- •Раздел 1. Классификация твердых тел. Электронная теория Друде-Лоренца.
- •Раздел 2. Электронные состояния и движение электронов в идеальном кристалле.
- •Раздел 3. Электронные состояния в реальном кристалле
- •Раздел 4. Статистика равновесных носителей заряда
- •Раздел 5. Неравновесные электронные процессы в полупроводниках
- •Раздел 6. Диффузия и дрейф неравновесных носителей заряда
- •Раздел 7. Контактные явления
- •Раздел 1. Классификация твердых тел. Электронная теория Друде-Лоренца.
- •Классификация по свойствам.
- •Полупроводники и диэлектрики.
- •Классификация неметаллических кристаллов по химической связи.
- •Классификация по зонной структуре (энергетическому спектру) и симметрии кристаллических решеток.
- •1.2. Электронная теория Друде-Лоренца. Основы классической теории электропроводности. Теория Друде – Лоренца.
- •Раздел 2. Электронные состояния и движение электронов в идеальном кристалле.
- •2.1 Одноэлектронное уравнение Шредингера для кристалла. Одноэлектронная волновая функция Блоха.
- •Зонные модели металлов, диэлектриков, полупроводников.
- •2.2 Методы расчета электронных энергетических состояний в твердых телах. Приближения свободных и сильносвязанных электронов. Энергетическая диаграмма металлов.
- •Энергетическая диаграмма диэлектриков и п/п.
- •Электропроводность в твердых телах. Носители заряда. Подвижность.
- •Дрейфовая подвижность μd.
- •Удельная электропроводность твердого тела. (σ) Биполярная проводимость.
- •Электропроводность чистых (собственных) и легированных (примесных) полупроводников.
- •Уравнение Шредингера для электронной подсистемы кристалла.
- •Одноэлектронное приближение. Метод самосогласованного поля.
- •Одноэлектронная волновая функция ψ(r)
- •Условие трансляции.
- •Приближение сильносвязанных электронов (псэ)
- •Блоховская волновая функция в псэ.
- •Решение уравнения Шредингера в псэ.
- •Закон дисперсии e(k) в методах псэ.
- •Интеграл перекрытия волновой функции.
- •Применение метода псэ для расчёта e(k) для конкретных решеток.
- •Плотность состояний в разрешенной зоне кристалла конечных размеров. Дискретность волнового вектора электрона в кристалле.
- •Квазиимпульс ( ) электрона в периодическом поле кристалла
- •2.3 Зонная структура твердых тел. Зоны Бриллюэна для кубических и генксагональных кристаллов. Зоны Бриллюэна
- •2.4 Эффективная масса электрона в кристалле, её связь со структурой энергетических зон. Понятие дырки. Динамика электрона в периодическом поле изитропных и анизотропных кристаллов.
- •Анизотропный и изотропный квадратичные законы дисперсии
- •Поверхности равной энергии
- •Ускорение электрона в кристалле
- •Физический смысл понятия эффективной массы
- •2.5 Зонная структура типичных металлов, полупроводников, полуметаллов, бесщелевых полупроводников и диэлектриков.
- •Вырождение валентной зоны
- •Сечение изоэнергитических поверхностей при вырождении зон
- •Кристаллы с центром инверсии
- •Кристаллы без центра инверсии
- •Зонная структура элементарных полупроводников ( )
- •Зонная структура п/п соединений: арсенида и фосфида галлия Арсенид галлия
- •Фосфид галлия
- •2.6 Размерное квантование энергии электронов и дырок в полупроводниках. Квантоворазмерные структуры с низкоразмерным электронным газом.
- •Общая схема зоны для гексагональных кристаллов
- •Раздел 3. Электронные состояния в реальном кристалле
- •3.1 Уравнение Шредингера реального кристалла. Метод эффективной массы. Локализованные состояния. Водородоподобные примеси и экситоны.
- •3.2 Глубокие примесные центры. Изоэлектронные примеси. Электрически неактивные примеси. Амфотерные примеси.
- •3.3 Примесные состояния в низкоразмерных структурах.. Поверхностные электронные состояния.
