半导体物理与器件课件.ppt
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- 关 键 词:
- 半导体 物理 器件 课件
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1、半导体物理与器件5.2 载流子扩散载流子扩散q扩散定律扩散定律当载流子在空间存在当载流子在空间存在不均匀不均匀分布时,载流子将由高浓度区分布时,载流子将由高浓度区向低浓度区向低浓度区扩散扩散。扩散是通过载流子的扩散是通过载流子的热运动热运动实现的。由于热运动,不同区实现的。由于热运动,不同区域之间不断进行着载流子的交换,若载流子的分布不均匀,域之间不断进行着载流子的交换,若载流子的分布不均匀,这种交换就会使得分布均匀化,引起载流子在宏观上的运这种交换就会使得分布均匀化,引起载流子在宏观上的运动。因此扩散流的大小与载流子的动。因此扩散流的大小与载流子的不均匀性不均匀性相关,而与数相关,而与数量无
2、直接关系。量无直接关系。半导体物理与器件m无规则的热运动导致粒子向无规则的热运动导致粒子向各个方向各个方向运动的几率都运动的几率都相同相同。m平衡态:各处浓度相等,由于热运动导致的各区域内粒平衡态:各处浓度相等,由于热运动导致的各区域内粒子子交换交换的数量相同,表现为宏观区域内粒子数不变,即的数量相同,表现为宏观区域内粒子数不变,即统一的粒子浓度。统一的粒子浓度。m不均匀时:高浓度区域粒子向低浓度区域运动的平均粒不均匀时:高浓度区域粒子向低浓度区域运动的平均粒子数超过相反的过程,因而表现为粒子的净流动,从而子数超过相反的过程,因而表现为粒子的净流动,从而导致导致定向扩散定向扩散。m扩散与浓度的
3、不均匀有关,并且只与扩散与浓度的不均匀有关,并且只与不均匀不均匀有关,而与有关,而与总浓度无关。总浓度无关。例:例:类比:势能:只与相对值有关,而与绝对值无关。水坝类比:势能:只与相对值有关,而与绝对值无关。水坝势能只与落差有关,而与海拔无关。势能只与落差有关,而与海拔无关。10:820:18100:9810000:9998半导体物理与器件m粒子的扩散粒子的扩散空间分布不均匀(浓度梯度)空间分布不均匀(浓度梯度)无规则的热运动无规则的热运动m若粒子带电,则定向的扩散形成定向的电流:若粒子带电,则定向的扩散形成定向的电流:扩散电流扩散电流光照光照半导体物理与器件q 扩散粒子流密度:扩散粒子流密度
4、:F一维模型:粒子只能在一维方向上运动。一维模型:粒子只能在一维方向上运动。在某一截面两侧粒子的平均自由程在某一截面两侧粒子的平均自由程l(l=vth)范围内,由于热运动而穿过范围内,由于热运动而穿过截面的粒子数为该区域粒子数的截面的粒子数为该区域粒子数的1/2。扩散流密度:扩散流密度:单位时间单位时间通过扩散的方式通过扩散的方式流过垂直的流过垂直的单位截面积单位截面积的粒子数的粒子数111222thththFnl vnl vvnlnlxx+lx-l thdn xFlvdx 2l dn xdx 半导体物理与器件m扩散电流密度:扩散电流密度:对于带电粒子来说,粒子的扩散运动形成扩散电流。对于带电
5、粒子来说,粒子的扩散运动形成扩散电流。nnthndn xJeFelvdxdn xeDdx ppthpdp xJeFelvdxdp xeDdx n(+l)n(-l)n(0)浓度浓度电子流电子流电子电流电子电流x(-l)x(+l)xn(+l)n(-l)n(0)浓度浓度空穴流空穴流空穴电流空穴电流x(-l)x(+l)x扩散扩散系数系数半导体物理与器件q总电流密度总电流密度m半导体中四种独立的电流:电子的漂移及扩散电流;半导体中四种独立的电流:电子的漂移及扩散电流;空穴的漂移及扩散电流。空穴的漂移及扩散电流。m总电流密度为四者之和:总电流密度为四者之和:nxpxnpdndpJenEepEeDeDdxd
6、x漂移电流:相同漂移电流:相同的电场下,电子的电场下,电子电流与空穴电流电流与空穴电流的方向相同。的方向相同。扩散电流:相同的扩散电流:相同的浓度梯度下,电子浓度梯度下,电子电流与空穴电流的电流与空穴电流的方向相反。方向相反。在半导体中,电子和空穴的扩散系数分别与其迁移率有关在半导体中,电子和空穴的扩散系数分别与其迁移率有关半导体物理与器件5.3 杂质浓度分布与爱因斯坦关系杂质浓度分布与爱因斯坦关系前边讨论的都是均匀掺杂的半导体材料,在实际的半导体前边讨论的都是均匀掺杂的半导体材料,在实际的半导体器件中,经常有器件中,经常有非均匀掺杂非均匀掺杂的区域。的区域。热平衡状态下:非均匀掺杂将导致在空
7、间的各个位置杂质热平衡状态下:非均匀掺杂将导致在空间的各个位置杂质浓度不同,从而载流子浓度不同。形成的载流子浓度梯度浓度不同,从而载流子浓度不同。形成的载流子浓度梯度将产生扩散电流。并且由于局域的将产生扩散电流。并且由于局域的剩余电荷剩余电荷(杂质离子)(杂质离子)存在而产生存在而产生内建电场内建电场。内建电场形成的漂移电流与扩散电流方向内建电场形成的漂移电流与扩散电流方向相反相反,当达到,当达到动动态平衡态平衡时,两个电流相等,不表现出宏观电流,从而造成时,两个电流相等,不表现出宏观电流,从而造成了迁移率和扩散系数之间的关联:了迁移率和扩散系数之间的关联:爱因斯坦关系爱因斯坦关系。半导体物理
8、与器件q 缓变杂质分布引起的内建电场缓变杂质分布引起的内建电场热平衡状态的半导体材料费米能级保持为一个常数,因而非热平衡状态的半导体材料费米能级保持为一个常数,因而非均匀掺杂半导体不同位置均匀掺杂半导体不同位置E=Ec-EF不同。其能带结构如图不同。其能带结构如图所示:所示:热平衡状态下的均匀掺杂半导体热平衡状态下的均匀掺杂半导体ExEcEvEFiEFExEcEvEFiEF热平衡状态下的不均匀掺杂半导体热平衡状态下的不均匀掺杂半导体nxE半导体物理与器件多数载流子(电子)从浓度高的位置流向浓度低的位置,即多数载流子(电子)从浓度高的位置流向浓度低的位置,即电子沿着电子沿着x的方向流动,同时留下
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