4.1 半导体输运理论
考点一览:
- 连续性方程
- 电流密度方程
- 迁移运动
- 扩散运动
- 重组机制
- 扩散长度
- 德拜长度
- 介电弛豫时间
(低场)电流密度方程
J
⃗
h
=
p
e
μ
h
E
−
e
D
h
∇
p
\vec{J}_{h}=p e \mu_{h} E-e D_{h} \nabla p
Jh=peμhE−eDh∇p
J
⃗
e
=
n
e
μ
e
E
+
e
D
e
∇
n
\vec{J}_{e}=n e \mu_{e} E+e D_{e} \nabla n
Je=neμeE+eDe∇n
扩散长度
L
h
=
D
h
τ
h
L_{h}=\sqrt{D_{h} \tau_{h}}
Lh=Dhτh
L
e
=
D
e
τ
e
L_{e}=\sqrt{D_{e} \tau_{e}}
Le=Deτe
单位时间内空穴数(电子数同理)的变化
∂
p
∂
t
=
net number entering
unit time
+
number generated
unit time
+
number recombined
unit time
\frac{\partial p}{\partial t}=\frac{\text { net number entering }}{\text { unit time }}+\frac{\text { number generated }}{\text { unit time }}+\frac{\text { number recombined }}{\text { unit time }}
∂t∂p= unit time net number entering + unit time number generated + unit time number recombined
复合率与产生率
复合率
r
h
≡
number recombined
unit time
r_{h} \equiv \frac{\text { number recombined }}{\text { unit time }}
rh≡ unit time number recombined
产生率
g
h
≡
number generated
unit time
g_{h} \equiv \frac{\text { number generated }}{\text { unit time }}
gh≡ unit time number generated
载流子的连续性方程
∂
p
∂
t
=
−
1
e
∇
⋅
J
⃗
h
+
g
h
−
r
h
∂
n
∂
t
=
1
e
∇
⋅
J
⃗
e
+
g
e
−
r
e
\begin{array}{c} \frac{\partial p}{\partial t}=-\frac{1}{e} \nabla \cdot \vec{J}_{h}+g_{h}-r_{h} \\ \frac{\partial n}{\partial t}=\frac{1}{e} \nabla \cdot \vec{J}_{e}+g_{e}-r_{e} \end{array}
∂t∂p=−e1∇⋅Jh+gh−rh∂t∂n=e1∇⋅Je+ge−re
电场引起的漂移电流密度
J
⃗
driffe
=
n
e
u
e
E
⃗
J
⃗
driffh
=
p
e
μ
h
E
⃗
\begin{array}{l} \vec{J}_{\text {driffe}}=n e u_{e} \vec{E}\\ \vec{J}_{\text {driffh }}=p e \mu_{h} \vec{E} \end{array}
Jdriffe=neueEJdriffh =peμhE
掺杂材料的电导率
n掺杂
σ
=
n
e
μ
e
\sigma=n e \mu_{e}
σ=neμe
p掺杂
σ
=
p
e
μ
h
\sigma=p e \mu_{h}
σ=peμh
扩散电流与浓度梯度成正比
J
⃗
diffh
=
−
e
D
h
∇
p