- •Метод эффективной массы
- •3.2 Глубокие примесные центры. Изоэлектронные примеси. Электрически неактивные примеси. Амфотерные примеси. Примесные состояния в твердых телах
- •Примесные зоны. Проводимость по примесным зонам
- •3.3 Примесные состояния в низкоразмерных структурах.. Поверхностные электронные состояния. Донорно-акцепторные пары
- •Глубокие примесные центры (гц)
- •Тройной акцептор в Ge
- •Изоэлектронные примеси
- •Азот в фосфите галлия
- •Электрически нейтральные примеси
- •Раздел 4. Статистика равновесных носителей заряда
- •Плотность состояний n(e)
- •Плотность состояний в зоне проводимости
- •Плотность состояний в зоне проводимости многодолинного (непрямозонного) полупроводника
- •Смысл введения mnd
- •4.2 Концентрация электронов и дырок в зонах для различных степеней вырождения электронного или дырочного газа. Эффективная масса дырок для плотности состояний - mpd
- •Концентрация электронов и дырок в условиях равновесия в темноте
- •Концентрация электронов проводимости в невырожденных полупроводниках
- •Концентрация дырок в полупроводнике p-типа
- •Смысл Nc и Nv в статистике
- •Уравнение электрической нейтральности для полупроводников и диэлектриков
- •Собственный полупроводник
- •Определение Fi
- •Собственная концентрация ni
- •Произведение np в невырожденном полупроводнике
- •Электронные процессы
- •Функции распределения электронов и дырок по примесным состояниям ft
- •Функция распределения дырок по уровням акцепторов
- •4.4 Плотность квантовых состояний в квантово-размерных структурах с квантовыми ямами, квантовыми нитями и квантовыми точками. Концентрация нейтральных и ионизированных доноров и акцепторов
- •Уровень Ферми и концентрация электронов в невырожденных некомпенсированных полупроводниках n-типа
- •Концентрация нейтральных и ионизированных доноров и акцепторов
- •Компенсационный полупроводник n-типа
- •Уровень Ферми
- •Температурная зависимость n(t) и f(t)
- •Вырожденные полупроводники
- •Раздел 5. Неравновесные электронные процессы в полупроводниках
- •Неравновесная статистика.Электронные и дырочные квазиуровни Ферми.
- •Время жизни неосновных носителей
- •Сильный уровень инжекции
- •Раздел 6. Диффузия и дрейф неравновесных носителей заряда
- •Уравнение непрерывности
- •Диффузионные токи в полупроводниках и диэлектриках
- •Распределение избыточной концентрации неосновных носителей во времени. Время жизни неосновных носителей
- •Импульсное освещение
- •Распределение избыточной концентрации неосновных носителей заряда в пространстве
- •Диэлектрическое время релаксации-τn
- •Дрейфовая длина неосновных носителей
- •Дрейфовая длина неравновесных дырок (lp) в полупроводнике n-типа
- •Распределение избыточной концентрации при поверхностной рекомбинации
- •Коэффициент инжекции
- •Раздел 7. Контактные явления
- •Основные понятия физики контактов
- •Токи термоэлектронной эмиссии
- •Контакт полупроводника с металлом
- •Вах выпрямляющего контакта м/п (n-типа)
- •Зонная модель контакта при прямом смещении
- •Зонная модель контакта при обратном смещении
- •Вах выпрямляющего контакта
- •Зонная модель p-n перехода в равновесие
- •Ёмкость p-n – перехода
- •Перенос заряда в p-n –переходе
- •Омический контакт
- •Гетеропереходы (гп)
- •Поверхностные электронные состояния, их влияние на контактные явления.
- •Поверхностный потенциал φS
Неравновесная статистика.Электронные и дырочные квазиуровни Ферми.
Для нахождения n и p используются те же функции расщепления и формулы для расчета концентраций в равновесном случае. Но вместо уровня F вводят квазиуровни.
Fn – электронный квазиуровня Ферми, Fp – дырочный квазиуровень Ферми.
Неравновесная формула распределения ƒф-0(E,T)=1/(e(E-F)/kT+1
Неравновесная концентрация электронов n=eNc/√nФ1/2(ξ*), ξ*= (Fn-Ec)/kT;
для дырок:p=2Nv/√nФ1/2(η*), η*=(Ev-Ep)/kT
для электронов : n=Nc*e-(Ec-En)/kT = Nc*e-(Ec-Fn+F-F)/kT=n0e-(Ec-Fn+E-F)/kT =n0e(Fn-F)/kT
(Fn-F) определить степень отклонения (уровень инжекции) конц от равновесной.
Квазиуровень Ферми Fn: Fn=F+kTln(n/n0)
Для дырок p=Nγe(-Fp-Ev+F-F)/kT=p0e(F-Fp)/kT
Произведение n*p=n0p0e(Fn-Fp)/kT ≠ ni2
Время жизни неосновных носителей
Рассмотрим случай линейной рекомбинации, когда скорость носителей пропорциональна их избыточной концентрации – Δn, Δp (рекомбинация через примесные центры).
E
Error: Reference source not found
Избыточная концентрация изменяется во времени d(Δn)/dt=G-R где R=Δn/τ, 1/τ – вероятность рекомбинации неравновесных носителей в единицу времени.
d(Δn)/dτ=G-Δn/τ
В стационарном состоянии d(Δn)/dτ=0 G=R= Δn/τ
Δn=Gτ
т. е. τ определяет изб концентрация e или n
Статистика рекомбинаций через простые рекомбинационные центры
Время жизни неравновесной электронно-дырочной пары (τn), время жизни неосновных носителей заряда - τn и τp
5.2 Центры рекомбинации и прилипания носителей заряда. Параметры центров рекомбинации и влияние их на время жизни. Изменение избыточной концентрации носителей заряда во времени. Экспериментальное определение времени жизни.
