关于半导体材料 ppt课件

1、化合物半导体材料与器件q输运：载流子的净流动过程称为输运。输运：载流子的净流动过程称为输运。q两种根本输运体制：漂移运动、分散运动。两种根本输运体制：漂移运动、分散运动。q载流子的输运景象是最终确定半导体器件电流载流子的输运景象是最终确定半导体器件电流-电电压特性的根底。压特性的根底。q假设：虽然输运过程中有电子和空穴的净流动，假设：虽然输运过程中有电子和空穴的净流动，但是热平衡形状不会遭到干扰。但是热平衡形状不会遭到干扰。q涵义：涵义：n、p、EF的关系没有变化。输运过程中的关系没有变化。输运过程中特定位置的载流子浓度不发生变化特定位置的载流子浓度不发生变化q热运动的速度远远超越漂移或分散速

2、度。外加热运动的速度远远超越漂移或分散速度。外加作用，转化为一个平均的统计的效果作用，转化为一个平均的统计的效果第第3章章 载流子输运景象载流子输运景象化合物半导体材料与器件3.1 载流子的漂移运动载流子的漂移运动漂移电流密度：载流子在外加电场作用下的定向运漂移电流密度：载流子在外加电场作用下的定向运动称为漂移运动，由载流子的漂移运动所构成的动称为漂移运动，由载流子的漂移运动所构成的电流称为漂移电流。电流称为漂移电流。欧姆定律：欧姆定律：VIRIVR=V/IlRsls普通的欧姆定律不能表示出不同位置的电流分布普通的欧姆定律不能表示出不同位置的电流分布1化合物半导体材料与器件m电流密度：电流密度

3、：m 对于一段长为对于一段长为l，截面面积为，截面面积为s，电阻率为，电阻率为的均匀导的均匀导体，假设备加以电压体，假设备加以电压V，那么导体内建立均匀电场，那么导体内建立均匀电场E，电场强度大小为：电场强度大小为：m 对于这一均匀导体，有电流密度：对于这一均匀导体，有电流密度：IJsIVEl将电流密度与该将电流密度与该处的电导率以及处的电导率以及电场强度联络起电场强度联络起来，称为欧姆定来，称为欧姆定律的微分方式律的微分方式化合物半导体材料与器件m漂移电流密度漂移电流密度drfIeNAvtJNevvAAtvEVA平均定向漂移速度平均定向漂移速度eN单位电量单位电量载流子浓度载流子浓度化合物半

4、导体材料与器件drfJeNvEvE普通说来，在弱场情况下，载流子的定向漂移速度与外普通说来，在弱场情况下，载流子的定向漂移速度与外加电场成正比，即：加电场成正比，即：其中其中称作载流子的迁移率。称作载流子的迁移率。因此有电导率和迁移率的关系：因此有电导率和迁移率的关系：eN迁移率的定义阐明：载迁移率的定义阐明：载流子的漂移速度与电场流子的漂移速度与电场强度成正比。强度成正比。drfJeNveNE化合物半导体材料与器件q载流子的散射载流子的散射EF=eE+-真空极板间的电子做匀加速运动真空极板间的电子做匀加速运动在恒定电场中，电子速度该当随时间不断增大，在恒定电场中，电子速度该当随时间不断增大，

5、从而电流密度将无限增大？和欧姆定律矛盾？从而电流密度将无限增大？和欧姆定律矛盾？化合物半导体材料与器件mgf质量较大的物领会以更质量较大的物领会以更高的速度下落高的速度下落 假设有一个斜坡足够长，假设有一个斜坡足够长，一块石头圆的，不思索摩擦作一块石头圆的，不思索摩擦作用，从坡顶滚下，那么石头将作匀用，从坡顶滚下，那么石头将作匀加速运动直至坡底。加速运动直至坡底。但假设坡上生长了很多树木，但假设坡上生长了很多树木，石头在滚落过程中不时地会与这些石头在滚落过程中不时地会与这些树木相碰撞。碰撞改动了石头的速树木相碰撞。碰撞改动了石头的速度大小和运动方向。那么最终石头度大小和运动方向。那么最终石头以

6、平均的速度滚落山坡。以平均的速度滚落山坡。没有思索到石头本身运动的影响。没有思索到石头本身运动的影响。碰撞方式不同碰撞方式不同 化合物半导体材料与器件m载流子散射的概念载流子散射的概念m 载流子在半导体中运动时，不断地与热振动着载流子在半导体中运动时，不断地与热振动着的晶格原子或电离了的杂质离子发生碰撞。用波的概的晶格原子或电离了的杂质离子发生碰撞。用波的概念，即电子波在半导体中传播时遭到了散射。念，即电子波在半导体中传播时遭到了散射。m 在实践晶体中，存在各种晶格缺陷，晶格本身也在实践晶体中，存在各种晶格缺陷，晶格本身也不断进展着热振动，它们使实践晶格势场偏离理想的不断进展着热振动，它们使实