\vec{J}_{\text {diffh }}=-e D_{h} \nabla_{p}
Jdiffh =−eDh∇p
J
⃗
diffe
=
e
D
e
∇
n
\vec{J}_{\text{diffe}}=e D_{e} \nabla n
Jdiffe=eDe∇n
扩散-迁移爱因斯坦关系式
条件:经典麦克斯韦-玻尔兹曼统计(M-B统计)
D
e
=
k
B
T
e
μ
e
D_{e}=\frac{k_{B} T}{e} \mu_{e}
De=ekBTμe
D
h
=
k
B
T
e
μ
h
D_{h}=\frac{k_{B} T}{e} \mu_{h}
Dh=ekBTμh
电流密度方程的通用形式
条件:M-B分布、低电场
J
⃗
e
=
n
e
μ
e
E
⃗
+
e
D
e
∇
n
\vec{J}_{e}=n e \mu_{e} \vec{E}+e D_{e} \nabla n
Je=neμeE+eDe∇n
J
⃗
h
=
p
e
μ
h
E
⃗
−
e
D
h
∇
p
\vec{J}_{h}=p e \mu_{h} \vec{E}-e D_{h} \nabla_{p}
Jh=peμhE−eDh∇p
注:一般情况下,电流密度方程与连续性方程要一起解
辐射复合
直接带隙半导体中的辐射复合,对LED和激光器至关重要。
辐射类型
- 自发辐射
- 受激辐射
载流子分布函数
f
e
=
n
N
c
exp
(
−
E
e
k
B
T
)
f_{e}=\frac{n}{N_{c}} \exp \left(-\frac{E_{e}}{k_{B} T}\right)
fe=Ncnexp(−kBTEe)
f
h
=
p
N
exp
(
E
h
k
B
T
)
f_{h}=\frac{p}{N} \exp \left(\frac{E_{h}}{k_{\mathrm{B}} T}\right)
fh=Npexp(kBTEh)
注:当
f
e
+
f
h
>
1
f_e+f_h>1
fe+fh>1时,产生激光
缺陷复合
在不完善的半导体中,在能隙深处可能存在由杂质或晶格缺陷引起的态。那些靠近中间隙的态是最重要的,因为它们必须耦合到导带和价带,这可以通过非辐射过程导致电子和空穴的复合。
俄歇复合(Auger复合)
俄歇复合的能量传递给剩余的多子(例如初始状态是两个电子和一个空穴,一个电子与空穴复合),而不是像辐射复合那样辐射光子。
结论
俄歇复合的速率与载流子浓度的三次方成正比。
稳态且无产生-复合的条件下的载流子浓度变化率
∂
Δ
n
∂
t
=
0
=
1
e
∇
⋅
J
e
−
Δ
n
τ
e
\frac{\partial \Delta n}{\partial t}=0=\frac{1}{e} \nabla \cdot J_{e}-\frac{\Delta n}{\tau_{e}}
∂t∂Δn=0=e1∇⋅Je−τeΔn
推导结果( J e = e D e ∇ n J_e=eD_e\nabla n Je=eDe∇n)
D
e
d
2
Δ
n
d
z
2
=
Δ
n
τ
e
D_{e} \frac{d^{2} \Delta n}{d z^{2}}=\frac{\Delta n}{\tau_{e}}
Dedz2d2Δn=τeΔn
Δ
n
(
z
)
=
Δ
n
(
0
)
exp
(
−
z
/
L
e
)
\Delta n(z)=\Delta n(0) \exp \left(-z / L_{e}\right)
Δn(z)=Δn(0)exp(−z/Le)
载流子的扩散长度
L e = D e τ e L h = D h τ h \begin{array}{c} L_{e}=\sqrt{D_{e} \tau_{e}} \\ L_{h}=\sqrt{D_{h} \tau_{h}} \end{array} Le=DeτeLh=Dhτh
德拜长度
定义
净结果-扩散效应“平滑”导致相关电子密度的特征长度的变化“平滑”的尺度。
条件
载流子处于经典统计的低占用数极限,即
f
e
<
<
1
且
f
h
<
<
1
f_e<<1且f_h<<1
fe<<1且fh<<1.
