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1、半导体材料的基本特性参数 基本特性参数 禁带宽度Eg临界雪崩击穿电场强度Et介电常数 载流子饱和速度Vs 载流子迁移率 载流子密度n p 少数载流子寿命 第一节迁移率 迁移率的定义载流子迁移率与器件特性载流子迁移率的影响因素 载流子迁移率的定义 载流子迁移率 自由载流子在单位电场作用下的平均漂移速度 弱电场下 为常数 强电场下 随电场增加而减小 载流子迁移率与器件特性 载流子迁移率 是决定半导体材料电阻率 大小的两个重要参数之一 电流承受能力和载流子迁移率有关双极器件pn结二极管为例 在外加电压U作用下 电流密度j满足肖克莱方程 载流子迁移率与扩散系数的关系爱因斯坦关系 在确定温度下 扩散系数
2、的大小有迁移率唯一决定 载流子迁移率与器件的工作频率双极晶体管频率响应特性最重要的限制 是少数载流子渡越基区的时间 载流子迁移率大小的影响因素 散射对载流子的迁移率具有重要影响主要的散射机构有 晶格振动散射 电离杂质散射 载流子之间的散射等体材料中载流子散射以及表面散射 晶格振动的散射用电子和声子相互作用来描述 在轻参杂时 占主导地位 载流子被晶格散射过程 可以是吸收或发射声学声子 也可以是吸收或发射光学声子 两个常用的经验公式电子迁移率 空穴迁移率 电离杂质的散射半导体的杂质 电离后以静电力对运动于附近的电子和空穴产生散射作用 低温重掺杂时起主要作用完全由电离杂质散射决定载流子迁移率大小时
3、迁移率与温度和电离杂质的浓度呈下列关系 载流子之间的散射载流子对载流子的散射是运动着的多个电荷环绕其公共质心的相互散射 相同极性载流子散射对迁移率没有影响或很小 相反极性的载流子之间的散射可以使双方动量的弛豫 使迁移率下降 只考虑载流子散射作用的载流子迁移率 强电场作用下的载流子散射弱电场下 为常数 强电场下 随电场增加而减小强电场下载流子漂移速度偏离弱场规律 主要有两种表现 速度饱和效应负微分迁移率现象 迁移率与外场的关系 为电子与晶格处于热平衡时的迁移率 为热电子的迁移率 u为格波传播的速度 漂移速度的表示 弱电场下 Vd uE强电场下 以声学声子交换能量时 更强的电场下 以光学声子交换能
4、量时 速度饱和效应的物理解释 当电场足够强时 电子在单位时间内能量高 和晶格进行能量交换时发射光学声子 这样载流子能量因发射声子而使其漂移速度趋于饱和 负微分迁移效应由于电子的不等价能谷间转移形成的 热电子有主能谷跃迁到能量较高的自能谷 子能谷的迁移率较低 如果迁移电子数量较多 平均的漂移速度会降低 表面散射及表面迁移率表面散射 各种与表面相关联的因素对载流子迁移率的附加影响 越靠近表面 影响越大 对电子影响大于空穴 第二节载流子密度和电阻率 材料电阻率和器件特性载流子数量统计和来源载流子密度的决定因素禁带窄化 第二节载流子密度和电阻率 由上式可知 与掺杂浓度密切相关 可作为半导体纯度的反映
5、材料电阻率与器件击穿电压 功率器件的击穿电压主要决定于本底材料电阻率 功率器件的击穿是指承受反向偏压的pn结的雪崩击穿 器件击穿 雪崩击穿 高电压击穿 条件 足够高U和适当的WK 器件穿通若pn结轻参杂层设计的不够宽 以至雪崩击穿尚未发生而空间电荷区已扩展到与电极相接 则器件先于击穿的发生而失去阻断能力 这种现象称为穿通 载流子统计 简并半导体的载流子密度统计 载流子来源 本征载流子 是指把价带中的一个电子激发到导带 同时产生一个电子和一个空穴本征激发主要有热激发和光激发掺杂载流子 在半导体中掺入具有恰当化合价的杂质原子 n型掺杂和p型掺杂 注入载流子 光注入和电注入 禁带窄化 本征或轻掺杂半
6、导体中 导带 价带 禁带之间界限清晰 重掺杂 杂质原子百分比 1 1000 时 会出现禁带窄化效应 杂质原子近距减小 相互作用增强 能带出现杂化 能级分裂成能带 问题讨论 爱因斯坦关系中 扩散系数D 载流子的扩散 载流子饱和速度公式 电阻率与击穿电压的关系 雪崩击穿电压与轻参杂的n型材料的电阻率关系 其中因子m和幂指数n对不同的器件制造工艺和材料电阻率略有些变化 第三节少数载流子寿命 载流子寿命的概念少数载流子寿命与器件特性载流子的复合及复合寿命 载流子寿命的概念是半导体从载流子密度不平衡状态恢复到热平衡状态的弛豫过程所需时间的量度 一般情况下额外载流子的注入和抽取对少数载流子的密度影响很大
7、热平衡的恢复主要是少数载流子热平衡的恢复 所以 总被称作少数载流子寿命 少子寿命与器件特性 半导体器件工作过程中 同时存在载流子漂移 扩散 复合 漂移 电场力的作用 外加或内建电场 扩散 载流子浓度梯度 与少子寿命相关的器件特性 阻断特性 开关特性 导通特性等 少子寿命与阻断特性 耗尽近似的空间电荷区是阻断作用的主功能区 是不稳定的非平衡态 其恢复平衡态的趋势的强弱 用少子寿命 衡量 影响阻断特性 由反向扩散电流 越大 反向扩散电流越小 阻断特性越好对单边突变结反向扩散电流 少子寿命与导通特性 少子寿命对导通特性的影响 主要是双极器件 少子的电导调制使器件具有低的电阻和高的电流控制能力 器件的
8、通态压降由上式可知 越长 电导调制越强 少子寿命与开关特性 主要是对于依靠少子输运的双极器件而言的 输运载流子的结区积聚效应 反抽作用 少子寿命与光电器件的特性 太阳能之类的光生器件靠光生载流子输运 故 越长 光电特性越好 少子寿命优选 开关特性要求 小 阻断特性 导通特性和光电池要求 大 故应根据器件特性 进行优选 优选少子寿命 主要是是指选择合适的复合中心 即杂质或缺陷中心的能级 非平衡载流子的复合机制 直接复合 直接在导带与价带之间的复合 间接复合 通过禁带中的复合中心的复合 表面复合 发生在表面的复合 复合过程中的能量转移 发射光子 即辐射复合 发射声子 能量传递给晶格振动 多声子复合 激发另外的电子或空穴 即俄歇复合 直接复合寿命 直接禁带复合快于间接禁带 直接禁带型半导体材料的价带顶空穴和导带底电子之间无动量差 它们越过禁带直接复合无需借助声子保持动量平衡 所以直接复合型半导体比间接禁带型半导体的直接复合系数B大得多 直接复合寿命 寿命 其中 B为直接辐射复合系数 间接复合寿命 俄歇复合寿命 小注入的俄歇复合寿命 多种复合共同作用的寿命 不可能只有一种机构独立作用 即使多种机构共存 往往只有一种其主要作用
