×1010cm－3，GaAs的ni＝1.79×106cm－3

2/5/202348雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體，又稱為非本征半導(dǎo)體，即有雜質(zhì)的半導(dǎo)體。(注意雜質(zhì)與缺陷的區(qū)別)

施主與受主施主雜質(zhì)：磷、砷、銻受主雜質(zhì)：硼、鋁、鎵雜質(zhì)半導(dǎo)體多子、少子濃度的計(jì)算公式雜質(zhì)半導(dǎo)體的能帶圖補(bǔ)償半導(dǎo)體2/5/202349施主與受主

2/5/202350n-Si:摻雜濃度越高，EF便越高p-Si:摻雜濃度越高，EF便越低雜質(zhì)半導(dǎo)體能帶圖

2/5/202351電荷守恒定律2/5/202352例子：硅棒中摻雜濃度為1016cm－3的As原子。2/5/202353溫度效應(yīng)2/5/202354★載流子的散射①散射的起因:周期勢(shì)場(chǎng)的被破壞,附加勢(shì)場(chǎng)對(duì)載流子起散射作用.(理想晶格不起散射作用)②散射的結(jié)果:

?

無(wú)外場(chǎng)時(shí),散射作用使載流子作無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng),載流子的總動(dòng)量仍然=0

?

在外場(chǎng)下，載流子的動(dòng)量不會(huì)無(wú)限增加.遷移率即反映了散射作用的強(qiáng)弱.vd=με2/5/202355PhysicsofSemiconductorDevices③散射幾率:P(單位時(shí)間內(nèi)一個(gè)載流子受到散射的次數(shù))

?

載流子在連續(xù)二次散射之間自由運(yùn)動(dòng)的平均時(shí)間--平均自由時(shí)間

τ=1/P

?

載流子在連續(xù)二次散射之間自由運(yùn)動(dòng)的平均路程--平均自由程

λ=vT?τ

vT—電子的熱運(yùn)動(dòng)速度

?

數(shù)量級(jí)估算2/5/202356PhysicsofSemiconductorDevices

主要散射機(jī)構(gòu)電離雜質(zhì)的散射晶格散射其他因素引起的散射

2/5/202357PhysicsofSemiconductorDevices電離雜質(zhì)的散射2/5/202358PhysicsofSemiconductorDevices★電離雜質(zhì)的散射電離雜質(zhì)濃度為NI,載流子速度為v,載流子能量為E:定性圖象:

?

散射幾率大體與電離雜質(zhì)濃度成正比;

?

溫度越高,電離雜質(zhì)散射越弱.2/5/202359PhysicsofSemiconductorDevices★晶格散射①晶格振動(dòng)理論簡(jiǎn)要晶格振動(dòng)—晶體中的原子在其平衡位置附近作微振動(dòng).

?

格波—晶格振動(dòng)可以分解成若干基本振動(dòng),對(duì)應(yīng)的基本波動(dòng),即為格波.格波能夠在整個(gè)晶體中傳播.格波的波矢q,q=1/λ

2/5/202360PhysicsofSemiconductorDevices當(dāng)晶體中有N個(gè)原胞,每個(gè)原胞中有n個(gè)原子,則晶體中有3nN個(gè)格波,分為3n支.?3n支格波中,有3支聲學(xué)波,(3n-3)支光學(xué)波晶格振動(dòng)譜—格波的色散關(guān)系υ

q縱聲學(xué)波(LA),橫聲學(xué)波(TA)縱光學(xué)波(LO),橫光學(xué)波(TO)格波的能量是量子化的:E=(n+1/2)hυ2/5/202361PhysicsofSemiconductorDevices圖4-7圖4-8縱波橫波聲學(xué)波光學(xué)波2/5/202362PhysicsofSemiconductorDevicesΓK圖4-6金剛石結(jié)構(gòu),3支聲學(xué)波,(1支LA,2支TA)3支光學(xué)波(1支LO,2支TO)2/5/202363PhysicsofSemiconductorDevices?聲子--格波的能量子能量hυ,準(zhǔn)動(dòng)量hq溫度為T時(shí)，頻率為υ的格波的

?平均能量為

?平均聲子數(shù)

2/5/202364PhysicsofSemiconductorDevices?電子和聲子的相互作用:

能量守恒,準(zhǔn)動(dòng)量守恒.