7、践晶格势场偏离理想的周期势，这相当于在严厉的周期势场上叠加了附加的周期势，这相当于在严厉的周期势场上叠加了附加的势。这个附加的势场作用于载流子，将改动载流子的势。这个附加的势场作用于载流子，将改动载流子的运动形状，即引起载流子的运动形状，即引起载流子的“散射。散射。化合物半导体材料与器件碰撞：载流子的散射；即载流子速度的改动。碰撞：载流子的散射；即载流子速度的改动。经典碰撞。实践的接触为碰撞。经典碰撞。实践的接触为碰撞。类比：堵车时，汽车的挪动速度和方向，不断由于其它汽类比：堵车时，汽车的挪动速度和方向，不断由于其它汽车的位置变化而变化。虽然没有实践接触，但由于妨碍车车的位置变化而变化。虽然没

8、有实践接触，但由于妨碍车的存在，呵斥了汽车本身速度大小和方向的改动。这类似的存在，呵斥了汽车本身速度大小和方向的改动。这类似于载流子的散射，也即碰撞。于载流子的散射，也即碰撞。 化合物半导体材料与器件m半导体中电子和空穴的运动半导体中电子和空穴的运动12341234电场电场E E1234无外场条件下载流子的无规那么热运无外场条件下载流子的无规那么热运动动外场条件下空穴的热运动和定向运动外场条件下空穴的热运动和定向运动外场条件下电子的热运动和定向运动外场条件下电子的热运动和定向运动化合物半导体材料与器件m晶格散射晶格散射m 晶格原子振动以格波来描画。格波能量量子化，格波晶格原子振动以格波来描画。

9、格波能量量子化，格波能量变化以声子为单位。电子和晶格之间的作用相当能量变化以声子为单位。电子和晶格之间的作用相当于电子和声子的碰撞。于电子和声子的碰撞。EcEv晶格原子热振动导致势场的周期性遭晶格原子热振动导致势场的周期性遭到破坏，相当于添加了一个附加势到破坏，相当于添加了一个附加势理想晶格原子陈列理想晶格原子陈列以一定方式振动的晶格原子以一定方式振动的晶格原子化合物半导体材料与器件m电离杂质散射电离杂质散射化合物半导体材料与器件散射的影响散射的影响 热平衡情况热平衡情况散射使载流子的运动紊乱化。例如，假设某一时散射使载流子的运动紊乱化。例如，假设某一时辰晶体中的某些载流子的速度具有某一一样的

10、方向，在辰晶体中的某些载流子的速度具有某一一样的方向，在经过一段时间以后，由于碰撞，将使这些载流子的速度经过一段时间以后，由于碰撞，将使这些载流子的速度时机均等地分布在各个方向上。这里时机均等地分布在各个方向上。这里“紊乱化是相对紊乱化是相对于于“定向而言的，与这些载流子具有沿某一方向的初定向而言的，与这些载流子具有沿某一方向的初始动量相比，散射使它们失去原有的定向运动动量，这始动量相比，散射使它们失去原有的定向运动动量，这种景象称为种景象称为“动量驰豫。在晶体中，载流子和晶格、动量驰豫。在晶体中，载流子和晶格、缺陷之间的碰撞，进展得非常频繁，每秒大约发生缺陷之间的碰撞，进展得非常频繁，每秒大

11、约发生10121013 次，因此这种驰豫过程所需的时间仅约次，因此这种驰豫过程所需的时间仅约10-1210-13 秒，正是上述散射过程导致平衡分布确秒，正是上述散射过程导致平衡分布确实定，在平衡分布中，载流子的总动量为零，在晶体中实定，在平衡分布中，载流子的总动量为零，在晶体中不存在电流。不存在电流。化合物半导体材料与器件有外场的情况有外场的情况在晶体中存在电场时，电场的作用在于在晶体中存在电场时，电场的作用在于使载流子获得沿电场方向的动量定向运动动量，使载流子获得沿电场方向的动量定向运动动量，每个载流子单位时间内由电场获得的定向运动动量每个载流子单位时间内由电场获得的定向运动动量为为eE，但

12、是由于散射，载流子的动量不会像在理想，但是由于散射，载流子的动量不会像在理想晶体中那样不断添加；它们一方面由电场获得定向晶体中那样不断添加；它们一方面由电场获得定向运动动量，但另一方面又经过碰撞失去定向运动动运动动量，但另一方面又经过碰撞失去定向运动动量，在一定的电场强度下，平均来说，最终载流子量，在一定的电场强度下，平均来说，最终载流子只能坚持确定的定向运动动量，这时，载流子由电只能坚持确定的定向运动动量，这时，载流子由电场获得定向运动动量的速率与经过碰撞失去定向运场获得定向运动动量的速率与经过碰撞失去定向运动动量的速度坚持平衡。动动量的速度坚持平衡。此时晶体中的载流子将在无规那么热运此时晶