Рекомбинационная модель
E
Error: Reference source not found
Ei
Найдем скорости рекомбинации Rn и Rp
Определение Rn – необходимо знать параметры полупроводника и рекомбинационных центров
Nt – концентрация РЦ Et – уровень РЦ
Cn(E) – вероятность захвата электрона одним нейтральным РЦ
Ln(E) – вероятность терм. Возбуждения захваченных электронов с уровнем Еф в ЗР
ƒt – функция распределения электронов по ур Et
ƒn – неравновесная функция реакция e в зоне проводимости
Рассмотрим изменение концентрация электронов в интервале E, EtdE в ЗП в результате захвата РЦ и их терм возбуждения.
drn~число е, захват РЦ в единицу времени (Vкрист=1)
dqn-“-“ – возбуждение в ЗП с Ур Ei
dRn=drn - dqn - изменение числа е в ЗП в интервале dE в результате рекомбинации или d/Rn – элементы скорости рекомбинации.
5.3 Статистика рекомбинации через простые рекомбинационные центры (рекомбинационная модель Шокли-Холла-Рида). Время жизни электронно-дырочной пары. Время жизни неосновных носителей заряда. Влияние уровня возбуждения и температуры на времена жизни неосновных носителей заряда. Экспериментальные данные для Ge, Si и GaAs.
Время жизни электронно-дырочной пары (τn)
τn, τn,p определяется из скорости объемных безизлучательной рекомбинации R
Вычислим элементарную скорость рекомбинации dRn для электронов, захваченных из зоны проводимости из интервала энергии E, E+dE с учетом вероятностей Cn(E) и ln(E) и функцией распределения ƒn иƒt
Число е, захваченных в единицу времени : drn=Cn(F)ƒnN(E)dE(1-ƒ)N(t)
Часть захваченных е возбуждается обратно в ЗП с Ур Et
dqn = ln(E)Niƒt(1-ƒn)N(E)dE
Тогда dRn=drn-dqn
drn= [Cn(E) ƒn(1-ƒt)-ln(E) ƒt(1-ƒn)]Ntdt
Полная скорость рекомбинации электронов:
Rn=0∫∞dRn
Для скорости рекомбинации дырок Rp расчет аналогичен. Необходимо вероятность захвата дырок Cp(E) рекомбинационных центром и вероятность возбуждения дырок lp(E) в ВЗ
dRp=drp-dqp , Rp = 0∫∞dRp
Для данной рекомбинационной модели
Rn=Δn/τn ; Rp= Δp/τp Δn,Δp – избыточные концентрации
Поскольку Δn=Δp и Rn=Rp то τn= τp
Время жизни e-n пары в этой статистике рекомбинации равно :
1)τn= τp*[(n0+n1+Δn)/(n0p0+Δn)]+τn0[(p0+p1+Δp)/n0+p0+Δn)]
τp0=1/SpNtVтепл – min время жизни дырок п.п n-типа когда РЦ полностью заполнена e
n1=Nc*e–(Ec-Et/kt – т е концентрация электронов при условии F=Et
τn0 = 1/(SnNtV) – min время жизни в полупроводнике р-типа
Выражение 1) для τn позволяет исследовать влияние на τn ур инжекции(Δn,Δp), легирования и параметров рекомбинационных центров при разных t0.
5.4 Поверхностная рекомбинация. Скорость поверхностной рекомбинации. Эффективное время жизни неосновных носителей заряда. Влияние поверхностной рекомбинации на параметры биполярных приборов и МДП-структур
Влияние легирования (поглощение ур Ферми) на τр при низком уровне инжекции
Δn<<n0 Δp<< p0
2) τn= τp*[(n0+n1)/(n0p0)]+τn0[(p0+p1)/(n0+p0)]
Д ля анализа выражения 2) для ТП ЗЗ ΔEg разделим на области
n-тип Ei<F<Ec – сильнолегированный п/п p-типа
Область Et<F<Ec : n0>>p0
n1>>p1
n0>>n1
Для τn получим : τn~τp0 т.о.время жизни (e-h) пары = min времени жизни неосновных носителей заряда.
n-тип область Ei <F<(Ec-Et) – слаболегированный полупроводник n-типа
n0>>p0 n0<<n1
τn~ τp0(n1/n0) т е τn зависит от n0 (уровня легирования)
τn возрастает т к n и n0 зависят от Т след τn тоже
n1/n = (Nc(T)e-(Ec-Et)/kT)/(Nc(T)e-(Ec-F)/kT)= e-(Et-F)/kT
τp0 – слабо легированный от Т
Полупроводник р-типа
Сильнолегированный τn~ τp0
Слаболегированный τn~ τp0*p1/p0