半导体物理5

电子有效质量：*==⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛nk m dk E d 11022能带极值附近电子速度：*=nm kv 浅能级杂质电离能的简单计算：()20*2204*42r n r n D E m m qm E εεπε==∆()20*2204*42r p r p A E m m qm E εεπε==∆硅、锗的相对介电常数r ε分别为16和12；锗0*12.0m m n =，硅0*26.0m m n =导带底的状态密度：2/132/3*2)()2(2)(c nc E E m V E g -= π 硅0*062.1m m n =，锗0*56.0m m n =价带顶的状态密度：2/132/3*2)()2(2)(E E m V E g v p v -=π 硅0*59.0m m p =，锗0*29.0m m n =费米分布函数（对于能量为E 的一个量子态被电子占据的概率）：()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=Tk E E E f Fexp 11玻耳兹曼分布函数（适用范围，T k E E F 0>>-）：()⎪⎪⎭⎫⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=T k E T k E Tk E E E f F FB 000exp exp exp 导带中的电子浓度：⎪⎪⎭⎫⎝⎛--=Tk E E N n Fc c 00exp()32/30*22hT k m N n cπ=价带中的空穴浓度：⎪⎪⎭⎫⎝⎛--=T k E E N p v F v 00exp()32/30*22hT k m N p vπ=本征半导体， 费米能级：**0ln 432npv c F i m m T k E E E E ++==载流子浓度：()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-===T k E N N p n n g v c i 02/1002exp“单”杂质半导体，电子（空穴）占据施主（受主）能级的概率：()⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+=T k E E g E f F D D D 0exp 111()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=T k E E g E f A F A A 0exp 111施主（受主）能级上电子（空穴）浓度：()⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+==T k E E g N E f N n F D D DD D D 0exp 11()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+==T k E E g N E f N p AF A AA A A 0exp 11电离施主（受主）浓度：()[]⎪⎪⎭⎫⎝⎛--+=-=+Tk E E g N E f N n FD D DD D D 0exp 11()[]⎪⎪⎭⎫⎝⎛--+=-=-T k E E g N E f N p A F A AA A A 0exp 11n 型p 型电中性方程：00p n n D +=+00n p p A +=-弱电离区cD D c F N NT k E E E 2ln 220++=cD v A F N NT k E E E 4ln 220-+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--⎪⎭⎫⎝⎛=T k E E N N n D c D c 02/102exp 2⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--⎪⎭⎫ ⎝⎛=T k E E N N n v A v A 02/102exp 4强电离区cDc F N N T k E E ln0+=vAv F N N T k E E ln0-= D N n =0，D D N D n -=A N p =0，A A N D p +=过渡区⎪⎪⎭⎫⎝⎛+=i D i F n N T k E E 2arcsh 0⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=i A i F n N T k E E 2sh 1-0()242/1220i D D n N N n ++=()242/1220i A A n N N p ++=在有杂质补偿情况下，n 型 p 型极低温情况下⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+=A A D D F N N N T k E E 2ln 0⎪⎪⎭⎫⎝⎛--=D D A A F N N N T k E E 4ln 0()⎪⎪⎭⎫⎝⎛∆--=T k E N N N N n D Ac A D 00exp 2()⎪⎪⎭⎫⎝⎛∆--=T k E N N N N n A Dv D A 00exp 4低温下，与“单”杂质半导体低温下弱电离相同 强电离，以A D D N N N -=D A A N N N -=当A D N N -（或D A N N -）与i n 相近时，D A N p N n +=+00（或A D N p N n +=+00）()()[]⎪⎪⎭⎫⎝⎛+-+-+=i i A D A Di F n n N N N N T k E E 24ln 2/1220()()[]⎪⎪⎭⎫⎝⎛+-+--=i i D A D Ai F n n N N N N T k E E 24ln 2/1220 ()[]2422/1220iA D A D n N N N N n +-+-=()[]2422/1220iD A D A nN N N N p +-+-=载流子的漂移运动d v nq J -=，E J σ=，E v d μ=迁移率：Edv =μ 电导率：E nq J μ=，μσnq =半导体电导率：p n pq nq μμσ+=半导体的主要散射机构：1.电离杂质散射 （散射概率）2/3-∝T N P i i 2.晶格震动散射（声学波散射）2/3T P s ∝（光学波散射）1011ex p -⎥⎦⎤⎢⎣⎡-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∝T k P o ω平均自由时间： P1=τ电子、空穴迁移率：*nnn m q τμ=，*p p p m q τμ=存在多种散射机构时：⋅⋅⋅+++=IIIII I1111ττττ，⋅⋅⋅+++=III II I 1111P P P P 随非平衡载流子注入产生的附加电导率：()n p pq μμσ+∆=∆单位时间单位体积内净复合消失的电子—空穴对数称为非平衡载流子的复合率。