13、体中的载流子将在无规那么热运动的根底上叠加一定的定向运动。动的根底上叠加一定的定向运动。化合物半导体材料与器件m我们用有效质量来描画空穴的加速度与外力电场力我们用有效质量来描画空穴的加速度与外力电场力之间的关系之间的关系m v表示电场作用下的粒子速度漂移速度，不包括热表示电场作用下的粒子速度漂移速度，不包括热运动速度。假设粒子的初始速度为运动速度。假设粒子的初始速度为0，那么可以积分，那么可以积分得到：得到：*pdvFmeEdt*peEtvm化合物半导体材料与器件m用用cp来表示在两次碰撞之间的平均漂移时间。来表示在两次碰撞之间的平均漂移时间。mm 那么在弱场下，电场所导致的定向漂移速度和热运

14、动那么在弱场下，电场所导致的定向漂移速度和热运动速度相比很小速度相比很小1%，因此加外场后空穴的平均漂，因此加外场后空穴的平均漂移时间并没有明显变化。利用用平均漂移时间，可求移时间并没有明显变化。利用用平均漂移时间，可求得平均最大漂移速度为：得平均最大漂移速度为：1234电场电场E E1234*cppeEvm化合物半导体材料与器件因此空穴迁移率可表示为：因此空穴迁移率可表示为：*cpppemm同理，电子的平均漂移速度为：同理，电子的平均漂移速度为：*cndnpevEm 化合物半导体材料与器件m根据迁移率和速度以及电场的关系，知道：根据迁移率和速度以及电场的关系，知道：*cnnnem可以看到迁移

15、率与有效质量有关。有效质量小，在一样的平可以看到迁移率与有效质量有关。有效质量小，在一样的平均漂移时间内获得的漂移速度就大。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，那么载迁移率还和平均漂移时间有关，平均漂移时间越大，那么载流子获得的加速时间就越长，因此漂移速度越大。流子获得的加速时间就越长，因此漂移速度越大。平均漂移时间与散射几率有关。平均漂移时间与散射几率有关。化合物半导体材料与器件m典型半导体的载流子迁移率典型半导体的载流子迁移率空穴和电子的迁移率不同来源于其有效质量不同空穴和电子的迁移率不同来源于其有效质量不同化合物半导体材料与器件m在弱场下，主要的

16、散射机制：在弱场下，主要的散射机制：m晶格散射，电离杂质散射晶格散射，电离杂质散射单纯由晶格振动散射所决议的载流子迁移率随温单纯由晶格振动散射所决议的载流子迁移率随温度的变化关系为：度的变化关系为：3/2LT随着温度的升高，晶格振动越为猛烈，因此对载流子的散射随着温度的升高，晶格振动越为猛烈，因此对载流子的散射作用也越强，从而导致迁移率越低作用也越强，从而导致迁移率越低化合物半导体材料与器件如下图为不同掺杂浓度如下图为不同掺杂浓度下，硅单晶资料中电子下，硅单晶资料中电子的迁移率随温度的变化的迁移率随温度的变化关系表示图。从图中可关系表示图。从图中可见，在比较低的掺杂浓见，在比较低的掺杂浓度下，

17、电子的迁移率随度下，电子的迁移率随温度的改动发生了十温度的改动发生了十清楚显的变化，这阐明清楚显的变化，这阐明在低掺杂浓度的条件下，在低掺杂浓度的条件下，电子的迁移率主要受晶电子的迁移率主要受晶格振动散射的影响。格振动散射的影响。化合物半导体材料与器件右图所示为不同掺杂浓右图所示为不同掺杂浓度下，硅单晶资料中空度下，硅单晶资料中空穴的迁移率随温度的变穴的迁移率随温度的变化关系表示图。从图中化关系表示图。从图中可见，在比较低的掺杂可见，在比较低的掺杂浓度下，空穴的迁移率浓度下，空穴的迁移率同样随温度的改动发生同样随温度的改动发生了十清楚显的变化，这了十清楚显的变化，这阐明在低掺杂浓度的条阐明在低

18、掺杂浓度的条件下，空穴的迁移率也件下，空穴的迁移率也是主要受晶格振动散射是主要受晶格振动散射的影响。的影响。化合物半导体材料与器件载流子在半导体晶体资料中运动时所遭到的第二类散载流子在半导体晶体资料中运动时所遭到的第二类散射机制是所谓的离化杂质电荷中心的库仑散射作用。射机制是所谓的离化杂质电荷中心的库仑散射作用。单纯由离化杂质散射所决议的载流子迁移率随温度和单纯由离化杂质散射所决议的载流子迁移率随温度和总的掺杂浓度的变化关系为：总的掺杂浓度的变化关系为：其中其中NINDNA ，为总的离化杂质浓度。从上式，为总的离化杂质浓度。从上式中可见，离化杂质散射所决议的载流子迁移率随温度的中可见，离化杂质