公式
L
D
e
=
ε
r
ε
o
k
B
T
n
e
2
L_{D_{e}}=\sqrt{\frac{\varepsilon_{r} \varepsilon_{o} k_{B} T}{n e^{2}}}
LDe=ne2εrεokBT
L
D
h
=
ε
r
ε
o
k
B
T
p
e
2
L_{D_{h}}=\sqrt{\frac{\varepsilon_{r} \varepsilon_{o} k_{B} T}{p e^{2}}}
LDh=pe2εrεokBT
根据泊松方程,电荷密度、电场和电压的变化都是指数形式,具有相同的特征长度(德拜长度)
净移动电荷密度
ρ
m
o
b
i
l
e
=
e
(
p
−
n
)
\rho_{mobile}=e(p-n)
ρmobile=e(p−n)
介电弛豫时间(与电导率成反比)
τ d = ε r ε o σ \tau_{d}=\frac{\varepsilon_{r} \varepsilon_{o}}{\sigma} τd=σεrεo
4.2 p-n结二极管
考点一览:
- 耗尽近似
- 正向电流
- 二极管中的其他电流
- 产生-复合效应
- 复合
- 光电流
- 隧道效应
二极管在光电子学中的三种应用
- 光电探测器
- 光辐射器(LED和激光)
- 调制器
p-n结
在两个半导体材料的界面,
- 一个掺入p型材料→价带附近或价带内的化学势
- 一个掺入n型材料→导带附近或导带内的化学势
平衡中化学势的恒等性
从基本热力学出发,化学势必须相等。
- 化学势恒等性保证了相同能量的状态在系统的不同部分的占有概率相同
- 相同能量状态之间没有净跃迁率
- 费米能级(化学势)必须相等
耗尽区的形成
由于N材料和P材料之间电子数的不平衡,电子从N材料扩散到P材料中,在N材料中留下一个净正电荷。在P材料中,电子将倾向于与空穴重新结合,减少P材料边缘附近的空穴数量,在P材料内部产生净负电荷。 类似地,对于扩散到N材料中的空穴。
内建电场阻止了电子和空穴在材料之间的迁移。
耗尽近似
在耗尽近似下,电荷中性要求耗尽区的电离施主与受主的总数相等。
电场下的能带倾斜
导带和价带的斜率大小为
∣
E
∣
|E|
∣E∣ev/单位距离
静止电荷的耗尽近似有效性
- 在计算耗尽区的场强和电压时,移动载流子密度可以忽略不计;
- 导电N区和P区之间的绝大多数电压降发生在自由载流子密度基本可以忽略不计的材料中;
- 在德拜长度上,移动电荷密度的变化与掺杂浓度有关;
pn同质结的耗尽近似
耗尽近似下同种材料中的P区和N区结的实际空间导带边缘和价带边缘:
此处需补上上节课的内容
耗尽电容&扩散电容
- 二极管中存在的两个重要电容:耗尽电容和扩散电容
耗尽层被视为介质平行板电容(在反偏中占主导地位)
扩散电容来自导电p区和n区的过量移动电荷的附加电容效应在正向偏置(低频)时扩散电容往往比耗尽电容占主导地位。
- 电容的形成
n区和p区导电形成电容,n区和p区被耗尽层(电容介质)隔开,耗尽区宽度为w,耗尽电容为
C
j
C_j
Cj
C
j
=
ε
r
ε
o
A
w
d
C_{j}=\frac{\varepsilon_{r} \varepsilon_{o} A}{w_{d}}
Cj=wdεrεoA
注意此处的A是相对的n区和p区面积。
- 扩散电容的特点
- 与耗尽区边缘的导电p区和n区中存储的电荷相关
- 改变结电压会改变扩散占优区域中的载流子的数量和分布
- 由于电荷随电压变化,因此存在有效电容
- 扩散电容的定量计算
注意
σ
e
p
\sigma_{ep}
σep与
σ
h
n
\sigma_{hn}
σhn一般不相等或互为相反数,这是因为两个区的掺杂浓度不同。因此对于电容性意义下的载流子流动,对于p型材料是
σ
e
p
\sigma_{ep}
σep,对于n型材料是
σ
h
n
\sigma_{hn}
σhn。考虑到一个结,
σ
e
p
\sigma_{ep}
σep是可忽略的,在任意给定电压下,
σ
h
n
\sigma_{hn}
σhn引入的电容贡献为:
C
d
=
d
Q
d
V
=
A
d
d
V
(
∣
σ
h
n
∣
)