第五章习题1. 在一个n 型半导体样品中，过剩空穴浓度为1013cm -3, 空穴的寿命为100us 。

计算空穴的复合率。

2. 用强光照射n 型样品，假定光被均匀地吸收，产生过剩载流子，产生率为,空穴寿命为τ。

（1）写出光照下过剩载流子所满足的方程； （2）求出光照下达到稳定状态时的过载流子浓度。

3. 有一块n 型硅样品，寿命是1us ，无光照时电阻率是10Ω•cm 。

今用光照射该样品，光被半导体均匀的吸收，电子-空穴对的产生率是1022cm -3•s-1,试计算光照下样品的电阻率，并求电导中少数在流子的贡献占多大比例？s cm pU s cm p Up3171010010313/10U 100,/10613==∆=====∆-⨯∆-ττμτ得：解：根据？求：已知：τττττg p g p dtp d g Aet p g p dt p d L L tL=∆∴=+∆-∴=∆+=∆+∆-=∆∴-.00)2()(达到稳定状态时，方程的通解：梯度，无飘移。

解：均匀吸收，无浓度4. 一块半导体材料的寿命τ=10us ，光照在材料中会产生非平衡载流子，试求光照突然停止20us 后，其中非平衡载流子将衰减到原来的百分之几？5. n 型硅中，掺杂浓度N D =1016cm -3, 光注入的非平衡载流子浓度∆n=∆p=1014cm -3。

计算无光照和有光照的电导率。

cms pq nq q p q n pq np cm q p q n cm g n p g p pn p n p n pn L /06.396.21.0500106.1101350106.11010.0:101:1010100.1916191600'000316622=+=⨯⨯⨯+⨯⨯⨯+=∆+∆++=+=Ω=+==⨯==∆=∆=+∆-----μμμμμμσμμρττ光照后光照前光照达到稳定态后%2606.38.006.3500106.1109.,..32.01191610''==⨯⨯⨯=∆∴∆>∆Ω==-σσρpu p p p p cm 的贡献主要是所以少子对电导的贡献献少数载流子对电导的贡 。

§5.2 复合理论（续）三、表面复合1、表面复合速度表面复合是指发生在半导体表面，通过表面特有的高密度复合中心进行的复合过程。

因而，就复合机构讲，表面复合仍然是间接复合，但不是单一复合中心。

所以，可以用间接复合理论来处理表面复合问题，但不能照搬SRH 模型的结果。

类似于前面对间接复合过程的讨论，将表面复合看成是一种小注入状态下的非常有效的复合过程，把单位时间内通过单位表面积复合掉的电子－空穴对数，称为表面复合率，其值可表示为S S ST T S ST S S p S p N v p N r U ∆⋅=∆=∆=σ式中，N ST 表示单位表面积中的复合中心总数，∆p S 表示表面附近薄层中额外载流子的平均密度，S =σ v T N ST 具有速度量纲，称为表面复合速度，由此可将表面复合视为额外载流子∆p S 以垂直于表面的速度S 流出了表面。

2、考虑表面复合的有效寿命考虑到表面复合的作用，半导体样品中额外载流子寿命应是体内复合和表面复合的综合结果。

设这两种复合过程是同时独立发生的，用τV 和τS 分别表示体内复合寿命和表面复合寿命，则1/τV 和1/τS 就分别是体内复合概率和表面复合概率，总的复合概率就是二者之和，于是，两种复合过程共同决定的少子寿命)/(V S V S τττττ+=称之为考虑表面复合的有效寿命。