19、散射所决议的载流子迁移率随温度的升高而增大，这是由于温度越高，载流子热运动的程度升高而增大，这是由于温度越高，载流子热运动的程度就会越猛烈，载流子经过离化杂质电荷中心附近所需的就会越猛烈，载流子经过离化杂质电荷中心附近所需的时间就会越短，因此离化杂质散射所起的作用也就越小。时间就会越短，因此离化杂质散射所起的作用也就越小。化合物半导体材料与器件以下图所示为室温以下图所示为室温300K300K条件下硅单晶资料中电子和空穴条件下硅单晶资料中电子和空穴的迁移率随总的掺杂浓度的变化关系曲线。从图中可见，随的迁移率随总的掺杂浓度的变化关系曲线。从图中可见，随着掺杂浓度的提高，载流子的迁移率发生明显的下降

20、。着掺杂浓度的提高，载流子的迁移率发生明显的下降。化合物半导体材料与器件以下图所示为室温以下图所示为室温300K300K条件下锗单晶资料中电子和空穴条件下锗单晶资料中电子和空穴的迁移率随总的掺杂浓度的变化关系曲线。从图中可见，随的迁移率随总的掺杂浓度的变化关系曲线。从图中可见，随着掺杂浓度的提高，锗资料中载流子的迁移率也发生明显的着掺杂浓度的提高，锗资料中载流子的迁移率也发生明显的下降。下降。化合物半导体材料与器件以下图所示为室温以下图所示为室温300K300K条件下砷化镓单晶资料中电子和空条件下砷化镓单晶资料中电子和空穴的迁移率随总的掺杂浓度的变化关系曲线。从图中可见，随穴的迁移率随总的掺杂

21、浓度的变化关系曲线。从图中可见，随着掺杂浓度的提高，砷化镓资料中载流子的迁移率同样也发生着掺杂浓度的提高，砷化镓资料中载流子的迁移率同样也发生明显的下降。明显的下降。化合物半导体材料与器件假设假设LL是由于晶格振动散射所导致的载流子自在运动时间，是由于晶格振动散射所导致的载流子自在运动时间，那么载流子在那么载流子在dtdt时间内发生晶格振动散射的几率为时间内发生晶格振动散射的几率为dt /Ldt /L；同样，假设同样，假设II是由于离化杂质散射所导致的载流子自在运动是由于离化杂质散射所导致的载流子自在运动时间，那么载流子在时间，那么载流子在dtdt时间内发生离化杂质散射的几率为时间内发生离化杂

22、质散射的几率为dt / dt / II；假设两种散射机制相互独立，那么在；假设两种散射机制相互独立，那么在dtdt时间内载流子发时间内载流子发生散射的总几率为：生散射的总几率为：其中其中是载流子发生延续两次恣意散射过程之间的自在运动时是载流子发生延续两次恣意散射过程之间的自在运动时间。上式的物理意义就是载流子在半导体晶体资料中所遭到的间。上式的物理意义就是载流子在半导体晶体资料中所遭到的总散射几率对于各个不同散射机制的散射几率之和，这对于多总散射几率对于各个不同散射机制的散射几率之和，这对于多种散射机制同时存在的情况也是成立的。种散射机制同时存在的情况也是成立的。化合物半导体材料与器件上式中，

23、上式中，II是只需离化杂质散射存在时的载流子迁移率，而是只需离化杂质散射存在时的载流子迁移率，而LL那么是只需晶格振动散射存在时的载流子迁移率，那么是只需晶格振动散射存在时的载流子迁移率，是总是总的载流子迁移率。当有多个独立的散射机制同时存在时，上式的载流子迁移率。当有多个独立的散射机制同时存在时，上式依然成立，这也意味着由于多种散射机制的影响，载流子总的依然成立，这也意味着由于多种散射机制的影响，载流子总的迁移率将会更低。迁移率将会更低。因此利用迁移率公式：因此利用迁移率公式：我们不难得到：我们不难得到：*em111LI化合物半导体材料与器件q从两种散射机制上来看：在低温下，晶格振动较从两种

24、散射机制上来看：在低温下，晶格振动较弱，因此晶格散射较弱，迁移率受电离杂质散射弱，因此晶格散射较弱，迁移率受电离杂质散射作用更为明显；在高温下，晶格振动较强，载流作用更为明显；在高温下，晶格振动较强，载流子运动速度较快，电离杂质散射作用减弱。子运动速度较快，电离杂质散射作用减弱。总的来说，迁移率随着杂质的增多而下降，随着温度升总的来说，迁移率随着杂质的增多而下降，随着温度升高而下降：高而下降：杂质浓度低时，杂质浓度低时， 的起点高、下降快；的起点高、下降快；杂质浓度高时，杂质浓度高时， 的起点低、下降慢。的起点低、下降慢。化合物半导体材料与器件q电导率和电阻率电导率和电阻率q电流密度：电流密度

