第五章-载流子输运现象.ppt

第第5 5章章 载流子输运现象载流子输运现象20142014年年1010月月1 1本章内容本章内容n第第5 5章章 载流子输运现象载流子输运现象n5 5．．1 1 载流子的漂移运动载流子的漂移运动n5 5．．2 2 载流子扩散载流子扩散n5 5．．3 3 杂质梯度分布杂质梯度分布n5 5．．4 4 霍尔效应霍尔效应n5 5．．5 5 小结小结n输运＝运输　（土路　公路　铁路　磁悬浮　飞机　输运＝运输　（土路　公路　铁路　磁悬浮　飞机　火箭火箭……））2 2第第5 5章章 载流子输运现象载流子输运现象载流子输现象：载流子定向运动的总称载流子输现象：载流子定向运动的总称漂移运动：载流子漂移运动：载流子在外场在外场E E的作用下的定向运动；的作用下的定向运动；扩散运动：载流子扩散运动：载流子在存在载流子浓度梯度条件下的定向在存在载流子浓度梯度条件下的定向 运动5.15.1载流子的漂移运动　载流子的漂移运动　漂移电流密度漂移电流密度 若密度为若密度为ρρ的正体积电荷以平均漂移速度的正体积电荷以平均漂移速度 运动，则形成运动，则形成的漂移电流密度为的漂移电流密度为n 在外场在外场|E||E|的作用下，半导体中载流子要逆的作用下，半导体中载流子要逆( (顺顺) )电场方向电场方向作定向运动，这种运动称为作定向运动，这种运动称为漂移运动漂移运动。

n定向运动速度称为漂移速度，它大小不一，取其平均值定向运动速度称为漂移速度，它大小不一，取其平均值 称作称作平均漂移速度平均漂移速度单位：单位：C/cmC/cm2 2s s或或A/cmA/cm2 2空穴形成的漂移电流密度空穴形成的漂移电流密度e e单位电荷电量；单位电荷电量；p p：空穴的数量；：空穴的数量；v vdpdp 为空穴的平均漂移速度为空穴的平均漂移速度空穴的速度是否会持续增大？空穴的速度是否会持续增大？4 45.15.1载流子的漂移运动载流子的漂移运动　　漂移电流密度漂移电流密度总漂移电流密度总漂移电流密度：：空穴漂移电流方向与外空穴漂移电流方向与外加电场方向相同加电场方向相同同理，可求得电子形成的漂移电流密度同理，可求得电子形成的漂移电流密度弱电场条件下，平均漂移速度与电场强度成正比，有弱电场条件下，平均漂移速度与电场强度成正比，有μμp p称为空穴称为空穴迁移率迁移率单位cmcm2 2/Vs/Vs5 5图图4.2 4.2 电子和空穴漂移电流密度电子和空穴漂移电流密度5.15.1载流子的漂移运动载流子的漂移运动　　漂移电流密度漂移电流密度6 6说明：在半导体上加较小的电场就能获得很大的漂移电流密度，所以，在非本说明：在半导体上加较小的电场就能获得很大的漂移电流密度，所以，在非本征半导体中，漂移电流密度取块于多数载流子。

