載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng).doc

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1、載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)2010-03-0909:19:17

2、分類：微電子物理

3、標(biāo)簽：

4、字號(hào)大中小訂閱(什么是擴(kuò)散系數(shù)？什么是擴(kuò)散長(zhǎng)度？)作者：XieM.X.(UESTC，成都市)擴(kuò)散是粒子在混亂熱運(yùn)動(dòng)（布朗運(yùn)動(dòng)）基礎(chǔ)之上的、在濃度梯度驅(qū)動(dòng)之下的一種定向運(yùn)動(dòng)。半導(dǎo)體中載流子的擴(kuò)散與原子的擴(kuò)散不同；少數(shù)載流子與多數(shù)載流子的擴(kuò)散也不相同。（1）載流子擴(kuò)散與原子擴(kuò)散的區(qū)別：半導(dǎo)體中載流子的擴(kuò)散與原子的擴(kuò)散，都是依靠濃度梯度所產(chǎn)生的一種定向運(yùn)動(dòng)；擴(kuò)散流密度與濃度梯度成正比，其比例系數(shù)就是擴(kuò)散系數(shù)（表征著擴(kuò)散的快慢，單位是cm2/s）。但是載流子擴(kuò)散與原子擴(kuò)散的機(jī)理不同。載流子擴(kuò)散是在不斷遭受

5、散射的情況下所產(chǎn)生的定向運(yùn)動(dòng)；而原子擴(kuò)散是在晶體熱缺陷的幫助下所產(chǎn)生的定向運(yùn)動(dòng)。一般來(lái)說(shuō)，溫度越高，載流子遭受晶格振動(dòng)的散射就越厲害，則擴(kuò)散越慢；只有在低溫下，晶格振動(dòng)散射不大時(shí)，擴(kuò)散才是隨著溫度的升高而加快（因?yàn)檩d流子的動(dòng)能增加所致）。而對(duì)于原子的擴(kuò)散，溫度越高，晶體熱缺陷就越多（有指數(shù)關(guān)系），則擴(kuò)散就越快；在低溫下，幾乎不產(chǎn)生熱缺陷，則擴(kuò)散也就慢得幾乎無(wú)法進(jìn)行。在熱擴(kuò)散技術(shù)中，就是通過(guò)高溫來(lái)進(jìn)行摻雜的（摻入施主或者受主雜質(zhì)原子）。（2）少數(shù)載流子擴(kuò)散：半導(dǎo)體載流子的擴(kuò)散，主要是發(fā)生在少數(shù)載流子一方，而多數(shù)載流子的擴(kuò)散往往可以忽略。因?yàn)榘雽?dǎo)體電中性的要求，只有少數(shù)載流子才能

6、形成一定的濃度梯度，并且盡管少數(shù)載流子濃度很小，但是卻可以產(chǎn)生很大的濃度梯度。并因此少數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)可以導(dǎo)致出現(xiàn)很大的電流、熱流等。BJT就是依靠少數(shù)載流子工作的器件，其工作電流可以達(dá)到數(shù)百安培；而依靠多數(shù)載流子工作的場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET），其工作電流卻不一定很大。也是由于半導(dǎo)體電中性的要求，多數(shù)載流子一般難以形成濃度梯度。所以可以忽略多數(shù)載流子的擴(kuò)散；但是多數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)卻很重要，因?yàn)樵陔妶?chǎng)作用下所產(chǎn)生的漂移電流是與載流子濃度本身成正比的。（3）非平衡少數(shù)載流子的擴(kuò)散：存在濃度梯度的少數(shù)載流子主要是非平衡少數(shù)載流子。雖然半導(dǎo)體由于電中性的要求，其中兩種非平衡載流子的

7、濃度及其梯度總是相等的（即Dn=Dp，d(Δn)/d(Δp)），但是可以從以下兩個(gè)方面來(lái)說(shuō)明，為什么非平衡少數(shù)載流子很重要，而非平衡多數(shù)載流子往往可以忽略。①濃度大?。悍瞧胶馍贁?shù)載流子的濃度要遠(yuǎn)大于平衡少數(shù)載流子的濃度；而非平衡多數(shù)載流子濃度要遠(yuǎn)小于平衡多數(shù)載流子的濃度。②生存時(shí)間：非平衡載流子是不穩(wěn)定的，將會(huì)復(fù)合消失，該消失過(guò)程的時(shí)間即為非平衡載流子的平均生存時(shí)間。少數(shù)載流子的生存時(shí)間也就是其壽命，可以比較長(zhǎng)（決定于能帶結(jié)構(gòu)和復(fù)合機(jī)理）；而非平衡多數(shù)載流子的生存時(shí)間也就是其介電弛豫時(shí)間，一般都很短（約為10-14s，多數(shù)載流子濃度越大，該時(shí)間就越短）。所以，非平衡載流子通常

8、也就是指的少數(shù)載流子。并且載流子的擴(kuò)散和壽命，也都是指的少數(shù)載流子的擴(kuò)散和壽命。（4）少數(shù)載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度：由于少數(shù)載流子存在一定的壽命，因此，少數(shù)載流子在擴(kuò)散的過(guò)程中，必將一邊擴(kuò)散、一邊復(fù)合，待走過(guò)一段距離后少數(shù)載流子也就完全消失了，這一段擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的時(shí)間也就是其壽命，走過(guò)的這一段距離也就是所謂擴(kuò)散長(zhǎng)度。顯然，擴(kuò)散越快、壽命越長(zhǎng)，則擴(kuò)散長(zhǎng)度就越大。若擴(kuò)散系數(shù)為D、壽命為t，則擴(kuò)散長(zhǎng)度L為：L=(Dt)1/2。擴(kuò)散長(zhǎng)度是少數(shù)載流子的一個(gè)重要特征參量。p-n結(jié)兩邊的擴(kuò)散區(qū)厚度也就是擴(kuò)散長(zhǎng)度的大?。籅JT的基區(qū)寬度應(yīng)該小于擴(kuò)散長(zhǎng)度，才能有較好的放大性能。（5）Einsten關(guān)系：載流

9、子的擴(kuò)散與漂移，都是一邊遭受散射、一邊前進(jìn)的一種定向運(yùn)動(dòng)；這兩種定向運(yùn)動(dòng)之間必然存在著關(guān)聯(lián)。表征擴(kuò)散快慢的參量是擴(kuò)散系數(shù)D，表征漂移快慢的參量是遷移率μ，擴(kuò)散與漂移之間的關(guān)系就由Einsten關(guān)系來(lái)表示：D=(kT/q)μ。遷移率與溫度等的關(guān)系，可通過(guò)對(duì)散射過(guò)程的分析而得到，從而擴(kuò)散系數(shù)與溫度等的關(guān)系，即可由Einsten關(guān)系而得知。