25、：q对于一段长为对于一段长为l，截面面积为，截面面积为s，电阻率为，电阻率为的的均匀导体，假设备加以电压均匀导体，假设备加以电压V，那么导体内建立，那么导体内建立均匀电场均匀电场E，电场强度大小为：，电场强度大小为：q对于这一均匀导体，有电流密度：对于这一均匀导体，有电流密度：IJsIVEl/E lIVJssElsRs将电流密度与该将电流密度与该处的电导率以及处的电导率以及电场强度联络起电场强度联络起来，称为欧姆定来，称为欧姆定律的微分方式律的微分方式化合物半导体材料与器件m半导体的电阻率和电导率半导体的电阻率和电导率11drfnpnpnpIeNAvtJNevvAAtenp EEenpenp显

26、然：电导率电阻率与载流子显然：电导率电阻率与载流子浓度掺杂浓度和迁移率有关浓度掺杂浓度和迁移率有关化合物半导体材料与器件右图所示为右图所示为N N型和型和P P型硅单型硅单晶资料在室晶资料在室温温(300K)(300K)条条件下电阻率件下电阻率随掺杂浓度随掺杂浓度的变化关系的变化关系曲线。曲线。m电阻率和杂质浓度的关系电阻率和杂质浓度的关系化合物半导体材料与器件右图所示为右图所示为N N型型和和P P型锗、砷化型锗、砷化镓以及磷化镓单镓以及磷化镓单晶资料在室温晶资料在室温(300K)(300K)条件下电条件下电阻率随掺杂浓度阻率随掺杂浓度的变化关系曲线。的变化关系曲线。化合物半导体材料与器件m

27、电阻率电导率同时受载流子浓度杂质浓度和电阻率电导率同时受载流子浓度杂质浓度和迁移率的影响，因此电阻率和杂质浓度不是线性关系。迁移率的影响，因此电阻率和杂质浓度不是线性关系。m对于非本征半导体来说，资料的电阻率电导率主对于非本征半导体来说，资料的电阻率电导率主要和多数载流子浓度以及迁移率有关。要和多数载流子浓度以及迁移率有关。m杂质浓度增高时，曲线严重偏离直线，主要缘由：杂质浓度增高时，曲线严重偏离直线，主要缘由：m杂质在室温下不能完全电离杂质在室温下不能完全电离m迁移率随杂质浓度的添加而显著下降迁移率随杂质浓度的添加而显著下降m由于电子和空穴的迁移率不同，因此在一定温度下，由于电子和空穴的迁移

28、率不同，因此在一定温度下，不一定本征半导体的电导率最小。不一定本征半导体的电导率最小。化合物半导体材料与器件右图所示为一块右图所示为一块N N型半型半导体资料中，当施主导体资料中，当施主杂质的掺杂浓度杂质的掺杂浓度NDND为为1E15cm-31E15cm-3时，半导体时，半导体资料中的电子浓度及资料中的电子浓度及其电导率随温度的变其电导率随温度的变化关系曲线。化关系曲线。m电导率和温度的关系电导率和温度的关系化合物半导体材料与器件 从图中可见，在非本征激发为主的中等温度区间内即大从图中可见，在非本征激发为主的中等温度区间内即大约约200K200K至至450K450K之间，此时杂质完全离化，即电

29、子的浓度根本之间，此时杂质完全离化，即电子的浓度根本坚持不变，但是由于在此温度区间内载流子的迁移率随着温度坚持不变，但是由于在此温度区间内载流子的迁移率随着温度的升高而下降，因此在此温度区间内半导体资料的电导率也随的升高而下降，因此在此温度区间内半导体资料的电导率也随着温度的升高而出现了一段下降的情形。着温度的升高而出现了一段下降的情形。 当温度进一步升高，那么进入本征激发区，此时本征载流当温度进一步升高，那么进入本征激发区，此时本征载流子的浓度随着温度的上升而迅速添加，因此电导率也随着温度子的浓度随着温度的上升而迅速添加，因此电导率也随着温度的上升而迅速添加。的上升而迅速添加。 而当温度比较

30、低时，那么由于杂质原子的冻结效应，载流而当温度比较低时，那么由于杂质原子的冻结效应，载流子浓度和半导体资料的电导率都随着温度的下降而不断减小。子浓度和半导体资料的电导率都随着温度的下降而不断减小。化合物半导体材料与器件m电阻率和温度的变化关系：电阻率和温度的变化关系：T T低温低温饱和饱和本征本征低温下晶格振动不明显，本征载流子浓度低。低温下晶格振动不明显，本征载流子浓度低。电离中心散射随温度升高而减弱，迁移率添加电离中心散射随温度升高而减弱，迁移率添加杂质全部电离，载流子浓度不变；晶格振动散杂质全部电离，载流子浓度不变；晶格振动散射起主要作用，随温度升高迁移率下降射起主要作用，随温度升高迁移

