多数载流子与少数载流子的特性比较

多数载流子与少数载流子的特性比较

2009-11-02 20:09:52| 分类：微电子物理| 标签：|字号大中小订阅

作者：Xie M. X. (UESTC，成都市)

l 载流子浓度：

对于n型半导体，如果掺杂浓度为ND，则在杂质全电离情况下，其中多数载流子浓度为：n0 ≈ ND，即多数载流子浓度基本上决定于掺杂浓度。假若杂质未全电离，则多数载流子浓度决定于杂质的电离程度，随着杂质的不断电离，多数载流子浓度也不断增大（与温度有指数函数关系）。

而少数载流子浓度，在杂质全电离情况下，可根据热平衡关系n0 p0 = ni2，得到为p0 = ni2 / n0 ≈ ni2 / ND。这就是说，少数载流子浓度基本上决定于本征激发过程，并且与掺杂浓度有关。掺杂浓度越高，少数载流子浓度就越低；掺杂浓度越低，少数载流子浓度就越高。

总之，对于Si器件，在室温附近，一般杂质是全电离的，这时多数载流子浓度基本上与温度无关，可近似等于掺杂浓度；而少数载流子浓度则与温度有指数函数的关系（决定于本征激发）。这种不同的多数载流子浓度与少数载流子浓度的温度关系，也就决定了多数载流子器件（场效应器件）与少数载流子器件（双极型器件）在性能上的不同温度关系。

l 载流子的运动：

载流子的运动形式基本上有两种，即漂移运动和扩散运动。这两种运动所产生的电流大小分别决定于不同的因素：漂移电流主要决定于多数载流子浓度和电场的大小；扩散电流主要决定于载流子的浓度梯度，而与浓度本身的大小无关。

半导体与金属一样，其内部都需要保持电中性（表面不需要保持电中性，可以带有电荷）。对于多数载流子而言，由于电中性的要求，在半导体中很难形成明显的浓度梯度，所以扩散电流往往可以忽略；但是少数载流子则恰恰相反，能够在出现很大浓度梯度的情况下保持电中性，所以数量很少的少数载流子可以产生很大的扩散电流。

总之，多数载流子电流主要以漂移电流为主，少数载流子电流则主要以扩散电流为主。

l 载流子的注入和抽出：

在外界作用下，半导体即偏离平衡状态，成为了一个非平衡体系。偏离平衡的程度即由多数载流子的准Fermi能级与少数载流子的准Fermi能级的分开大小来衡量（如果外加电压为V，则两条准Fermi能级的分开大小=qV）。

在非平衡半导体中，载流子浓度将比平衡载流子浓度增多了（即注入了非平衡载流子）或者减少了（即抽出了非平衡载流子）。由于要满足电中性的要求，则一般只能注入或抽出少数载流子，而不能注入或抽出多数载流子。也正因为如此，多数载流子在半导体中较难以积累或减小而产生浓度梯度；相反，少数载流子则可在半导体中的局部区域积累、或把局部区域的少数载流子抽掉，而可在局部区域形成较大的浓度梯度。

l 载流子的寿命：

在非平衡半导体，其中的载流子浓度将偏离于平衡载流子浓度（在注入情况下是多出了载流子，在抽取情况下是缺少了载流子）。

当去掉外加在非平衡半导体上的作用后，半导体体系将要恢复到平衡状态，即其中多出的载流子将要复合掉，缺少的载流子将要产生出来。这种载流子的复合或者产生，都需要时间，这就是所谓复合寿命或者产生寿命。对于Si、Ge半导体，由于载流子的复合与产生主要是通过复合中心或者产生中心来实现的，所以载流子的复合寿命或者产生寿命的长短也主要决定于复合中心或者产生中心的性质和数量。

由于注入或抽出的载流子一般是少数载流子，所以载流子的复合寿命或者产生寿命通常

都是指少数载流子的复合寿命或者产生寿命。例如，n型半导体中的空穴寿命或者p型半导体中的电子寿命。

如果对于多数载流子一定要说其寿命的话，那就是介电弛豫时间（与多数载流子浓度有反比关系），这个时间比起少数载流子寿命时间来说要短得多，往往不予以考虑。

l 对微分电容的贡献：

由于载流子带有电荷，其数量随外加电压的变化就会产生电容效应。由于少数载流子存在于一个复合寿命或者产生寿命的时间，所以其数量的变化就有一个过程，不会马上随着外加电压而发生变化。因此，当外加电压信号的周期比少数载流子寿命时间要长（即信号频率较低）时，少数载流子浓度或数量的变化跟得上外加电压信号的变化，则对电容就有贡献；相反，当外加电压信号的频率较高、以致少数载流子浓度或数量的变化跟不上变化时，就对电容没有贡献。可见，少数载流子产生的电容效应只有在低频下才显得重要，在高频下基本上可以忽略。p-n结的扩散电容就是一种少数载流子电容（主要是少数载流子扩散区的电容效应），它只有在低频下才需要考虑。

至于多数载流子的电容效应(如p-n结势垒电容)，即使在高频下也是不可忽略的，因为多数载流子的介电弛豫时间非常短，其浓度的变化始终跟得上外加电压信号的变化。

l MOS反型层（沟道）中载流子的双重性：

MOS反型层中的载流子，相对于衬底来说都是少数载流子。例如，p型衬底上表面反型层中的电子，或n型衬底上表面反型层中的空穴。对于增强型MOSFET，当栅极电压大于阈值电压时，将会出现表面反型层（沟道）；但是，如果所加栅极电压的速度很快，以至于沟道中的少数载流子还来不及产生出来，那么该沟道中是空的——既没有多数载流子、也没有少数载流子，是一种耗尽状态的沟道，这时MOS的总耗尽层厚度就等于原来的耗尽层厚度加上沟道的厚度，称为深耗尽层。CCD器件就是利用这种深耗尽层来存储和转移电荷的。

由于表面反型层（沟道）中的载流子是少数载流子，所以在高频下其浓度的变化将跟不上信号电压的变化，故沟道不会呈现出电容效应。

不过，MOSFET反型层（沟道）中的载流子，相对于器件的横向导电而言，却必须认为是多数载流子。例如n型沟道MOSFET，可以把p型衬底与n型沟道之间看成是一个p-n 结——场感应p-n结，n型一边的电子就是多数载流子。因此，MOSFET是一种多数载流子器件。