Неравновесные носители заряда в полупроводниках

Факторы, создающие неравновесное состояние

Неоднородный нагрев
Освещение
Механические напряжения
Корпускулярные потоки
Электрические поля большой напряженности
Инжекция носителей

Оптическая генерация носителей тока

n' = (n + Δn)
р' =

Скорость рекомбинации неравновесных носителей δ
Время жизни неравновесных носителей тока τ
τ =

Полная концентрация свободных электронов

n' = n + Δn =

Pw –

Уровень Ферми в собственном полупроводнике

Wc

Wv

Уровень Ферми в собственном полупроводнике в неравновесных условиях

Wc

Wv

Вид функции распределения

fF-D

Вид функции распределения

PW

Вид функции плотности состояний

W
Wf

Wc

WV

Распеделение электронов и дырок

W
Wf

Wc

WV

n

p

n’

p’

Спектры поглощения и фотопроводимости

поглощение

фотопроводимость

Спектры поглощения и фотопроводимости

Спектры поглощения и фотопроводимости

1

Спектры поглощения и фотопроводимости

1

Представление об экситоне

Спектр поглощения экситона

Eg

GaAs, 1,2 K

n=1

n=2

n=3

Спектры поглощения и фотопроводимости

1

1

λ

1

5

λ

1

5

λ

6

Движение носителей тока

Диффузия – движение носителей тока, являющееся следствием разности

УРАВНЕНИЕ НЕПРЕРЫВНОСТИ

g – скорость генерации электронов,
Ie- поток электронов, протекающий через

Первое и второе уравнения Фика:

D – коэффициент диффузии (м2·с-1)

Соотношение Эйнштейна:

При диффузии с коэффициентом De носители тока (электроны) за время

время

n

n0

освещение

nст

ПОДВИЖНОСТЬ

μ = V / E;
μ – подвижность см2/ В.с.

Рассеяние энергии носителей тока

1. Рассеяние на тепловых колебаниях решётки

ElП2 – квадрат смещения дна зоны проводимости при единичной деформации,
CII - упругая

2. Рассеяние на заряженных примесях (дефектах)

σ- эффективное сечение рассеяния
θ -

NП – концентрация рассеивающей примеси

Для вырожденных полупроводников
(Ом·см)

Правило аддитивности

3. Рассеяние на нейтральных примесях и структурных дефектах кристалла

Для нейтральных

Зависимость подвижности электронов от температуры в InSb

узкозонный полупроводник (Wg = 0,18

Диффузия и дрейф неравновесных основных носителей в случае монополярной проводимости

Х

Δ

Lэ
длина экранирования
или
толщина дебаевского слоя

Диффузия и дрейф неосновных носителей тока

p-тип
Δn

LD - диффузионная длина.

Диффузионная длина LD - расстояние, на которое диффузионно перемещаются неосновные носители

При наложении эл.поля Е

Если vДР >> vДИФ, то спад концентрации Δn

если скорости диффузии и дрейфа противоположно направлены, то длина затягивания оказывается

Поверхностные явления

Обрыв решетки – новые разрешенные уровни (поверхностные, уровни Тамма)

N -

Поверхностные явления

N - тип

Wi

Поверхностные явления

Wi - энергия середины запрещенной зоны

Поверхностные явления

1. Обеднение. На поверхности заряд совпадающий с основными носителями, но

Электрические переходы

Электрические переходы

Два полупроводника, одинаковой природы, но с разными типами проводимости (p-n

Образование p-n перехода

p-тип

n-тип

p-тип

WF

n-тип

n-тип

p-тип

WF

n-тип

n-тип

p-тип

WF

n-тип

n-тип

p-тип

WF

n-тип

Свойства p-n перехода

n-тип

p-тип

WF

d

ND=NA

nn

n - часть

p - часть

pn

pp

np

d

dn

dp

металлургическая граница

nn

ND>NA

nn

n+ - часть

p - часть

pn

pp

np

d

dn

dp

металлургическая граница

nn

Свойства p-n перехода

n-тип

p-тип

WF

d

Зависимость ϕк от уровня легирования областей p-n перехода (Si, Т=300 К)

Зависимость ϕк от температуры

ND·NA=1028

ND·NA=1032

ϕk, эВ

Свойства p-n перехода

Прямое напряжение

WF

- +

Свойства p-n перехода

Обратное напряжение

WF

+ -

U

-

+

р

n

Барьерная ёмкость

ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

- коэффициент инъекции для электронов  

- коэффициент инъекции для дырок

 
рp и nn - концентрации дырок в р-области и электронов в

МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ p-n ПЕРЕХОДА

ВИДЫ p-n ПЕРЕХОДА

х

ND-NA

МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ p-n ПЕРЕХОДА

1. При выращивании монокристаллов

изменение скорости роста

МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ p-n ПЕРЕХОДА

1. Контакт с металлом

Выпрямляющий (в области контакта образуется

МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ p-n ПЕРЕХОДА

1. Контакт с металлом

Работа выхода электрона - А

полупроводник

металл

МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ p-n ПЕРЕХОДА

1. Контакт с металлом

Работа выхода электрона - А

АМ>АП

МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ p-n ПЕРЕХОДА

1. Контакт с металлом

WF

WV

WC

N - тип

Металл

МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ p-n ПЕРЕХОДА

Омический контакт

WF

WV

WC

N - тип

Металл

АМ>АП

МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ p-n ПЕРЕХОДА

1. Контакт с металлом

МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ p-n ПЕРЕХОДА

3. Сплавные

МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ p-n ПЕРЕХОДА

3. Сплавные

МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ p-n ПЕРЕХОДА

3. Сплавные

Недостатки сплавного метода:

плохая воспроизводимость
трудность регулировки

МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ p-n ПЕРЕХОДА

4. Диффузионные

МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ p-n ПЕРЕХОДА

4. Диффузионные

П\п пластина

МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ p-n ПЕРЕХОДА

4. Диффузионные

Достоинства диффузионных методов:

малые (до 0,001 мм2)

МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ p-n ПЕРЕХОДА

4. Диффузионные

С

х

МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ p-n ПЕРЕХОДА

4. Диффузионные

С

х

p

n

NA

n

МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ p-n ПЕРЕХОДА

4. Планарная технология

n

n

p

p

МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ p-n ПЕРЕХОДА

4. Планарная технология

МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ p-n ПЕРЕХОДА

4. Планарная технология

P - Si

SiO2

фоторезист

МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ p-n ПЕРЕХОДА

4. Планарная технология

P - Si

SiO2

МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ p-n ПЕРЕХОДА

4. Планарная технология

P - Si

SiO2

n - Si

МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ p-n ПЕРЕХОДА

5. Эпитаксиальные пленки