31、率下降本征区，载本征区，载流子浓度随流子浓度随温度升高而温度升高而迅速升高，迅速升高，化合物半导体材料与器件q载流子的漂移速度饱和效应载流子的漂移速度饱和效应前边关于迁移率的讨论不断建立在一个根底之上：弱前边关于迁移率的讨论不断建立在一个根底之上：弱场条件。即电场呵斥的漂移速度和热运动速度相比较小，从场条件。即电场呵斥的漂移速度和热运动速度相比较小，从而不显著改动载流子的平均自在时间。但在强场下，载流子而不显著改动载流子的平均自在时间。但在强场下，载流子从电场获得的能量较多，从而其速度动量有较大的改动，从电场获得的能量较多，从而其速度动量有较大的改动，这时，会呵斥平均自在时间减小，散射加强，最

32、终导致迁移这时，会呵斥平均自在时间减小，散射加强，最终导致迁移率下降，速度饱和。对于热运动的电子：率下降，速度饱和。对于热运动的电子： 上述随机热运动能量对应于硅资料中电子的平均热运动速度上述随机热运动能量对应于硅资料中电子的平均热运动速度为为107cm/s107cm/s；假设我们假设在低掺杂浓度下硅资料中电子的迁移；假设我们假设在低掺杂浓度下硅资料中电子的迁移率为率为n=0cm2/Vn=0cm2/Vs s，那么当外加电场为，那么当外加电场为75V/cm75V/cm时，对应的载流子时，对应的载流子定向漂移运动速度仅为定向漂移运动速度仅为105cm/s105cm/s，只需平均热运动速度的百分之，

33、只需平均热运动速度的百分之一。一。化合物半导体材料与器件在弱场条件下，载流子的平均自在运动时间根本上由载流子的在弱场条件下，载流子的平均自在运动时间根本上由载流子的热运动速度决议，不随电场的改动而发生变化，因此弱场下载热运动速度决议，不随电场的改动而发生变化，因此弱场下载流子的迁移率可以看成是一个常数。流子的迁移率可以看成是一个常数。 当外加电场加强为当外加电场加强为7.5kV/cm7.5kV/cm之后，对应的载流子定向漂移之后，对应的载流子定向漂移运动速度将到达运动速度将到达107cm/s107cm/s，这与载流子的平均热运动速度持平。，这与载流子的平均热运动速度持平。此时，载流子的平均自在

34、运动时间将由热运动速度和定向漂移此时，载流子的平均自在运动时间将由热运动速度和定向漂移运动速度共同决议，因此载流子的平均自在运动时间将随着外运动速度共同决议，因此载流子的平均自在运动时间将随着外加电场的加强而不断下降，由此导致载流子的迁移率随着外加加电场的加强而不断下降，由此导致载流子的迁移率随着外加电场的不断增大而出现逐渐下降的趋势，最终使得载流子的漂电场的不断增大而出现逐渐下降的趋势，最终使得载流子的漂移运动速度出现饱和景象，即载流子的漂移运动速度不再随着移运动速度出现饱和景象，即载流子的漂移运动速度不再随着外加电场的添加而继续增大。外加电场的添加而继续增大。*cpeEvm化合物半导体材料

35、与器件m简单模型简单模型m 假设载流子在两次碰撞之间的自在路程为假设载流子在两次碰撞之间的自在路程为l，自在时，自在时间为间为t，载流子的运动速度为，载流子的运动速度为v：mm 在电场作用下：在电场作用下：m vd为电场中的漂移速度，为电场中的漂移速度，vth为热运动速度。为热运动速度。ltvdthvvv化合物半导体材料与器件弱场：弱场：310/EV cm710/thvcm s*TdlVemvEE平均漂移速度平均漂移速度 ：化合物半导体材料与器件较强电场：较强电场：强电场：强电场：351010/EV cmdthlvvdE，v，平均漂移速度平均漂移速度VdVd随电场添加而缓慢增大随电场添加而缓慢

36、增大510/EV cm12dthdvvlvE化合物半导体材料与器件1,11()dECEEvEC又常数速度饱和速度饱和化合物半导体材料与器件右图所示为右图所示为锗、硅及砷锗、硅及砷化镓单晶资化镓单晶资料中电子和料中电子和空穴的漂移空穴的漂移运动速度随运动速度随着外加电场着外加电场强度的变化强度的变化关系。关系。m迁移率和电场的关系迁移率和电场的关系化合物半导体材料与器件从上述载流子漂移速度随外加电场的变化关系曲线中可从上述载流子漂移速度随外加电场的变化关系曲线中可以看出，在弱场条件下，漂移速度与外加电场成线性变化关系，以看出，在弱场条件下，漂移速度与外加电场成线性变化关系，曲线的斜率就是载流子的

