半导体物理—半导体中非平衡载流子公式总结(精华版)
李子一个爱学习
2025年01月04日 14:40
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共8篇

说明:本总结公式符号与刘恩科《半导体物理学(第8版)》一致。

一、小注入条件下非平衡载流子的寿命

假设一个单位体积n型半导体内部产生了均匀的非平衡载流子%5CDelta%20p%5CDelta%20n。在t%3D0时刻,注入突然停止,%5CDelta%20p将发生变化,即与电子发生复合而趋于0。

随时间变化单位体积非平衡空穴的浓度变化为%5Cfrac%7B%5Ctext%7Bd%7D%20%5CDelta%20p(t)%7D%7B%5Ctext%7Bd%7D%20t%7D

根据第四章的内容,单位时间内单位体积非平衡载流子复合率为%5Cfrac%7B%5CDelta%20p%7D%7B%5Ctau%7D

由于非平衡载流子的浓度减少只考虑由复合引起的,同时考虑到浓度变化率的负值问题,有

%5Cfrac%7B%5Ctext%7Bd%7D%20%5CDelta%20p(t)%7D%7B%5Ctext%7Bd%7D%20t%7D%3D-%5Cfrac%7B%5CDelta%20p%7D%7B%5Ctau%7D

小注入时非平衡载流子的寿命%5Ctau%20是一个常数,解微分方程得

%5CDelta%20p(t)%3D(%5CDelta%20p)_0%20%5Ctext%7Be%7D%5E%7B-%5Cfrac%7Bt%7D%7B%5Ctau%7D%7D

如果对上述分布求平均时间,很容易得到平均生存时间就是非平衡载流子的寿命(书上式5-7)

二、准费米能级

引入准费米能级后,非简并半导体非平衡状态下导带或价带中的载流子浓度可以用热平衡非简并半导体相应表达式中将费米能级E_F替换为准费米能级E_%7BFn%7D表示即可。

热平衡非简并半导体中相关表达式可以参考下面这个专栏:

三、直接复合

非平衡载流子的复合率R%3Drnp,其中r为电子和空穴复合概率

由于非平衡载流子的产生率只是温度的函数而与载流子浓度无关,因此用热平衡时的载流子复合率表示载流子产生率G%3Drn_0p_0%3Drn_i%5E2

复合率与产生率相减即为非平衡载流子的净复合率

U_d%3DR-G%3Dr(np-n_i%5E2)

用平衡载流子与非平衡载流子之和的形式表示后,得到

U_d%3Dr(np-n_i%5E2)%3Dr((n_0%2B%5CDelta%20n)(p_0%2B%5CDelta%20p)-n_i%5E2)%3Dr(n_0p_0%2Bn_0%5CDelta%20p%2Bp_0%5CDelta%20n%2B%5CDelta%20p%5CDelta%20n-n_i%5E2)%3Dr(%2Bn_0%5CDelta%20p%2Bp_0%5CDelta%20n%2B(%5CDelta%20p)%5E2)

U_d%3Dr(n_0%2Bp_0)%5CDelta%20p%2Br(%5CDelta%20p)%5E2

非平衡载流子的寿命为

%5Ctau%3D%5Cfrac%7B%5CDelta%20p%7D%7BU_d%7D%3D%5Cfrac%7B1%7D%7Brn_0%2Brp_0%2Br%5CDelta%20p%7D

小注入条件下,分母中%5CDelta%20p项可以略去;对于n型半导体,p_0也可以略去……

三、间接复合

俘获电子过程中电子的俘获率为r_nn(N_t-n_t)

产生电子过程中电子的产生率为s_-n_t%3Dr_nn_1n_t

空穴俘获过程中空穴的俘获率为r_ppn_t

空穴产生过程中空穴的产生率为s_%2B(N_t-n_t)%3Dr_pp_1(N_t-n_t)

对于上述四个过程有1+4=2+3,列在一起可得

n_t%3D%5Cfrac%7Bnr_n%2Bp_1r_p%7D%7Br_n(n%2Bn_1)%2Br_p(p%2Bp_1)%7D

非平衡载流子的复合率

U%3D%5Cfrac%7BN_t%20r_n%20r_p(np-n_i%5E2)%7D%7Br_n%20(n%2Bn_1)%2Br_p%20(p%2Bp_1)%7D

U%3D%5Cfrac%7Bnp-n_i%5E2%7D%7B%5Ctau_p%20(n%2Bn_i%5Cexp(%5Cfrac%7BE_t-E_i%7D%7Bk_0T%7D))%2B%5Ctau_p(p%2B%20n_i%5Cexp(-%5Cfrac%7BE_t-E_i%7D%7Bk_0T%7D))%7D

