载流子输运现象.ppt

第5章 载流子输运现象2014年10月1本章内容n第5章 载流子输运现象n5．1 载流子的漂移运动n5．2 载流子扩散n5．3 杂质梯度分布n5．4 霍尔效应n5．5 小结n输运＝运输 （土路 公路 铁路 磁悬浮 飞机 火箭…）2第5章 载流子输运现象载流子输现象：载流子定向运动的总称漂移运动：载流子在外场E的作用下的定向运动；扩散运动：载流子在存在载流子浓度梯度条件下的定向运动5.1载流子的漂移运动 漂移电流密度若密度为ρ的正体积电荷以平均漂移速度 运动，则形成 的漂移电流密度为n 在外场|E|的作用下，半导体中载流子要逆(顺)电场方向 作定向运动，这种运动称为漂移运动n定向运动速度称为漂移速度，它大小不一，取其平均值 称作平均漂移速度单位：C/cm2s或A/cm2空穴形成的漂移电流密度e单位电荷电量；p：空穴的数量；vdp 为空穴的平均漂移速度空穴的速度是否会持续增大？45.1载流子的漂移运动 漂移电流密度总漂移电流密度：空穴漂移电流方向与外 加电场方向相同同理，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μp称为空穴迁移率单位cm2/Vs5图4.2 电子和空穴漂移电流密度5.1载流子的漂移运动 漂移电流密度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 征半导体中，漂移电流密度取块于多数载流子。

5.1载流子的漂移运动 5.1.2迁移率n迁移率μp称为空穴迁移率单位cm2/Vs空穴的加速度与外力如 电场力之间的关系：设初始漂移速度为0，则对上式积分：迁移率如何计算，它与什么物理量有关？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 用下载流子运动能力的强弱5.1载流子的漂移运动 漂移电流密度n迁移率的值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？5.1载流子的漂移运动 迁移率n电场对载流子的作用令τcp表示两次碰撞之间的平均时间：95.1载流子的漂移运动 迁移率n空穴迁移率n电子迁移率所谓自由载流子，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平均自由程 ，而平均时间称为平均自由时间10与有效质量 什么关系？迁移率与电场大小什么关系？5.1载流子的漂移运动 迁移率n声子散射和电离杂质散射当温度高于绝对零度时，半导体中的原子由于具有一定的热 能而在其晶格位置上做无规则热振动，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 散射称为声子散射半导体中掺入杂质原子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 起他们之间的这种散射机制称为电离杂质散射。

11载流子的散射：5.1载流子的漂移运动 迁移率载流子的散射： • 电离杂质散射5.1载流子的漂移运动 迁移率13轻掺杂哪种散射起主导作用？5.1载流子的漂移运动 迁移率14问题：1.电子迁移率与空穴迁移 率大小关系如何？2.为何电子和空穴的迁移 率随着杂质浓度的增加而 降低？5.1载流子的漂移运动 5.1.3电导率n欧姆定律设p型半导体掺杂浓度为Na,Na>>ni，则电导率为：电导率: 电阻率的倒数欧姆定律的微分形式：σ表示半导体材料的电导率，单位为 (Ωcm)-1电导率是载流子浓度和迁移率 的函数15165.1载流子的漂移运动 电导率Nd=1015cm-317为何会出 现这种变 化？半导体的电阻特性（红线区－电阻：阻碍运输）n对于本征半导体，本征激发起决定 性因素，所以T升高，电阻下降；n对于杂质半导体，在温度很低时， 本征电离可忽略，T升高，杂质电 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， 而本征激发还不重要，T升高，晶 格震动散射加剧，电阻升高；n高温区，本征激发起主要作用，T 升高，本征激发明显，电阻下降 185.1载流子的漂移运动 5.1.4饱和速度n载流子的运动速度不再随电场增加而增加19如何解释？5.1载流子的漂移运动 饱和速度n低能谷中的电子有效质量 mn*=0.067m0。

有效质量越小 ，迁移率就越大随着电场 强度的增加，低能谷电子能 量也相应增加，并可能被散 射到高能谷中，有效质量变 为0.55m0高能谷中，有效 质量变大，迁移率变小这 种多能谷间的散射机构导致 电子的平均漂移速度随电场 增加而减小，从而出现负微 分迁移率特性205.2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粒子从浓度高处向浓度低处的有规则的输运，扩散运动起源于粒子浓度分布的不均匀n均匀掺杂的n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浓度梯度，从而引起非平衡载流子由表面向内部扩散 215.2载流子的扩散运动 5.2.1扩散电流密度电子扩散电流密度：Dn称为电子扩散系数，单位为cm2/s其值为正空穴扩散电流密度：Dp称为空穴扩散系数，单位为cm2/s其值为正22扩散流密度：单位时间垂直通过单位面积上的粒子数5.2载流子的扩散运动 5.2.2总电流密度n总电流密度半导体中所产生的电流种类： 电子漂移电流、空穴漂移电流 电子扩散电流、空穴扩散电流总电流密度：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； 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。

这两个参数之间是相互独立还是具有一定的相关性？235.3杂质梯度分布 5.3.1感生电场电势Φ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：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：245.3杂质的浓度梯度 5.3.2爱因斯坦关系考虑非均匀掺杂半导体，假设没有外加电场，半导体处于热 平衡状态，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n≈Nd(x)，则有：将式5.40 代入上式 ：爱因斯 坦关系255.3杂质的浓度梯度n典型迁移率及扩散系数26注意：（1）迁移率和扩散系数均是温度的函数；（2）室温下，扩散系为迁移率的1/405.4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霍尔效应用途： 判断半导体的导电类型、计算 多数载流子的浓度和迁移率y方向上的感生电场称 为霍尔电场EH霍尔电场在半导体内 产生的电压称为霍尔电 压VHVH =EHWVH为正，为p型半导体； VH为负，为n型半导体；27半导体中的载流子均在y=0表面积累左手力，右手电，手心迎着磁感线 5.4霍尔效应空穴浓度：电子浓度：空穴迁移率：电子迁移率：28利用霍尔效应：1.判断半导体的到点 类型；2.测算半导体中载流 子的浓度；3.测算半导体中载流 子的迁移率；4.测算半导体中载流 子的漂移速度。

5.5小结n半导体中的两种基本输运机构n半导体内的散射过程n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 温度以及电离杂质浓度的函数n电导率n爱因斯坦关系n霍尔效应29P130复习题2，3，7 5.1 5.7 5.2330本 章 作 业。