37、迁移率；而在高电场条件下，漂移速曲线的斜率就是载流子的迁移率；而在高电场条件下，漂移速度与电场之间的变化关系将逐渐偏离低电场条件下的线性变化度与电场之间的变化关系将逐渐偏离低电场条件下的线性变化关系。以硅单晶资料中的电子为例，当外加电场添加到关系。以硅单晶资料中的电子为例，当外加电场添加到30kV/cm30kV/cm时，其漂移速度将到达饱和值，即到达时，其漂移速度将到达饱和值，即到达107cm/s107cm/s；当载；当载流子的漂移速度出现饱和时，漂移电流密度也将出现饱和特性，流子的漂移速度出现饱和时，漂移电流密度也将出现饱和特性，即漂移电流密度不再随着外加电场的进一步升高而增大。即漂移电流密

38、度不再随着外加电场的进一步升高而增大。对于砷化镓晶体资料来说，其载流子的漂移速度随外加对于砷化镓晶体资料来说，其载流子的漂移速度随外加电场的变化关系要比硅和锗单晶资料中的情况复杂得多，这主电场的变化关系要比硅和锗单晶资料中的情况复杂得多，这主要是由砷化镓资料特殊的能带构造所决议的。要是由砷化镓资料特殊的能带构造所决议的。化合物半导体材料与器件3.2 载流子分散载流子分散分散定律分散定律当载流子在空间存在不均匀分布时，载流当载流子在空间存在不均匀分布时，载流子将由高浓度区向低浓度区分散。子将由高浓度区向低浓度区分散。分散是经过载流子的热运动实现的。由于分散是经过载流子的热运动实现的。由于热运动，

39、不同区域之间不断进展着载流子热运动，不同区域之间不断进展着载流子的交换，假设载流子的分布不均匀，这种的交换，假设载流子的分布不均匀，这种交换就会使得分布均匀化，引起载流子在交换就会使得分布均匀化，引起载流子在宏观上的运动。因此分散流的大小与载流宏观上的运动。因此分散流的大小与载流子的不均匀性相关，而与数量无直接关系。子的不均匀性相关，而与数量无直接关系。化合物半导体材料与器件m无规那么的热运动导致粒子向各个方向运动的几率都一无规那么的热运动导致粒子向各个方向运动的几率都一样。样。m平衡态：各处浓度相等，由于热运动导致的各区域内粒平衡态：各处浓度相等，由于热运动导致的各区域内粒子交换的数量一样，

40、表现为宏观区域内粒子数不变，即子交换的数量一样，表现为宏观区域内粒子数不变，即一致的粒子浓度。一致的粒子浓度。m不均匀时：高浓度区域粒子向低浓度区域运动的平均粒不均匀时：高浓度区域粒子向低浓度区域运动的平均粒子数超越相反的过程，因此表现为粒子的净流动，从而子数超越相反的过程，因此表现为粒子的净流动，从而导致定向分散。导致定向分散。m分散与浓度的不均匀有关，并且只与不均匀有关，而与分散与浓度的不均匀有关，并且只与不均匀有关，而与总浓度无关。总浓度无关。m例：例：m类比：势能：只与相对值有关，而与绝对值无关。类比：势能：只与相对值有关，而与绝对值无关。水坝势能只与落差有关，而与海拔无关。水坝势能只

41、与落差有关，而与海拔无关。10:820:18100:9810000:9998化合物半导体材料与器件m粒子的分散粒子的分散m空间分布不均匀浓度梯度空间分布不均匀浓度梯度m无规那么的热运动无规那么的热运动m假设粒子带电，那么定向的分散构成定向的电流：分散假设粒子带电，那么定向的分散构成定向的电流：分散电流电流光照光照化合物半导体材料与器件q 分散粒子流密度：分散粒子流密度： Fq一维模型：粒子只能在一维方向上一维模型：粒子只能在一维方向上运动。运动。q在某一截面两侧粒子的平均自在程在某一截面两侧粒子的平均自在程ll=vth范围内，由于热运动而穿过范围内，由于热运动而穿过截面的粒子数为该区域粒子数的

42、截面的粒子数为该区域粒子数的1/2。 q分散流密度：单位时间经过分散的分散流密度：单位时间经过分散的方式流过垂直的单位截面积的粒子数方式流过垂直的单位截面积的粒子数111222thththFnl vnl vvnlnlxx+lx-l thdn xFlvdx 化合物半导体材料与器件m分散电流密度：分散电流密度：m对于带电粒子来说，粒子的分散运动构成分散电流。对于带电粒子来说，粒子的分散运动构成分散电流。 nnthndn xJeFelvdxdn xeDdx ppthpdp xJeFelvdxdp xeDdx n(+l)n(-l)n(0)浓度浓度电子流电子流电子电流电子电流x(-l)x(+l)xn(+

