载流子输运现象课件.ppt

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1、载流子输运现象现代半导体器件物理与工艺PhysicsandTechnologyofModernSemiconductorDevices2004,7,30本章内容载流子漂移与扩散产生与复合过程连续性方程式热电子发射、隧穿及强电场效应迁移率（mobility）迁移率是用来描述半导体中载流子在单位电场下运动快慢的物理量，是描述载流子输运现象的一个重要参数，也是半导体理论中的一个非常重要的基本概念。电子迁移率迁移率定义为：由于载流子有电子和空穴，所以迁移率也分为电子迁移率和空穴迁移率，即：空穴迁移率单位：cm2/(V·s)载流子漂移迁移率的导出半导体中的传导电子不是

2、自由电子，晶格的影响需并入传导电子的有效质量其中mn为电子的有效质量，而vth为平均热运动速度。在室温下(300K)，上式中的电子热运动速度在硅晶及砷化镓中约为107cm/s。在热平衡状态下，传导电子在三维空间作热运动由能量的均分理论得到电子的动能为载流子漂移半导体中的电子会在所有的方向做快速的移动，如图所示.平均自由程(meanfreepath)：碰撞间平均的距离。平均自由程的典型值为10-5cm，平均自由时间则约为1微微秒(ps,即10-5cm/vth≈10-12s）。123456(a)随机热运动E=0单一电子的热运动可视为与晶格原子、杂质原子及其他散射

3、中心碰撞所引发的一连串随机散射，在足够长的时间内，电子的随机运动将导致单一电子的净位移为零。平均自由时间(meanfreetime)τc：碰撞间平均的时间。载流子漂移当一个小电场E施加于半导体时，每一个电子会从电场上受到一个-qE的作用力，且在各次碰撞之间，沿着电场的反向被加速。因此，一个额外的速度成分将再加至热运动的电子上，此额外的速度成分称为漂移速度(driftvelocity)这种在外电场作用下载流子的定向运动称为漂移运动。一个电子由于随机的热运动及漂移成分两者所造成的位移如图所示。E123456值得注意的是，电子的净位移与施加的电场方向相反。载流子漂

4、移电子在每两次碰撞之间，自由飞行期间施加于电子的冲量为-qEτc，获得的动量为mnvn，根据动量定理可得到或上式说明了电子漂移速度正比于所施加的电场，而比例因子则视平均自由时间与有效质量而定，此比例因子即为迁移率。因此同理，对空穴有载流子漂移最重要的两种散射机制：影响迁移率的因素：晶格散射(latticescattering)杂质散射(impurityscattering)。载流子漂移晶格散射：晶格散射归因于在任何高于绝对零度下晶格原子的热震动随温度增加而增加，在高温下晶格散射自然变得显著，迁移率也因此随着温度的增加而减少。理论分析显示晶格散射所造成的迁移率

5、µL将随T-3/2方式减少。增加动画演示载流子漂移杂质散射：杂质散射是当一个带电载流子经过一个电离的杂质时所引起的。由于库仑力的交互作用，带电载流子的路径会偏移。杂质散射的几率视电离杂质的总浓度而定。然而，与晶格散射不同的是，杂质散射在较高的温度下变得不太重要。因为在较高的温度下，载流子移动较快，它们在杂质原子附近停留的时间较短，有效的散射也因此而减少。由杂质散射所造成的迁移率µI理论上可视为随着T3/2/NT而变化，其中NT为总杂质浓度。载流子漂移在单位时间内，碰撞发生的总几率1/τc是由各种散射机所引起的碰撞几率的总和，即所以，两种散射机制同时作用下的迁

6、移率可表示为：碰撞几率：平均自由时间的倒数。载流子漂移右图为不同施主浓度硅晶µn与T的实测曲线。小插图则为理论上由晶格及杂质散射所造成的µn与T的依存性。100500200100050杂质散射晶格散射lgT实例对低掺杂样品，晶格散射为主要机制，迁移率随温度的增加而减少；对高掺杂样品，杂质散射的效应在低温度下最为显著，迁移率随温度的增加而增加。同一温度下，迁移率随杂质浓度的增加而减少。载流子漂移如图为室温下硅及砷化镓中所测量到的以杂质浓度为函数的迁移率。迁移率在低杂质浓度下达到一最大值，这与晶格散射所造成的限制相符合；GaAsSi510205020010050

7、100200500100020001002005001000200050001000020510205012电子及空穴的迁移率皆随着杂质浓度的增加而减少，并于最后在高浓度下达到一个最小值；电子的迁移率大于空穴的迁移率，而较大的电子迁移率主要是由于电子较小的有效质量所引起的。载流子漂移例1：计算在300K下，一迁移率为1000cm2/(V·s)的电子的平均自由时间和平均自由程。设mn=0.26m0解根据定义，得平均自由时间为所以，平均自由程则为又载流子漂移电导率与电阻率互为倒数，均是描述半导体导电性能的基本物理量。电导率越大，导电性能越好。电导率(conduc

8、tivity)与电阻率(resistivity)：半