考虑厚度为d 的薄样品，若同时计入体内复合和表面复合，则单位时间、单位面积样品中复合的额外载流子数应为 d ⋅∆p /τV +2S ⋅∆p 。

式中第二项乘2表示考虑两个表面的复合。

这样，除以d 即可得到考虑了表面复合作用的净复合率ττ/)/2/1(p d S p U V ∆=+∆=由此知额外载流子的表面复合寿命τS ＝d/2S四、俄歇复合电子与空穴复合时，把多余的能量传递给另一个载流子，将这个载流子激发到能量更高的能级上去，这种复合称为俄歇复合。

俄歇复合中，被激发的第3个载流子在跃迁回到低能级时，或以发射声子的形式放出多余的能量，或激发一个价带电子到导带，因而俄歇复合是一种非辐射复合。

第5章 非平衡载流子1. 一个n 型半导体样品的额外空穴密度为1013cm -3，已知空穴寿命为100μs ，计算空穴的复合率。

解：复合率为单位时间单位体积内因复合而消失的电子-空穴对数，因此1317306101010010U cm s ρτ--===⋅⨯ 2. 用强光照射n 型样品，假定光被均匀吸收，产生额外载流子，产生率为g p ，空穴寿命为τ，请①写出光照开始阶段额外载流子密度随时间变化所满足的方程； ②求出光照下达到稳定状态时的额外载流子密度。

解：⑴光照下，额外载流子密度∆n =∆p ，其值在光照的开始阶段随时间的变化决定于产生和复合两种过程，因此，额外载流子密度随时间变化所满足的方程由产生率g p 和复合率U 的代数和构成，即()p d p pg dt τ=-⑵稳定时额外载流子密度不再随时间变化，即()0d p dt=，于是由上式得0p p p p g τ∆=-=3. 有一块n 型硅样品，额外载流子寿命是1μs ，无光照时的电阻率是10Ω⋅cm 。

今用光照射该样品，光被半导体均匀吸收，电子-空穴对的产生率是1022/cm 3⋅s ，试计算光照下样品的电阻率，并求电导中少数载流子的贡献占多大比例？解：光照被均匀吸收后产生的稳定额外载流子密度226163101010 cm p p n g τ-∆=∆==⨯=－取21350/()n cm V s μ=⋅，2500/()p cm V s μ=⋅，则额外载流子对电导率的贡献1619()10 1.610(1350500) 2.96 s/cm n p pq σμμ-=∆+=⨯⨯⨯+=无光照时0010.1/s cm σρ==，因而光照下的电导率0 2.960.1 3.06/s cm σσσ=+=+=相应的电阻率 110.333.06cm ρσ===Ω⋅少数载流子对电导的贡献为：p p p p q p pq pq g σμμτμ=≈=代入数据：16190()10 1.6105000.8/p p p p p q pq s cm σμμ-=+∆≈∆=⨯⨯⨯=∴00.80.26263.06p σσσ===+﹪ 即光电导中少数载流子的贡献为26﹪4.一块半导体样品的额外载流子寿命τ =10μs ，今用光照在其中产生非平衡载流子，问光照突然停止后的20μs 时刻其额外载流子密度衰减到原来的百分之几？解：已知光照停止后额外载流子密度的衰减规律为0()tP t p e τ-=因此光照停止后任意时刻额外载流子密度与光照停止时的初始密度之比即为()t P t e P τ-= 当520210t s s μ-==⨯时202100(20)0.13513.5P e e P --====﹪ 5. 光照在掺杂浓度为1016cm -3的n 型硅中产生的额外载流子密度为∆n=∆p= 1016cm -3。