對(duì)單聲子過(guò)程(電子與晶格交換一個(gè)聲子,”+”—吸收聲子,”-”—發(fā)射聲子):

k,E和k’,E’分別為散射前后電子的波矢,能量2/5/202365PhysicsofSemiconductorDevices

②聲學(xué)波散射:(彈性散射)，對(duì)能帶具有單一極值的半導(dǎo)體,或多極值半導(dǎo)體中電子在一個(gè)能谷內(nèi)的散射

?主要起散射作用的是長(zhǎng)波

?長(zhǎng)聲學(xué)波中,主要起散射作用的是縱波（與聲學(xué)波形變勢(shì)相聯(lián)系）

聲學(xué)波散射幾率隨溫度的升高而增加2/5/202366PhysicsofSemiconductorDevices圖4-10縱聲學(xué)波造成原子分布疏密變化縱光學(xué)波形成空間帶正,負(fù)電區(qū)域2/5/202367PhysicsofSemiconductorDevices③光學(xué)波散射:(非彈性散射)，

?對(duì)極性半導(dǎo)體,長(zhǎng)縱光學(xué)波有重要的散射作用.（與極性光學(xué)波形變勢(shì)相聯(lián)系）當(dāng)溫度較高,有較大的光學(xué)波散射幾率2/5/202368PhysicsofSemiconductorDevices★其他因素引起的散射等同能谷間的散射

--電子與短波聲子發(fā)生相互作用中性雜質(zhì)散射位錯(cuò)散射2/5/202369PhysicsofSemiconductorDevices

§1.4載流子輸運(yùn)現(xiàn)象漂移過(guò)程遷移率，電阻率，霍耳效應(yīng)擴(kuò)散過(guò)程 擴(kuò)散系數(shù)電流密度方程，愛(ài)因斯坦關(guān)系強(qiáng)電場(chǎng)效應(yīng)碰撞電離問(wèn)題2/5/202370穩(wěn)態(tài)輸運(yùn)方程討論穩(wěn)態(tài)輸運(yùn)現(xiàn)象使用的DD模型漂移－擴(kuò)散方程的近似理論載流子在外電場(chǎng)和濃度梯度場(chǎng)的作用下，定向運(yùn)動(dòng)，形成電流。2/5/202371漂移過(guò)程遷移率：表征漂移速度與電場(chǎng)的關(guān)系：Vd=E其中，比例系數(shù)為遷移率，表示單位場(chǎng)強(qiáng)下電子的平均漂移速度（cm2/V·s)。漂移電流的表達(dá)式：I=-nqVdLs電流密度的表達(dá)式：J=-nqVd=-nqE室溫下Si:n=1350cm2/V·s,p=500cm2/V·s2/5/202372Si中遷移率和雜質(zhì)濃度的關(guān)系2/5/202373Si的電阻率與摻雜水平的關(guān)系查表，數(shù)量級(jí)要