非平衡载流子的寿命

%5Ctau%3D%5Cfrac%7Br_n(n_0%2Bn_1%2B%5CDelta%20n)%2Br_p(p_0%2Bp_1%2B%5CDelta%20p)%7D%7BN_t%20r_p%20r_n(n_0%2Bp_0%2B%5CDelta_p)%7D

强n型区费米能级比复合中心对称能级更接近导带,此时n0最大(n型半导体)

高阻区费米能级在复合能级和复合能级对称能级之间,此时p1最大(n型半导体)

引入俘获截面后复合率

U%3D%5Cfrac%7B%5Csigma_%2B%20%5Csigma_-%20v_TN_t(np-n_i%5E2)%7D%7B%5Csigma_-%20%5Bn%2Bn_i%20%5Cexp(%5Cfrac%7BE_t-E_i%7D%7Bk_0T%7D)%5D%2B%5Csigma_%2B%20%5Bp%2Bn_i%20%5Cexp(-%5Cfrac%7BE_t-E_i%7D%7Bk_0T%7D)%5D%7D%20

四、表面复合

表面复合概率与体内复合概率通过电阻串联法得到总的复合概率为%5Cfrac%7B1%7D%7B%5Ctau%7D%3D%5Cfrac%7B1%7D%7B%5Ctau_%5Ctext%7Bv%7D%7D%2B%5Cfrac%7B1%7D%7B%5Ctau_%5Ctext%7Bs%7D%7D

以n型半导体为例,可以得到表面复合率U_s%3Ds(%5CDelta%20p)_s%3D%5Csigma_%2B%20v_T%20N_%7Bst%7D(%5CDelta%20p)_s

五、俄歇复合

俄歇复合非平衡载流子净复合率 U%3D(R_%7Bee%7D%2BR_%7Bhh%7D)-(G_%7Bee%7D%2BG_%7Bhh%7D)%3D(%5Cgamma_en%2B%5Cgamma_hp)(np-n_i%5E2)

非平衡载流子的寿命

%5Ctau%3D%5Cfrac%7B%5CDelta%20p%7D%7BU%7D%3D%5Cfrac%7Bn_i%5E2%7D%7B(R_%7Bee0%7D%2BR_%7Bhh0%7D)(n_0%2Bp_0)%7D

六、陷阱效应

以电子陷阱为例,复合中心随非平衡电子的变化为

%5CDelta%20n_t%3D%5Cfrac%7BN_t%20r_n(r_nn_1%2Br_pp_0)%7D%7B%5Br_n(n_0%2Bn_1)%2Br_p(p_0%2Bp_1)%5D%5E2%7D%5CDelta%20n

略去rp项,可以得最大的复合中心浓度

(%5CDelta%20n_t)_%7Bmax%7D%3D%5Cfrac%7BN_t%7D%7B4n_0%7D%5CDelta%20n

七、载流子的扩散

稳态扩散方程

-%5Cfrac%7B%5Ctext%7Bd%7D%20S_p(x)%7D%7B%5Ctext%7Bd%7Dx%7D%3DD_p%5Cfrac%7B%5Ctext%7Bd%7D%5E2%20%5CDelta%20p(x)%7D%7B%5Ctext%7Bd%7Dx%5E2%7D

稳态扩散方程普遍解

%5CDelta%20p(x)%3DA%5Cexp(-%5Cfrac%7Bx%7D%7BL_p%7D)%2BB%5Cexp(%5Cfrac%7Bx%7D%7BL_p%7D)

L_P%3D%5Csqrt%20%7BD_p%20%5Ctau%7D

样品足够厚时,B=0;样品厚度一定时,A和B表达式见式5-88

爱因斯坦关系式

%5Cfrac%7BD%7D%7B%5Cmu%7D%3D%5Cfrac%7Bk_0T%7D%7Bq%7D

八、连续性方程

%5Cfrac%7B%5Cpartial%20p%7D%7B%5Cpartial%20t%7D%3DD_p%20%5Cfrac%7B%5Cpartial%5E2%20p%7D%7B%5Cpartial%20x%5E2%7D-%5Cmu_pE%5Cfrac%7B%5Cpartial%20p%7D%7B%5Cpartial%20x%7D-%5Cmu_pp%5Cfrac%7B%5Cpartial%20E%7D%7B%5Cpartial%20x%7D-%5Cfrac%7B%5CDelta%20p%7D%7B%5Ctau%7D%2Bg_p

注:少数载流子为空穴的情况。

空穴的漂移距离 L_P(E)%3DE%5Cmu_p%5Ctau