清华大学微电子器件与电路课件——张进宇ch04-1.pptVIP

* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * 上式中，μI是只有离化杂质散射存在时的载流子迁 移率，而μL则是只有晶格振动散射存在时的载流子 迁移率，μ是总的载流子迁移率。当有多个独立的 散射机制同时存在时，上式依然成立，这也意味着 由于多种散射机制的影响，载流子总的迁移率将会 更低。 * * * * * * * * * 4.3.2 爱因斯坦关系 则有： (4.44) 将电场的表达式(4.42)代入(4.44)式得到： (4.45) 由此即可得到： 此即前面介绍过的爱因斯坦关系 (4.46a) * 4.3.2 爱因斯坦关系 同样，根据空穴电流密度为零也可以得到： 将上述两式统一起来，即： 此式即为统一的爱因斯坦关系，注意上式中右侧与 温度有关，并且载流子的迁移率也是与温度强烈相 关的，所以载流子的扩散系数同样也是与温度有着 非常强烈的依赖关系。 (4.46b) (4.47) * 4.4 载流子的产生与复合 4.4 载流子的产生与复合 载流子的产生(generation)：把一个价带电子激发至导带，形成一对可以参与导电的电子-空穴对的过程； 载流子的复合(recombination) ：一个导带电子跃迁至价带，使得一对本来可以参与导电的电子-空穴对消失的过程。 对热平衡状态的任何偏离，都会导致半导体材料中电子浓度和空穴浓度的变化。例如，温度的突然升高，就会导致电子和空穴热产生率的增大，因此半导体材料中电子和空穴的浓度就会随着时间而逐渐增大，直到最后达到新的热平衡。同样，外部的光照也会产生额外的电子-空穴对，从而建立起一个非热平衡的状态 * 4.4.1 平衡状态半导体 4.4.1 平衡状态半导体 对于处于热平衡状态的半导体材料来说，其中电子和空穴的浓度不随时间发生变化。但是这只是一种动态平衡，在半导体材料中仍然不断地存在着大量电子-空穴对的产生过程，同时也存在着大量电子-空穴对的复合过程。这个动态平衡过程如下图所示。 * 4.4.1 平衡状态半导体 假设在半导体材料中，电子和空穴的产生率分别为Gn0和Gp0，其单位为cm-3?s-1。对于导带与价带之间的产生过程来说，电子和空穴都是成对产生的，因 此有： (4.50) 与此类似，假设在半导体材料中，电子和空穴的复合率分别为Rn0和Rp0，其单位也是cm-3?s-1。对于导带与价带之间的直接复合过程来说，电子和空穴也是成对复合掉的，因此有： 在热平衡状态下，电子和空穴的浓度不随时间改变，即达到动态平衡，因此有： * 4.4.2 过剩载流子的产生与复合 4.4.2 过剩载流子 (Excess Carriers) 的产生与复合 当有外界激发条件（例如光照）存在时，将会把价带中的一个电子激发至导带，从而在导带中产生一个导电电子，同时也会在价带中产生一个导电空穴，即产生出了一个电子-空穴对，这些额外产生出的电子和空穴就称为过剩电子和过剩空穴。 过剩电子和过剩空穴一般是由外界激发条件而产生的，其产生率(generation rate) 通常记为gn和gp，对于导带与价带之间的直接产生过程来说，过剩电子和过剩空穴也是成对产生的，因此有： (4.51) * 4.4.2 过剩载流子的产生与复合 当有过剩载流子产生时，导带中电子的浓度和价带中空穴的浓度就会高出热平衡时的浓度，即： 其中n0和p0分别是热平衡状态下导带电子和价带空穴的浓度，? n和? p分别是过剩电子和过剩空穴的浓度。 图4.14： 由光激发所引起的过剩电子和过剩空穴的产生过程 (4.52) * 4.4.2 过剩载流子的产生与复合 当有过剩载流子产生时，外界的激发作用就已经打破了热平衡状态，因此这时半导体材料已经不再处于热平衡状态，电子和空穴的浓度也不再满足热平衡时的条件，即： 即使是稳定的过剩载流子产生也不会导致过剩电子浓度和过剩空穴浓度的持续增加，和热平衡时一样，过剩电子也会不断地和过剩空穴相复合。 假设过剩电子和过剩空穴的复合率(recombination rate)分别为Rn和Rp，由于过剩电子和过剩空穴也是成对复合掉的，因此有： (4.53) * 4.4.2 过剩载流子的产生与复合 图4.15：半导体材料中过剩载流子的复合过程 由于过剩载流子的复合作用，非热平衡状态将会逐渐地向热平衡状态恢复。 * 4.4.2 过剩载流子的产生与复合 对于我们所考虑的导带与价带之间的产生过程来说，产生过程通常是自发进行的，即产生一个导带电子和一个价带空穴是不会随时间而改变