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文檔簡介
第一章半導體物理基礎●半導體中的電子狀態●載流子的統計分布●簡并半導體●載流子的散射●載流子的輸運●非平衡載流子1、本課程的主要內容
研究由不同半導體材料組成半導體器件時,載流子的運動規律和電壓-電流等電學特性。方法:1)分析半導體器件時,應先將整個器件分為若干個區。2)給出邊界條件。3)求解出各個區中的少子濃度分布、少子濃度梯度分布、電場分布、電勢分布、電流密度分布等,最終求得器件的各個端電流。2、本課程的考核方式、答疑時間概述1.1半導體中的電子狀態●半導體中電子的波函數和能量譜值●能帶●有效質量●導帶電子和價帶空穴●Si/Ge/GaAs的能帶結構●雜質和缺陷能級請復習《半導體物理基礎》相關知識點!1.2載流子的統計分布●導帶電子濃度和價帶空穴濃度之積(1-64)式中為禁帶寬度。與溫度有關,可以把它寫成經驗關系式:其中為常數得:(1-66)1.2載流子的統計分布●本征半導體于是:(1-70)(1-68)(1-69)即:參照得:習題1.2載流子的統計分布●只有一種雜質的半導體☆P型半導體在雜質飽和電離的溫度范圍內:導帶電子濃度為:費米能級:(1-80)1.2載流子的統計分布●雜質補償半導體相應的費米能級為:在的半導體中:(1-84)1.2載流子的統計分布相應的費米能級為:在的半導體中:(1-88)●雜質補償半導體習題1.4載流子的散射1.格波與聲子2.載流子的散射1)平均自由時間與馳豫時間2)散射機構○晶格振動散射○電離雜質散射聲學波特點:相鄰兩種不同原子的振幅都有相同的正號或負號,即對于聲學波,相鄰原子都是沿著同一方向振動,當波長很長時,聲學波實際上代表原胞質心的振動。光學波特點:對于光學波,相鄰兩種不同原子的振動方向是相反的。原胞的質心保持不動,由此也可以定性的看出,波長很長的光學波(長光學波)代表原胞中兩個原子的相對振動。1.格波與聲子晶格振動能量的量子化---聲子1.5載流子的輸運1.漂移運動遷移率和電導率電子遷移率:空穴遷移率:電子漂移電流密度:(1-114)電子電導率:(1-118)——N型半導體的電導率空穴電導率:——P型半導體的電導率電子和空穴共同作用電導率:1.5載流子的輸運2.擴散運動和擴散電流電子擴散電流密度D——擴散系數(1-129)空穴擴散電流密度3.流密度在漂移和擴散同時存在的情況下,空穴和電子的流密度分別為:(1-133)1.5載流子的輸運4.電流密度空穴和電子的電流密度分別為:(1-135)在一維情況下,空穴和電子的電流分別為:(1-137)式中A為電流垂直流過的面積1.5載流子的輸運(1-144)于是:——熱電勢在熱平衡情況下,費米勢為常數,可以把它取為零基準,于是:(1-146)2)愛因斯坦關系電子:空穴:1.5載流子的輸運對于N型半導體,有(取EF為零基準):(1-151)對于P型半導體,有:(1-153)3)非均勻半導體自建電場1.6非平衡載流子非平衡載流子:比平衡態多出來的部分載流子小注入:非平衡載流子濃度<<熱平衡多數載流子濃度1.非平衡載流子的產生與復合——非平衡載流子1.6非平衡載流子3.修正的歐姆定律其中:分別稱為電子和空穴的等效電導率。修正歐姆定律雖然在形式上和歐姆定律一致,但它包括了載流子的漂移和擴散的綜合效應。從修正歐姆定律可以看出,費米能級恒定(即)是電流為零的條件。處于熱平衡的半導體,費米能級恒定?;蛘哒f,熱平衡系統具有統一的費米能級。1.6非平衡載流子4.復合機制凈復合率:壽命:(1-171)1)直接復合小注入:本征半導體:雜質半導體:1.6非平衡載流子2)通過復合中心的復合為簡單計,假設復合中心對電子和空穴的俘獲系數相等。凈復合率可寫成或3)表面復合率(1-210)1.6非平衡載流子5.半導體中的基本控制方程在飽合電離的情況下:2)泊松方程(1-220)設空間電荷所形成的電勢分布為,則與之間滿足泊松方程:為自由空間電容率,其數值為分析半導體器件時,應先將整個器件分為若干個區,然后在各個區中視具體情況對基本方程做相應的簡化后進行求解。求解微分方程時還需要給出
邊界條件。擴散方程的邊界條件為邊界上的
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