半导体物理第五章课后答案吕淑媛1、下列有关力做功的说法中正确的是（）[单选题]A.用水平力推着购物车前进，推车的力做了功(正确答案)B.把水桶从地面上提起来，提水桶的力没有做功C.书静止在水平桌面上，书受到的支持力做了功D.挂钩上的书包静止时，书包受到的拉力做了功2、9．如图所示，保持钢尺伸出桌边的长度相同，用大小不同的力拨动，钢尺发出的声音（）[单选题] *A．响度不同(正确答案)B．音调不同C．音色不同D．速度不同3、3．击剑比赛、体操比赛中运动员可视为质点．[判断题] *对错(正确答案)4、31．在炎热的夏天，下列能有效降低室内气温的办法是（）[单选题] *A．关闭门窗，不让外界的热空气进来B．在地上洒一些水(正确答案)C．打开电风扇D．打开电冰箱的门，散出冷空气5、1．公式v2－v02＝2ax适用于任何直线运动．[判断题] *对错(正确答案)6、水平桌面上的文具盒在水平方向的拉力作用下，沿拉力的方向移动一段距离，则下列判断正确的是（）[单选题]A．文具盒所受拉力做了功(正确答案)B．文具盒所受支持力做了功C．文具盒所受重力做了功D．没有力对文具盒做功7、我们知道X射线是一种高频率的电磁波，所以X射线的波长短[判断题] *对(正确答案)错答案解析：波速等于波长乘以频率，真空中波速一定，频率高，波长短8、下列物体中,质量约为2×105mg的是（）[单选题] *A. 一颗图钉B. 一本初二物理课本(正确答案)C. 一张课桌D. 一支黑水笔9、69．两种不同材料制成的大小相同的实心球甲、乙，在天平右盘中放入4个甲球，在左盘中放入5个乙球，这时天平刚好平衡，且游码没有移动，则可知（）[单选题] *A．甲球和乙球质量之比为5：1B．甲球和乙球质量之比为4：5C．甲球和乙球密度之比为5：4(正确答案)D．甲球和乙球密度之比为4：510、2．物体的加速度a＝0，则物体一定处于静止状态．[判断题] *对错(正确答案)11、用如图所示的装置做“探究小车速度随时间变化的规律”实验：1．小车从靠近定滑轮处释放．[判断题] *对错(正确答案)12、78．有体积和质量都相同的铁球、铜球和铅球各一个，已知ρ铁＝8×103kg/m3，ρ铜＝9×103kg/m3，ρ铅＝3×103kg/m3。

第五篇 题解-非平衡载流子刘诺 编5-1、何谓非平衡载流子？非平衡状态与平衡状态的差异何在？解：半导体处于非平衡态时，附加的产生率使载流子浓度超过热平衡载流子浓度，额外产生的这部分载流子就是非平衡载流子。

通常所指的非平衡载流子是指非平衡少子。

热平衡状态下半导体的载流子浓度是一定的，产生与复合处于动态平衡状态 ，跃迁引起的产生、复合不会产生宏观效应。

在非平衡状态下，额外的产生、复合效应会在宏观现象中体现出来。

5-2、漂移运动和扩散运动有什么不同？解：漂移运动是载流子在外电场的作用下发生的定向运动，而扩散运动是由于浓度分布不均匀导致载流子从浓度高的地方向浓度底的方向的定向运动。

前者的推动力是外电场，后者的推动力则是载流子的分布引起的。

5-3、漂移运动与扩散运动之间有什么联系？非简并半导体的迁移率与扩散系数之间有什么联系？解：漂移运动与扩散运动之间通过迁移率与扩散系数相联系。

而非简并半导体的迁移率与扩散系数则通过爱因斯坦关系相联系，二者的比值与温度成反比关系。

即T k q D 0=μ 5-4、平均自由程与扩散长度有何不同？平均自由时间与非平衡载流子的寿命又有何不同？答：平均自由程是在连续两次散射之间载流子自由运动的平均路程。

而扩散长度则是非平衡载流子深入样品的平均距离。

它们的不同之处在于平均自由程由散射决定，而扩散长度由扩散系数和材料的寿命来决定。

平均自由时间是载流子连续两次散射平均所需的自由时间，非平衡载流子的寿命是指非平衡载流子的平均生存时间。

前者与散射有关，散射越弱，平均自由时间越长；后者由复合几率决定，它与复合几率成反比关系。

5-5、证明非平衡载流子的寿命满足()τte p t p -∆=∆0，并说明式中各项的物理意义。

证明：()[]ppdt t p d τ∆=∆-=非平衡载流子数而在单位时间内复合的子的减少数单位时间内非平衡载流时刻撤除光照如果在0=t则在单位时间内减少的非平衡载流子数=在单位时间内复合的非平衡载流子数，即()[]()1−→−∆=∆-pp dt t p d τ在小注入条件下，τ为常数，解方程（1），得到()()()20−→−∆=∆-p te p t p τ式中，Δp （0）为t=0时刻的非平衡载流子浓度。