征半导体中，漂移电流密度取块于多数载流子5.15.1载流子的漂移运动　载流子的漂移运动　 迁移率迁移率n迁移率迁移率μμp p称为空穴迁移率单位称为空穴迁移率单位cmcm2 2/Vs/Vs空穴的加速度与外力如空穴的加速度与外力如电场力之间的关系：电场力之间的关系：设初始漂移速度为设初始漂移速度为0 0，则对上式积分：，则对上式积分：迁移率如何计算，它与什么物理量有关？迁移率如何计算，它与什么物理量有关？7 7迁移率：是单位电场下载流子的平均漂移速度，迁移率大小反映了在外场作迁移率：是单位电场下载流子的平均漂移速度，迁移率大小反映了在外场作用下载流子运动能力的强弱用下载流子运动能力的强弱5.15.1载流子的漂移运动　载流子的漂移运动　漂移电流密度漂移电流密度n迁移率的值迁移率的值8 8同一种半导体材料中，为何电子的迁移率大于空穴的迁移率？同一种半导体材料中，为何电子的迁移率大于空穴的迁移率？5.15.1载流子的漂移运动载流子的漂移运动　　迁移率迁移率n电场对载流子的作用电场对载流子的作用令令ττcpcp表示两次碰撞之间的平均时间：表示两次碰撞之间的平均时间：9 95.15.1载流子的漂移运动　载流子的漂移运动　迁移率迁移率n空穴迁移率空穴迁移率n电子迁移率电子迁移率所谓自所谓自由载流子由载流子，实际上只有在两次散射之间才真正是自由运，实际上只有在两次散射之间才真正是自由运动的，其连续两次散射间自由运动的平均路程称为动的，其连续两次散射间自由运动的平均路程称为平均自由程，平均自由程，而平均时间称为而平均时间称为平均自由时间。

平均自由时间1010与有效质量与有效质量什么关系？什么关系？迁移率与电场大小什么关系？迁移率与电场大小什么关系？5.15.1载流子的漂移运动　载流子的漂移运动　迁移率迁移率n声子散射和电离杂质散射声子散射和电离杂质散射 当温度高于绝对零度时，半导体中的当温度高于绝对零度时，半导体中的原子原子由于具有一定的热由于具有一定的热能而在其能而在其晶格位置晶格位置上做无规则上做无规则热振动热振动，破坏了势函数，导致载，破坏了势函数，导致载流子电子、空穴、与振动的晶格原子发生相互作用这种晶格流子电子、空穴、与振动的晶格原子发生相互作用这种晶格散射称为散射称为声子散射声子散射 半导体中掺入半导体中掺入杂质原子杂质原子可以控制或改变半导体的性质，室温可以控制或改变半导体的性质，室温下杂质电离，在电子或空穴与电离杂质之间存在的库仑作用会引下杂质电离，在电子或空穴与电离杂质之间存在的库仑作用会引起他们之间的这种散射机制称为起他们之间的这种散射机制称为电离杂质散射电离杂质散射1111载流子的散射载流子的散射：：5.15.1载流子的漂移运动　载流子的漂移运动　迁移率迁移率载流子的散射载流子的散射：：n电离杂质散射电离杂质散射5.15.1载流子的漂移运动　载流子的漂移运动　迁移率迁移率1313轻掺杂哪种散射起主导作用？轻掺杂哪种散射起主导作用？5.15.1载流子的漂移运动载流子的漂移运动 　　迁移率迁移率1414问题：问题：1.1.电子迁移率与空穴迁移电子迁移率与空穴迁移率大小关系如何？率大小关系如何？2.2.为何电子和空穴的迁移为何电子和空穴的迁移率随着杂质浓度的增加而率随着杂质浓度的增加而降低？降低？5.15.1载流子的漂移运动载流子的漂移运动　　 电导率电导率n欧姆定律欧姆定律设设p p型半导体掺杂浓度为型半导体掺杂浓度为N Na a,N,Na a>>n>>ni i，则电导率为：，则电导率为：电导率电导率: : 电阻率的倒数。

