雙極擴散係數

半導體中載流子的擴散係數就是表征在濃度梯度驅動下擴散運動快慢的一個重要物理參量。一般多是指一種載流子（主要是少數載流子）的擴散係數。但是如果在大注入情況下，電子和空穴的濃度相當，其作用也都同等重要，因此載流子的擴散係數和壽命就需要採用另外等效的相關物理量來表示，這就是雙極擴散係數和雙極壽命。

基本介紹

• 中文名：雙極擴散係數
• 外文名：Bipolar diffusion coefficient

雙極擴散

雙極擴散是電漿的正負粒子在電場中由於相互作用等速遠離的擴散方式。

定義

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雙極擴散是電漿的正負粒子在電場中由於相互作用等速遠離的擴散方式。“雙極擴散”是天文學專有名詞。來自中國天文學名詞審定委員會審定發布的天文學專有名詞中文譯名，詞條譯名和中英文解釋數據著作權由天文學名詞委所有。

原理

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理論研究表明，在環形磁約束電漿中，由於存在各種微觀電磁模，存在著隨機性磁場，這種隨機磁場可能是導致電子反常熱導的重要原因之一。初步的實驗跡象（韌致輻射譜的高能尾巴分析）也表明隨機場可能是重要的粒子在穩態隨機場中的擴散係數是正比於粒子速度的，即

其中D、是由磁結構決定的常數，v‖是平行於磁力線的速度分量。由於通常離子速度遠小於電子速度，De》Di，即擴散必是非雙極的。這將在極短時間內建立起雙極電場，以維持準穩態輸運.在準穩態條件下，電子反常熱導是主要的，而雙極擴散則是不重要的，因此，通常只考慮隨機場引起的電子反常熱導，擴散問題僅一提而過。

但是，如果隨機場電子反常熱導是重要的，必然存在相應的雙極電場。考慮到另一種可能的反常擴散機制—靜電漂移波擴散—是自動雙極的，則只要De(隨機場擴散)大於DNC（新經典擴散），體系的雙極電場就主要由隨機磁場所決定了。因此，雖然隨機場下的雙極擴散一般並不重要，但測量和計算雙極電場卻是判別隨機場是否重要的一個必要條件。此外，在某些特殊條件下（例如發生內部破裂時，q<1區域內的輸運），隨機場雙極擴散可能是重要的，該區域內離子與雜質的輸運可用隨機場方法來描述與理解。[1]

研究背景

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磁場中，中等低氣壓弧光放電與輝光放電的正柱電漿的研究一直受到人們的關注。1976年，Franklin總

結了到那時為止的正柱理論，並給出一定量的實驗數據，那裡的磁場和放電都是軸向的.交叉電磁場中的正柱研究早在六十年代就已開始。近年來，隨著電漿塗層、電漿沉積等技術的發展，此項研究又有了進一步的深人在這些領域中，帶電粒子的運動對上述技術的質量、生產率起主要作用。在Franklin等工作的基礎上，本文求解了交叉電磁場中，中等低氣壓弧光放電與輝光放電的正柱電漿在雙極擴散和準雙極擴散條件下的磁流體力學性能。上述電漿的電離度比較低，大量中性粒子的存在，使其由帶電粒子碰撞而引起的巨觀速度非常微弱，因此一般都假定中性拉子處於靜止狀態。在文中，曾考慮了當磁場與放電均為軸向時，雙極擴散情況下的中性粒子的運動，計算表明中性粒子的徑向速度要比帶電粒子的小3至5個最級。基於上述原因，本文假定中性粒子是靜止的，在離子和電子的質量、動量守恆方程的基礎上，根據方程的奇點以及電子電流密度在鞘層邊界應守恆的要求，用數值方法求解了帶電粒子的速度、密度沿徑向的分布，並對雙極擴散和準雙極擴散兩種情況下的電子、離子的磁流體力學性能作了比較。比較結果表明，磁感應強度的強弱對雙極擴散條件下的離子和電子的磁流體力學性能改變甚微，相反，在準雙極擴散條件下，增強磁感應強度能顯著提高離子的平均密度，縮短鞘層邊界間距離，陰極鞘層邊界離子與電子的徑向速度比值上升，陽極鞘層邊界離子與電子的徑向速度比值下降.這些為改進有關技術套用提供了途徑。[2]

雙極擴散長度

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由測量光電導率σph得到的遷移率壽命乘積μτ可以描述多數載流子（在非晶矽a-Si：H中是電子）的輸運和複合。但是，太陽能電池的性能往往由少數載流子（在a-Si：H中是空穴）的輸運特性決定。穩態光生載流子柵線SSPG技術可以測定a-Si：H中的雙極擴散長度（ambipolar diffusion length， Lamb），從而得到空穴的遷移率壽命乘積μτ。

當過剩光生載流子在半導體中分布不均勻，會發生過剩載流子的擴散，直到出現複合。在沒有電場的情況下，光生電子（photogenerated electron）和光生空穴（photogenerated hole）會在相同的方向上擴散，這就稱為雙極輸運（ambipolar transport）。雙極輸運使光生載流子在複合前擴散長度的平均距離被定義為Lamb。所以， Lamb是太陽能電池有源層半導體材料較好的品質因數。在本徵a-Si：H情況下，雙極輸運由少數載流子空穴的遷移率決定。

測量暗電導率σd和光電導率σph的樣品同樣可以通過SSPG技術測量Lamb。SSPG技術的原理是用1個雷射器的2條相干光束照射樣品，在a-Si：H薄膜中形成光生載流子濃度的穩態干涉圖形（interference pattern），並且干涉條紋與樣品的電極平行。光生載流子從濃度較高的高亮度區域向濃度較低的低亮度區域擴散，從而減小了被調製載流子濃度的振幅。減小的幅度依賴於柵線周期（grating period），並且形成樣品電導率的變化，而電導率的變化可以垂直柵線條紋測量。[3]

真空中的雙極性擴散

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在大多數電漿中，作用在離子和電子上的力是不同的。因此，在擴散或者對流過程中，一種粒子總會以更快的速度遠離另一種粒子。

在不含磁場的真空中，電漿的電子和離子都會各自以一定的速度向外進行熱運動。由於溫度是物體內分子間平均動能的一種表現形式，溫度高的粒子的熱運動速率大，反之，溫度低的粒子熱運動速率小。

由於電子有較高的溫度和較低的質量，它們的熱運動速度將會很大。當電子離開所處的位置時，帶正電荷的正離子就會落後，從而形成指向外部的電場。這個電場會在電子和正離子之間產生一個電場力。根據牛頓第三定律，這個力會使電子的速度減小，使離子速度增大。這個過程最終會達到一種穩定的狀態，即電子和粒子都會以比電子的熱運動的速率小而比離子的熱運動速率大的音速向外運動。