43、l)n(-l)n(0)浓度浓度空穴流空穴流空穴电流空穴电流x(-l)x(+l)x分散分散系数系数化合物半导体材料与器件q总电流密度总电流密度q半导体中四种独立的电流：电子的漂移及分散电半导体中四种独立的电流：电子的漂移及分散电流；空穴的漂移及分散电流。流；空穴的漂移及分散电流。q总电流密度为四者之和：总电流密度为四者之和：nxpxnpdndpJenEepEeDeDdxdx漂移电流：一样漂移电流：一样的电场下，电子的电场下，电子电流与空穴电流电流与空穴电流的方向一样。的方向一样。分散电流：一样的分散电流：一样的浓度梯度下，电子浓度梯度下，电子电流与空穴电流的电流与空穴电流的方向相反。方向相反。在

44、半导体中，电子和空穴的分散系数分别与其迁移率有关在半导体中，电子和空穴的分散系数分别与其迁移率有关化合物半导体材料与器件3.3 杂质浓度分布与爱因斯坦关系杂质浓度分布与爱因斯坦关系前边讨论的都是均匀掺杂的半导体资料，前边讨论的都是均匀掺杂的半导体资料，在实践的半导体器件中，经常有非均匀掺在实践的半导体器件中，经常有非均匀掺杂的区域。杂的区域。热平衡形状下：非均匀掺杂将导致在空间热平衡形状下：非均匀掺杂将导致在空间的各个位置杂质浓度不同，从而载流子浓的各个位置杂质浓度不同，从而载流子浓度不同。构成的载流子浓度梯度将产生分度不同。构成的载流子浓度梯度将产生分散电流。并且由于局域的剩余电荷杂质散电流

45、。并且由于局域的剩余电荷杂质离子存在而产生内建电场。离子存在而产生内建电场。内建电场构成的漂移电流与分散电流方向内建电场构成的漂移电流与分散电流方向相反，当到达动态平衡时，两个电流相等，相反，当到达动态平衡时，两个电流相等，不表现出宏观电流，从而呵斥了迁移率和不表现出宏观电流，从而呵斥了迁移率和分散系数之间的关联：爱因斯坦关系。分散系数之间的关联：爱因斯坦关系。化合物半导体材料与器件q 缓变杂质分布引起的内建电场缓变杂质分布引起的内建电场热平衡形状的半导体资料费米能级坚持为一个常数，热平衡形状的半导体资料费米能级坚持为一个常数，因此非均匀掺杂半导体不同位置因此非均匀掺杂半导体不同位置E=Ec-

46、EF不同。不同。其能带构造如下图：其能带构造如下图：热平衡形状下的均匀掺杂半导体热平衡形状下的均匀掺杂半导体ExEcEvEFiEFExEcEvEFiEF热平衡形状下的不均匀掺杂半导体热平衡形状下的不均匀掺杂半导体nxE化合物半导体材料与器件多数载流子电子从浓度高的位置流向浓度低的位置，即多数载流子电子从浓度高的位置流向浓度低的位置，即电子沿着电子沿着x的方向流动，同时留下带正电荷的施主离子，施的方向流动，同时留下带正电荷的施主离子，施主离子和电子在空间位置上的分别将会诱生出一个指向主离子和电子在空间位置上的分别将会诱生出一个指向x方方向的内建电场，该电场的构成会阻止电子的进一步分散。向的内建电

47、场，该电场的构成会阻止电子的进一步分散。到达平衡后，空间各处电子的浓度不完全等同于施主杂质到达平衡后，空间各处电子的浓度不完全等同于施主杂质的掺杂浓度，但是这种差别并不是很大。准电中性条件的掺杂浓度，但是这种差别并不是很大。准电中性条件化合物半导体材料与器件对于一块非均匀掺杂的对于一块非均匀掺杂的N型半导体资料，我们定义各处电型半导体资料，我们定义各处电势电子势能除以电子电量势电子势能除以电子电量-e：eEEFiFdxdEedxdEFix1半导体各处的电场强度为：半导体各处的电场强度为：假设电子浓度与施主杂质浓度根本相等准电中性条件，假设电子浓度与施主杂质浓度根本相等准电中性条件，那么有：那么

48、有：)(exp0 xNKTEEnndFiFi留意：电子势能负留意：电子势能负值；电子电量负值；值；电子电量负值；电势正值；电势正值；化合物半导体材料与器件热平衡时费米能级热平衡时费米能级EF恒定，所以对恒定，所以对x求导可得：求导可得：dxxdNxNKTdxdEddFi)()(因此，电场为：因此，电场为：dxxdNxNeKTEddx)()(1)(由上式看出，由于存在非均匀掺杂，将使得半导体中产生由上式看出，由于存在非均匀掺杂，将使得半导体中产生内建电场。一旦有了内建电场，在非均匀掺杂的半导体资内建电场。一旦有了内建电场，在非均匀掺杂的半导体资料中就会相应地产生出内建电势差。料中就会相应地产生出内建电势差。化合物半导体材料与器件q爱因斯坦关系爱因斯坦关系依然以前面分