準(zhǔn)確！2/5/202374霍耳效應(yīng)P型半導(dǎo)體：洛倫茲力霍耳電場(chǎng)霍耳電壓霍耳系數(shù)N型半導(dǎo)體：2/5/202375擴(kuò)散系數(shù)載流子濃度存在空間上的變化時(shí)，載流子從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)運(yùn)動(dòng)，即在濃度梯度場(chǎng)的作用下，作定向運(yùn)動(dòng)，這樣產(chǎn)生的電流分量稱為擴(kuò)散電流。擴(kuò)散系數(shù)：Dn=vth*l載流子電子的擴(kuò)散電流Jn=qDndn/dx載流子空穴的擴(kuò)散電流Jp=-qDpdp/dx擴(kuò)散過(guò)程2/5/202376電流密度方程Einstein關(guān)系式2/5/202377強(qiáng)電場(chǎng)效應(yīng)2/5/202378碰撞電離問(wèn)題當(dāng)半導(dǎo)體中的電場(chǎng)增加至某值以上時(shí)，載流子獲得足夠動(dòng)能與晶格碰撞，給出大部分動(dòng)能打破一個(gè)價(jià)鍵，將一個(gè)價(jià)電子從價(jià)帶電離到導(dǎo)帶，產(chǎn)生一個(gè)電子空穴對(duì)。這時(shí)，產(chǎn)生的電子空穴對(duì)在電場(chǎng)中開(kāi)始加速，與晶格繼續(xù)發(fā)生碰撞，再產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)，這樣的過(guò)程一直持續(xù)下去，稱為雪崩過(guò)程，又稱為碰撞電離過(guò)程。2/5/202379

§1.5非平衡載流子載流子的注入產(chǎn)生與復(fù)合過(guò)程連續(xù)性方程與泊松方程非穩(wěn)態(tài)輸運(yùn)效應(yīng)2/5/202380載流子的注入引入過(guò)剩載流子的過(guò)程稱為載流子注入載流子注入方法：光激發(fā)、電注入注入水平：多子濃度與過(guò)剩載流子濃度的相比分為：小注入情況與大注入情況np=ni2作為半導(dǎo)體是否處于熱平衡態(tài)的判據(jù)，其它判據(jù)如系統(tǒng)具有統(tǒng)一費(fèi)米能級(jí)。2/5/202381產(chǎn)生與復(fù)合過(guò)程npni2（注入、抽取）np=ni2非平衡載流子非平衡載流子的復(fù)合：（1）直接復(fù)合：電子在導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的直接躍遷，引起電子和空穴的直接復(fù)合（2）間接復(fù)合：電子和空穴通過(guò)禁帶的能級(jí)(復(fù)合中心）進(jìn)行復(fù)合2/5/202382直接復(fù)合2/5/202383間接復(fù)合的四個(gè)過(guò)程甲-俘獲電子；乙-發(fā)射電子；丙-俘獲空穴；丁-發(fā)射空穴。（a)過(guò)程前(b)過(guò)程后2/5/202384凈復(fù)合率U(cm-3/s,單位時(shí)間、單位體積復(fù)合掉的電子-空穴對(duì)數(shù))：?熱平衡下，np=ni2,U=0?假設(shè)電子俘獲截面與空穴的相等,即n=p=,則EtEi,UMaxium2/5/202385少子壽命

（小注入）n型半導(dǎo)體中少子壽命(nnn0,n>>ni,pn)同樣，對(duì)p型半導(dǎo)體中電子的壽命2/5/202386體內(nèi)復(fù)合和表面復(fù)合?載流子復(fù)合時(shí)，一定要釋放多余的能量。放出能量的方法有三種：a.發(fā)射光子（常稱為發(fā)光復(fù)合或輻射復(fù)合，直接光躍遷的逆過(guò)程）b.發(fā)射聲子（將多余的能量傳給晶格，加強(qiáng)晶格的振動(dòng)）c.將能量給予其它載流子，增加他們的動(dòng)能（稱為俄歇復(fù)合（Auger),碰撞電離的逆過(guò)程)

俄歇復(fù)合：在重?fù)诫s半導(dǎo)體中，俄歇復(fù)合是主要的復(fù)合機(jī)制。表面復(fù)合：由于晶體原子的周期排列在表面中止，在表面區(qū)引入了大量的局域能態(tài)或產(chǎn)生復(fù)合中心，這些能態(tài)可以大大增加表面區(qū)域的復(fù)合率。與間接復(fù)合類似，是通過(guò)表面復(fù)合中心進(jìn)行的，對(duì)半導(dǎo)體器件的特性有很大的影響。2/5/202387Auger復(fù)合2/5/202388表面復(fù)合小注入表面復(fù)合速度小注入表面復(fù)合率2/5/202389連續(xù)性方程和泊松方程連續(xù)