载流子的漂移运动.doc

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1、载流子的漂移运动2010-03-1220:08:37

2、分类：微电子物理

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4、字号大中小订阅（什么是漂移速度？什么是迁移率？）作者：XieM.X.(UESTC，成都市)（1）热运动和漂移运动：载流子在没有受到任何驱动（即无浓度梯度，也无电场）时，它就进行着无规的热运动。热运动的特点：①没有方向性；②不断遭受散射；③具有一定的热运动能量和热运动速度（vth），在温度T时即满足：(1/2)m*vth2=(3/2)kT，其中m*是载流子有效质量。在室温下，vth≈107cm/s。在有外电场作用时即发

5、生漂移运动。漂移运动的特点：①沿着电场的方向运动——定向运动；②漂移运动是叠加在热运动基础之上的一种定向运动，因此漂移运动的速度——漂移速度必然小于热运动速度；③在漂移过程中将不断遭受散射（否则漂移速度将变成∞）。连续两次散射之间的行走距离称为平均自由程，相应的行走时间称为平均自由时间（t）。（2）漂移速度和迁移率：若电场强度为E，则由动量平衡关系可以给出平均漂移速度vd为：vd=qtE/m*.可见，漂移速度与电场成正比，其比例系数就是载流子的所谓迁移率μ：μ=vd/E=qt/m*.这就是说，载

6、流子迁移率就是单位电场作用下、所产生的平均漂移速度，单位是[cm2/V-s]。迁移率即表征着载流子在电场作用下加速运动的快慢。（3）迁移率与散射的关系：平均自由时间t即为散射几率的倒数。载流子迁移率的大小与平均自由时间t有关，即载流子在运动过程中遭受散射的情况起着很大的作用。引起散射载流子的因素称为散射中心。散射中心浓度越大，载流子的平均自由时间就越短，迁移率也就越低。半导体中对载流子起散射作用的散射中心主要是声子（晶格振动的能量量子）和电离杂质中心。温度越高，声子数量就越多。因此，在室温及其以

7、上的温度下，声子散射起主要作用，则迁移率将随着温度的升高而下降（一般是T-3/2规律）；而在较低温度下，因为声子数量较少，则电离杂质中心散射起主要作用，于是随着温度的升高，载流子速度增大，将导致迁移率随之而上升（一般是T3/2规律）。为了提高迁移率，就应该减少散射中心浓度和降低温度。因此，在低温下，如果排除了电离杂质中心散射影响的话，那么就可以获得非常高的迁移率；在调制掺杂异质结势阱中的电子就是这样一种情况，这些电子具有高得多的迁移率，被称为高迁移率的二维电子气。注意，排列很规则、静止不动的晶格

8、原子并不散射载流子，即晶格原子本身并不是散射中心！正因为如此，所以载流子的平均自由程通常是晶格常数的数十乃至数百倍。迁移率除了与散射几率有关以外，还与载流子有效质量有关，即与能带结构有关。（4）漂移速度与电场的关系：在低电场下，迁移率m为常数，则漂移速度与电场成正比（vd∝E），即欧姆定律成立；但是在强电场下，由于载流子获得很大的动能（大于热能kT），成为了热载流子，就可能把能量转移到晶格上去，即可以产生出光学波声子，而载流子本身的速度就不再升高——达到饱和，即为饱和速度vdsat，如图2所示。

9、注意，饱和速度vdsat接近（但小于）热运动速度；在室温下，即约为107cm/s。漂移速度-电场关系可以采用许多经验公式来表示，例如：vd=μE/[1+(μE/vdsat)].可见，在低电场下，漂移速度与电场成正比（vd=μE）；而在强电场时，因为漂移速度不再与电场成正比，所以载流子的迁移率概念即失去了意义，这时应该采用恒定的漂移速度（vd=μE）来表征漂移运动。对于Si、Ge等单能谷半导体，其中的电子和空穴的迁移率确实有图2的关系。但是对于GaAs等双能谷半导体，虽然其中空穴迁移率的情况与图2

10、的相似，然而其中电子迁移率的关系却有所不同。因为当电场较强、使得电子获得较高能量时，即可以从有效质量小的低能谷跃迁到有效质量大的高能谷上面去，并导致漂移速度下降，即产生负电阻，如图3所示。这种转移电子效应所产生的负电阻是Gunn二极管工作的物理基础。（5）漂移与扩散的联系：漂移和扩散是载流子的两种重要的定向运动，并且都是叠加在热运动基础之上的定向运动，在运动过程中都要遭受散射，定向的速度也都小于热运动速度；其不同点仅在于驱动机理不同（漂移是电场牵引的作用，扩散是浓度梯度驱使的作用），则表征的参量

11、不同（漂移用迁移率m，扩散用扩散系数D）。对于同一种载流子而言，这两种定向运动之间必然有着内在的联系，漂移快者，扩散也必然快，反之亦然。这种联系也就是Einstein关系：D=(kT/q)μ.在室温下，扩散系数（cm2/s）约为迁移率的0.026倍。扩散系数与温度的关系也同迁移率的温度关系一致。