载流子输运现象课件

本章内容口载流子漂移与扩散口产生与复合过程口连续性方程式口热电子发射、隧穿及强电场效应现代半导体器件物理与工艺载流子输运现象1载流子漂移迁移率(mobility)迁移率是用来描述半导体中载流子在单位电场下运动快慢的物理量,是描述载流子输运现象的一个重要参数,也是半导体理论中的一个非常重要的基本概念。迁移率定义为:gT单位:cm2/(V.s)由于载流子有电子和空穴,所以迁移率也分为电子迁移率和空穴迁移率,即qT电子迁移率空穴迁移率现代半导体器件物理与工艺载流子输运现象2载流子漂移迁移率的导出●半导体中的传导电子不是自由电子,晶格的影响需并入传导电子的有效质量●在热平衡状态下,传导电子在三维空间作热运动●由能量的均分理论得到电子的动能为m,h=kT其中m2为电子的有效质量,而v为平均热运动速度在室温下(300K),上式中的电子热运动速度在硅晶及砷化镓中约为107cm/s。现代半导体器件物理与工艺载流子输运现象3载流子漂移半导体中的电子会在所有的方向做快速的移动,如图所示单一电子的热运动可视为与晶格原子、杂质原子及其他散射中心碰撞所引发的一连串随机散射,在足够长的时间内,电子的随机运动将导致单一电子的净位移为零平均自由程meanfreepath):碰撞间平均的距离。E=0平均自由时间(meanfreetime)te碰撞间平均的时间。平均自由程的典型值为105cm,平均自由时间则约为1微微秒(ps,即103cm/v≈1012s)(a)随机热运动现代半导体器件物理与工艺载流子输运现象4载流子漂移当一个小电场E施加于半导体时,每一个电子会从电场上受到一个qE的作用力,且在各次碰撞之间,沿着电场的反向被加速。因此,一个额外的速度成分将再加至热运动的电子上,此额外的速度成分称为漂移速度dftvelocity)个电子由于随机的热运动及漂移成分两者所造成的位移如图所示2值得注意的是,电子的净位移与施加的电场方向相这种在外电场作用下载流子的定向运动称为漂移运动现代半导体器件物理与工艺载流子输运现象5载流子漂移现代半导体器件物理与工艺载流子输运现象6载流子漂移电子在每两次碰撞之间,自由飞行期间施加于电子的冲量为-qEτe,获得的动量为mnvn,根据动量定理可得到EqEr=mn"n或q上式说明了电子漂移速度正比于所施加的电场,而比例因子则视平均自由时间与有效质量而定,此比例因子即为迁移率因此E同理,对空穴有vp=HnE现代半导体器件物理与工艺载流子输运现象7载流子漂移影响迁移率的因素:散射机制→平均自由时间→迁移率载流子在运动过程中受到的散射作用决定了迁移率最耳主要的散射机制A,晶格振动或声子散射晶B电离杂质散射C,中性杂质散射:在杂质浓度不是很高时,可以忽略D,电子或空穴散射:在載流子浓度很高时要考虑●杂E品格缺陷散射:对于多晶等缺陷较多的材料要考虑F,表面散射:载流子在表面区域(如反型层)运动时,受到表面因素(如粗糙度)引起的散射,主要是对薄膜材料要考虑现代半导体器件物理与工艺载流子输运现象8载流子漂移晶格散射:晶格散射归因于在任何高于绝对零度下晶格原子的热震动随温度増加而增加,在髙温下晶格散射自然变得显著,迁移率也因此随着温度的增加而减少。理论分析显示晶格散射所造成的迁移率μ将随T32方式减少。现代半导体器件物理与工艺载流子输运现象9载流子漂移杂质散射:杂质散射是当一个带电载流子经过一个电离的杂质时所引起的由于库仑力的交互作用,带电载流子的路径会偏移。杂质散射的几率视电离杂质的总浓度而定然而,与晶格散射不同的是,杂质散射在较高的温度下变得不太重要。因为在较高的温度下,载流子移动较快,它们在杂质原