第五章 载流子输运现象.ppt

1、第5章 载流子输运现象,2014年10月,1,本章内容,第5章 载流子输运现象 51 载流子的漂移运动 52 载流子扩散 53 杂质梯度分布 54 霍尔效应 55 小结 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,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。 定向运动速度称为漂移速度，它

2、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？,4,5.1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,p称为空穴迁移率。单位cm2/Vs,5,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.

3、1载流子的漂移运动 5.1.2迁移率,迁移率,p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,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,电场对载流子的作用,令cp表示两次碰撞之间的平均时间：,9,5.1载流子的漂移运动迁移率,空穴迁移率 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

4、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,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

5、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,欧姆定律,设p型半导体掺杂浓度为Na,Nani，则电导率为：,电导率: 电阻率的倒数。,欧姆定律的微分形式：,表示半导体材料的电导率，单位为(cm)-1。电导率是载流子浓度和迁移率的函数。,15,16,5.1载流子的漂移运动电导率,Nd=1015cm-3,17,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） 对于本征半导体

6、，本征激发起决定性因素，所以T升高，电阻下降； 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； 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； 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。,18,5.1载流子的漂移运动 5.1.4饱和速度,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,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

7、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。,20,5.2载流子的扩散运动,载流子的扩散运动 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。 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。 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。,21,5.2载流子的扩散运

8、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,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？,23,5.3杂质梯度分布 5.3.1感生电场,电势等于电

9、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：,24,5.3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nNd(x)，则有：,将式5.40代入上式：,爱因斯坦关系,25,5.3杂质的浓度梯度,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1/40。,5.4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VH。 VH =EHW,VH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