电阻率的倒数欧姆定律的微分形式：欧姆定律的微分形式： σσ表示半导体材料的表示半导体材料的电导率电导率，单位为，单位为( (ΩΩcm)cm)-1-1电导率是载流子浓度和迁移率电导率是载流子浓度和迁移率的函数1515165.15.1载流子的漂移运动载流子的漂移运动　　电导率电导率N Nd d=10=101515cmcm-3-31717为何会出为何会出现这种变现这种变化？化？半导体的电阻特性半导体的电阻特性（（红线区－电阻红线区－电阻：阻碍运输）：阻碍运输）n对于本征半导体，本征激发起决定对于本征半导体，本征激发起决定性因素，所以性因素，所以T T升高，电阻下降；升高，电阻下降；n对于杂质半导体，在温度很低时，对于杂质半导体，在温度很低时，本征电离可忽略，本征电离可忽略，T T升高，杂质电升高，杂质电离的载流子越来越多，电阻下降；离的载流子越来越多，电阻下降；n进入室温区，杂质已经全部电离，进入室温区，杂质已经全部电离，而本征激发还不重要，而本征激发还不重要，T T升高，晶升高，晶格震动散射加剧格震动散射加剧，电阻升高；，电阻升高；n高温区，本征激发起主要作用，高温区，本征激发起主要作用，T T升高，本征激发明显，电阻下降。

升高，本征激发明显，电阻下降 18185.15.1载流子的漂移运动载流子的漂移运动　　 饱和速度饱和速度n载流子的运动速度不再随电场增加而增加载流子的运动速度不再随电场增加而增加1919如何解释？如何解释？5.15.1载流子的漂移运动载流子的漂移运动　　饱和速度饱和速度n低能谷低能谷中的电子有效质量中的电子有效质量m mn n* *=0.067m=0.067m0 0有效质量越小，有效质量越小，迁移率就越大迁移率就越大随着电场强随着电场强度的增加，低能谷电子能量度的增加，低能谷电子能量也相应增加，并可能被散射也相应增加，并可能被散射到高能谷中，有效质量变为到高能谷中，有效质量变为0.55m0.55m0 0高能谷中，有效质高能谷中，有效质量变大，迁移率变小量变大，迁移率变小这种多能谷间的散射机构导致电多能谷间的散射机构导致电子的平均漂移速度随电场增子的平均漂移速度随电场增加而减小加而减小，从而出现负微分，从而出现负微分迁移率特性迁移率特性20205.25.2载流子的扩散运动载流子的扩散运动载流子的扩散运动载流子的扩散运动 n扩散是因为无规则热运动而引起的扩散是因为无规则热运动而引起的粒子从浓度高处向浓度低处的有粒子从浓度高处向浓度低处的有规则的输运，扩散运动规则的输运，扩散运动起源于粒子浓度分布的不均匀起源于粒子浓度分布的不均匀。

n均匀掺杂均匀掺杂的的n n型半导体中，因为不存在浓度梯度，也就不产生扩散运型半导体中，因为不存在浓度梯度，也就不产生扩散运动，其载流子分布也是均匀的动，其载流子分布也是均匀的n如果以适当波长的光照射该样品的一侧，同时假定在照射面的薄层如果以适当波长的光照射该样品的一侧，同时假定在照射面的薄层内光被全部吸收，那么在表面薄层内就产生了非平衡载流子，而内内光被全部吸收，那么在表面薄层内就产生了非平衡载流子，而内部没有光注入，这样由于表面和体内存在了部没有光注入，这样由于表面和体内存在了浓度梯度浓度梯度，从而引起非，从而引起非平衡载流子由表面向内部扩散平衡载流子由表面向内部扩散 21215.25.2载流子的扩散运动载流子的扩散运动 扩散电流密度扩散电流密度 电子扩散电子扩散电流密度：电流密度： D Dn n称为电子扩散系数，单位为称为电子扩散系数，单位为cmcm2 2/s/s 其值为正其值为正 空穴扩散空穴扩散电流密度：电流密度： D Dp p称为空穴扩散系数，单位为称为空穴扩散系数，单位为cmcm2 2/s/s 其值为正其值为正2222扩散流密度：扩散流密度：单位时间垂直通过单位面积上的粒子数。