C_{d}=\frac{d Q}{d V}=A \frac{d}{d V}\left(\left|\sigma_{h n}\right|\right)
Cd=dVdQ=AdVd(∣σhn∣)
- 偏置引入的影响
注意,在反向偏置中,电容很大程度上依赖于可忽略不计的电压,因为在正向偏置中,在高反向偏置时,导电p区和n区内部的“过剩”电子和空穴分布不随偏置而变化,它呈指数增长,完全控制耗尽电容。 一般而言,由于扩散现象不能足够快地平衡,它与频率相关,在时间尺度(高频)上减小,与少子寿命相比,这些时间尺度较短。
产生-复合电流
- 不存在静产生或静复合
对于任何复合机制,总有可能存在一个产生电子-空穴对的逆机制,因为在热平衡状态下,在产生和复合之间必须有一个平衡,所以没有净复合或产生。
- 寿命为 τ \tau τ的复合机制下的复合速率 r r r
r = n τ r=\frac{n}{\tau} r=τn(n为电子浓度)
- 热平衡条件下的复合速率
r therm.eq = n i τ r_{\text {therm.eq }}=\frac{n_{i}}{\tau} rtherm.eq =τni( n i n_i ni是半导体中电子的热平衡浓度)
- 热平衡条件下的生成速率
g
=
n
i
τ
g=\frac{n_{i}}{\tau}
g=τni(与复合速率相等)
复合电流
- 复合过程
二极管耗尽区内的复合给予每复合一个电子-空穴对一个电子电荷的正向电流。
- 低正向偏置条件
二极管的扩散电流与p区和n区导电区的复合有关,且明显发生于耗尽区外。在低正向偏置下,复合电流往往是主要的电流贡献。
- 耗尽区的产生复合速率为常数且等于最大值
光电二极管(光电流)
- 耗尽区中,光吸收产生的额外载流子>热产生的额外载流子
- 反偏条件下,每产生一个电子-空穴对就产生一个电子的反向电流
- 零偏或正偏条件下,载流子由于内建电场而漂移,在开路或电阻电路中产生反向短路电流或增大的正向偏压(可用于光伏操作)
4.3 实用二极管结构
PIN型二极管
- 将轻掺杂或未掺杂的本征或I区置于重掺杂的p、n区之间,I区选取得足够厚,以吸收几乎所有的入射光
- 漏电流较小
- 整个反向偏置的i区电场相对恒定
- 光产生速率随传播距离呈指数函数:
G
(
x
)
=
G
0
e
−
α
x
G(x)=G_0e^{-\alpha x}
G(x)=G0e−αx
异质结中的功函数与电子亲和势
电子亲和势
将电子从导带底带到真空能级所需的能量,记作
χ
f
\chi_{f}
χf。其与掺杂类型和密度无关。
功函数
电子亲和势是材料的本征性质,而功函数是非本征性质。
- 功函数大小与半导体中的掺杂有关:
对于p(n)掺杂的半导体,
ϕ
W
>
χ
f
\phi_W>\chi_f
ϕW>χf
对于非常重掺杂的半导体,费米能级在导带底以上,且
ϕ
W
<
χ
f
\phi_W<\chi_f
ϕW<χf
肖特基二极管
金属功函数的物理意义
ϕ
W
m
\phi_{Wm}
ϕWm表示在金属中以费米能级吸收电子并将其注入真空所需的能量。
无偏置情形 E F = E F e E_{F}=E_{Fe} EF=EFe
ϕ
b
n
\phi_{bn}
ϕbn是静电导致电子的势垒。
正向偏置情形 E F m < E F e E_{Fm}<E_{Fe} EFm<EFe
从半导体到金属流动的电子势垒(通过偏压)减小,产生电子从半导体到金属的正向电流。
反向偏置情形 E F m > E F e E_{Fm}>E_{Fe} EFm>EFe
势垒增大,电子流动减弱,从而电流减小。
肖特基二极管中的电流
I = I s m − I m s = ∫ q v z d n ⇒ I = I 0 ( exp ( q V a k B T ) − 1 ) I=I_{s m}-I_{m s}=\int q v_{z} d n \Rightarrow I=I_{0}\left(\exp \left(\frac{q V_{a}}{k_{B} T}\right)-1\right) I=Ism−Ims=∫qvzdn⇒I=I0(exp(kBTqVa)−1)