尼曼-半导体物理与器件第五章课件.ppt

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1、第五章载流子输运现象0高等半导体物理与器件第五章载流子输运现象第五章载流子输运现象1主要内容载流子的漂移运动载流子扩散杂质梯度分布小结第五章载流子输运现象2输运：载流子（电子、空穴）的净流动过程。最终确定半导体器件电流-电压特性的基础。两种基本输运机制：漂移运动、扩散运动。假设：虽然输运过程中有电子和空穴的净流动，但热平衡状态不会受到干扰。涵义：n、p、EF的关系没有变化。（输运过程中特定位置的载流子浓度不发生变化）热运动的速度远远超过漂移或扩散速度。（外加作用，转化为一个平均的统计效果）第五章载流子输运现象3（1）漂移电流

2、密度漂移运动：载流子在外加电场作用下的定向运动。漂移电流：载流子漂移运动所形成的电流。5.1载流子的漂移运动vEVA平均漂移速度单位电量空穴浓度假设载流子为空穴，则第五章载流子输运现象4在弱场情况下，平均漂移速度与外加电场成正比：其中，比例系数μp称作空穴迁移率。同理，对于电子的漂移运动，可得：其中，比例系数μn称作电子迁移率。电子、空穴漂移电流的方向都与外加电场方向相同！总漂移电流：第五章载流子输运现象5例5.1：计算在已知电场强度下半导体的漂移电流密度。T=300K时，砷化镓的掺杂浓度为Na=0，Nd=1016cm-3。

3、设杂质全部电离，若外加电场强度为E=10V/cm，求漂移电流密度。解：因为Na=0，Nd=1016cm-3>ni，所以漂移电流为非本征半导体中，漂移电流密度基本上取决于多数载流子。第五章载流子输运现象6（2）迁移率用有效质量来描述空穴加速度与外加电场关系其中，e表示电子电荷电量，a代表加速度，E表示电场，mcp*为空穴的有效质量。v表示空穴平均漂移速度（不包括热运动速度）。假设粒子初始速度为0，对上式积分得第五章载流子输运现象7τcp表示在两次碰撞之间的平均漂移时间。弱场下，电场所导致的定向漂移速度远比热运动速度小（~1%）

4、，因而加外场后空穴的平均漂移时间无明显变化。利用平均漂移时间，可求得平均最大漂移速度为：1234电场E1234第五章载流子输运现象8在考虑了统计分布影响的精确模型中，上式中将没有因子1/2，则因而：平均漂移速度为最大速度的一半，即：第五章载流子输运现象9同理，电子的平均漂移速度为：其中，τcn为电子受到碰撞的平均时间间隔。根据迁移率和速度及电场的关系，可知：可以看到迁移率与有效质量有关。有效质量小，在相同的平均漂移时间内获得的漂移速度就大。迁移率还和平均漂移时间有关，平均漂移时间越大，则载流子获得的加速时间就越长，因而漂移速

5、度越大。平均漂移时间与散射几率有关。第五章载流子输运现象10半导体中影响迁移率的两种主要散射机制：晶格散射，电离杂质散射1）晶格散射晶格热振动破坏了势函数，导致载流子与振动的晶格原子发生相互作用。只由晶格振动散射所决定的载流子迁移率随温度的变化关系，根据散射理论：随温度升高，晶格振动越剧烈，因而对载流子的散射作用也越强，从而导致迁移率越低。轻掺杂半导体中，主要散射机构是晶格散射。第五章载流子输运现象11其中，NI=Nd++Na-表示半导体电离杂质总浓度。电离杂质散射决定的载流子迁移率随温度的升高而增大：因为温度越高，载流子热

6、运动会越剧烈，载流子通过离化杂质电荷中心附近所需的时间会越短。2）电离杂质散射载流子与电离杂质之间存在库仑作用。仅由电离杂质散射决定的载流子迁移率与温度、总的掺杂浓度关系为：第五章载流子输运现象12第五章载流子输运现象13第五章载流子输运现象14其中，τ为任意两次散射之间的平均时间间隔。物理意义：载流子在半导体晶体材料中所受到的总散射概率为各个不同散射机制的散射概率之和，这对于多种散射机制同时存在的情况也是成立的。碰撞概率：平均时间间隔的倒数。假设：τL表示晶格散射造成的碰撞之间的平均时间间隔，τI表示电离杂质散射造成的碰撞

7、之间的平均时间间隔。若两种散射过程相互独立，则在微分时间dt内受到散射的总概率为两者之和，即：第五章载流子输运现象15因此，利用迁移率公式：其中，μI为仅有电离杂质散射存在时的迁移率，μL为仅有晶格散射存在时的迁移率，μ为总迁移率。当多个独立散射机制同时存在，上式仍成立；多种散射机制的影响，载流子总的迁移率将会更低。不难得到：第五章载流子输运现象16电导率（电阻率）是载流子浓度（掺杂浓度，非本征半导体中，主要是多子浓度）和迁移率（与杂质浓度有关）的函数（3）电导率vEVAl第五章载流子输运现象17电阻率和杂质浓度的关系电阻率

8、与杂质浓度不呈线性：载流子浓度（杂质浓度）和迁移率杂质浓度增高时，曲线严重偏离直线，主要原因：杂质在室温下不能完全电离迁移率随杂质浓度增加而显著下降第五章载流子输运现象18电导率和温度的关系n型半导体，Nd=1015cm-3，硅的电子浓度和电导率同温度倒数的函数关系中温区（即非本征区），杂