单位时间垂直通过单位面积上的粒子数5.25.2载流子的扩散运动载流子的扩散运动 总电流密度总电流密度n总电流密度总电流密度 半导体中所产生的电流种类：半导体中所产生的电流种类： 电子漂移电流、空穴漂移电流电子漂移电流、空穴漂移电流电子扩散电流、空穴扩散电流电子扩散电流、空穴扩散电流总电流密度：总电流密度：迁移率迁移率描述了半导体中载流子在电场力作用下的运动情况；描述了半导体中载流子在电场力作用下的运动情况；扩散系数扩散系数描述了半导体中载流子在浓度梯度作用下的运动情况描述了半导体中载流子在浓度梯度作用下的运动情况这两个参数之间是相互独立还是具有一定的相关性？这两个参数之间是相互独立还是具有一定的相关性？23235.35.3杂质梯度分布杂质梯度分布　　 感生电场感生电场电势电势ΦΦ等于电子势能除以电子电量：等于电子势能除以电子电量：一维情况下的感生电场定义为：一维情况下的感生电场定义为：假设满足准中性条件，电子浓度与施假设满足准中性条件，电子浓度与施主杂质浓度基本相等，则有：主杂质浓度基本相等，则有：24245.35.3杂质的浓度梯度杂质的浓度梯度　　 爱因斯坦关系爱因斯坦关系考虑非均匀掺杂半导体，假设没有外加电场，考虑非均匀掺杂半导体，假设没有外加电场，半导体处于热半导体处于热平衡状态平衡状态，则电子电流和空穴电流分别等于零。

可写为：，则电子电流和空穴电流分别等于零可写为：设半导体满足准中性条件，即设半导体满足准中性条件，即n n≈≈N Nd d(x)(x)，则有：，则有：将式将式5.405.40代入上式：代入上式：爱因斯爱因斯坦关系坦关系25255.35.3杂质的浓度梯度杂质的浓度梯度n典型迁移率及扩散系数典型迁移率及扩散系数2626注意：注意：（（1 1）迁移率和扩散系数均是温度的函数；）迁移率和扩散系数均是温度的函数；（（2 2）室温下，扩散系为迁移率的）室温下，扩散系为迁移率的1/401/405.45.4霍尔效应霍尔效应电场和磁场对运动电荷施加力的作用产生的效应为电场和磁场对运动电荷施加力的作用产生的效应为霍尔效应霍尔效应用途：用途：判断半导体的判断半导体的导电类型导电类型、计算、计算多数载流子的浓度多数载流子的浓度和和迁移率迁移率 y y方向上的感生电场称方向上的感生电场称为为霍尔电场霍尔电场E EH H 霍尔电场在半导体内霍尔电场在半导体内产生的电压称为产生的电压称为霍尔电霍尔电压压V VH H V VH H = =E EH HW WV VH H为正，为为正，为p p型半导体；型半导体；V VH H为负，为为负，为n n型半导体；型半导体；2727半导体中的载流子均在半导体中的载流子均在y=0y=0表面积累。

表面积累左手力，右手电，手心迎着磁感线左手力，右手电，手心迎着磁感线 5.45.4霍尔效应霍尔效应空穴浓度：空穴浓度：电子浓度：电子浓度：空穴迁移率：空穴迁移率：电子迁移率：电子迁移率：2828利用霍尔效应：利用霍尔效应：1.1.判断半导体的到点判断半导体的到点类型；类型；2.2.测算半导体中载流测算半导体中载流子的浓度；子的浓度；3.3.测算半导体中载流测算半导体中载流子的迁移率；子的迁移率；4.4.测算半导体中载流测算半导体中载流子的漂移速度子的漂移速度5.55.5小结小结n半导体中的两种基本输运机构半导体中的两种基本输运机构n半导体内的散射过程半导体内的散射过程n速度饱和速度饱和n载流子迁移率为平均漂移速度与外加电场之比是载流子迁移率为平均漂移速度与外加电场之比是温度以及电离杂质浓度的函数温度以及电离杂质浓度的函数n电导率电导率n爱因斯坦关系爱因斯坦关系n霍尔效应霍尔效应2929P130P130复习题复习题2 2，，3 3，，7 75.15.15.75.75.235.233030本本 章章 作作 业业。