1、第5章 載流子輸運現(xiàn)象,2014年10月,1,本章內(nèi)容,第5章 載流子輸運現(xiàn)象 51 載流子的漂移運動 52 載流子擴散 53 雜質梯度分布 54 霍爾效應 55 小結 輸運運輸（土路公路鐵路磁懸浮飛機火箭）,2,第5章 載流子輸運現(xiàn)象,載流子輸現(xiàn)象：載流子定向運動的總稱。,漂移運動：載流子在外場E的作用下的定向運動； 擴散運動：載流子在存在載流子濃度梯度條件下的定向 運動。,5.1載流子的漂移運動漂移電流密度,若密度為的正體積電荷以平均漂移速度 運動，則形成的漂移電流密度為,在外場|E|的作用下，半導體中載流子要逆(順)電場方向作定向運動，這種運動稱為漂移運動。 定向運動速度稱為漂移速度，它

2、大小不一，取其平均值 稱作平均漂移速度。,單位：C/cm2s或A/cm2,空穴形成的漂移電流密度,e單位電荷電量；p：空穴的數(shù)量；vdp 為空穴的平均漂移速度。,空穴的速度是否會持續(xù)增大？,4,5.1載流子的漂移運動漂移電流密度,總漂移電流密度：,空穴漂移電流方向與外加電場方向相同。,同理，可求得電子形成的漂移電流密度,弱電場條件下，平均漂移速度與電場強度成正比，有,p稱為空穴遷移率。單位cm2/Vs,5,圖4.2 電子和空穴漂移電流密度,5.1載流子的漂移運動漂移電流密度,6,說明：在半導體上加較小的電場就能獲得很大的漂移電流密度，所以，在非本征半導體中，漂移電流密度取塊于多數(shù)載流子。,5.

3、1載流子的漂移運動 5.1.2遷移率,遷移率,p稱為空穴遷移率。單位cm2/Vs,空穴的加速度與外力如電場力之間的關系：,設初始漂移速度為0，則對上式積分：,遷移率如何計算，它與什么物理量有關？,7,遷移率：是單位電場下載流子的平均漂移速度，遷移率大小反映了在外場作用下載流子運動能力的強弱。,5.1載流子的漂移運動漂移電流密度,遷移率的值,8,同一種半導體材料中，為何電子的遷移率大于空穴的遷移率？,5.1載流子的漂移運動遷移率,電場對載流子的作用,令cp表示兩次碰撞之間的平均時間：,9,5.1載流子的漂移運動遷移率,空穴遷移率 電子遷移率,所謂自由載流子，實際上只有在兩次散射之間才真正是自由運

4、動的，其連續(xù)兩次散射間自由運動的平均路程稱為平均自由程，而平均時間稱為平均自由時間。,10,與有效質量什么關系？,遷移率與電場大小什么關系？,5.1載流子的漂移運動遷移率,聲子散射和電離雜質散射,當溫度高于絕對零度時，半導體中的原子由于具有一定的熱能而在其晶格位置上做無規(guī)則熱振動，破壞了勢函數(shù)，導致載流子電子、空穴、與振動的晶格原子發(fā)生相互作用。這種晶格散射稱為聲子散射。,半導體中摻入雜質原子可以控制或改變半導體的性質，室溫下雜質電離，在電子或空穴與電離雜質之間存在的庫侖作用會引起他們之間的這種散射機制稱為電離雜質散射。,11,載流子的散射：,5.1載流子的漂移運動遷移率,載流子的散射：,電離

5、雜質散射,5.1載流子的漂移運動遷移率,13,輕摻雜哪種散射起主導作用？,5.1載流子的漂移運動 遷移率,14,問題： 1.電子遷移率與空穴遷移率大小關系如何？ 2.為何電子和空穴的遷移率隨著雜質濃度的增加而降低？,5.1載流子的漂移運動 5.1.3電導率,歐姆定律,設p型半導體摻雜濃度為Na,Nani，則電導率為：,電導率: 電阻率的倒數(shù)。,歐姆定律的微分形式：,表示半導體材料的電導率，單位為(cm)-1。電導率是載流子濃度和遷移率的函數(shù)。,15,16,5.1載流子的漂移運動電導率,Nd=1015cm-3,17,為何會出現(xiàn)這種變化？,半導體的電阻特性,（紅線區(qū)電阻：阻礙運輸） 對于本征半導體

6、，本征激發(fā)起決定性因素，所以T升高，電阻下降； 對于雜質半導體，在溫度很低時，本征電離可忽略，T升高，雜質電離的載流子越來越多，電阻下降； 進入室溫區(qū)，雜質已經(jīng)全部電離，而本征激發(fā)還不重要，T升高，晶格震動散射加劇，電阻升高； 高溫區(qū)，本征激發(fā)起主要作用，T升高，本征激發(fā)明顯，電阻下降。,18,5.1載流子的漂移運動 5.1.4飽和速度,載流子的運動速度不再隨電場增加而增加,19,如何解釋？,5.1載流子的漂移運動飽和速度,低能谷中的電子有效質量mn*=0.067m0。有效質量越小，遷移率就越大。隨著電場強度的增加，低能谷電子能量也相應增加，并可能被散射到高能谷中，有效質量變?yōu)?.55m0。高

7、能谷中，有效質量變大，遷移率變小。這種多能谷間的散射機構導致電子的平均漂移速度隨電場增加而減小，從而出現(xiàn)負微分遷移率特性。,20,5.2載流子的擴散運動,載流子的擴散運動 擴散是因為無規(guī)則熱運動而引起的粒子從濃度高處向濃度低處的有規(guī)則的輸運，擴散運動起源于粒子濃度分布的不均勻。 均勻摻雜的n型半導體中，因為不存在濃度梯度，也就不產(chǎn)生擴散運動，其載流子分布也是均勻的。 如果以適當波長的光照射該樣品的一側，同時假定在照射面的薄層內(nèi)光被全部吸收，那么在表面薄層內(nèi)就產(chǎn)生了非平衡載流子，而內(nèi)部沒有光注入，這樣由于表面和體內(nèi)存在了濃度梯度，從而引起非平衡載流子由表面向內(nèi)部擴散。,21,5.2載流子的擴散運

8、動 5.2.1擴散電流密度,電子擴散電流密度：,Dn稱為電子擴散系數(shù)，單位為cm2/s 其值為正。,空穴擴散電流密度：,Dp稱為空穴擴散系數(shù)，單位為cm2/s 其值為正。,22,擴散流密度：單位時間垂直通過單位面積上的粒子數(shù)。,5.2載流子的擴散運動 5.2.2總電流密度,總電流密度,半導體中所產(chǎn)生的電流種類：,電子漂移電流、空穴漂移電流 電子擴散電流、空穴擴散電流,總電流密度：,遷移率描述了半導體中載流子在電場力作用下的運動情況； 擴散系數(shù)描述了半導體中載流子在濃度梯度作用下的運動情況。,這兩個參數(shù)之間是相互獨立還是具有一定的相關性？,23,5.3雜質梯度分布 5.3.1感生電場,電勢等于電

9、子勢能除以電子電量：,一維情況下的感生電場定義為：,假設滿足準中性條件，電子濃度與施主雜質濃度基本相等，則有：,24,5.3雜質的濃度梯度 5.3.2愛因斯坦關系,考慮非均勻摻雜半導體，假設沒有外加電場，半導體處于熱平衡狀態(tài)，則電子電流和空穴電流分別等于零。可寫為：,設半導體滿足準中性條件，即nNd(x)，則有：,將式5.40代入上式：,愛因斯坦關系,25,5.3雜質的濃度梯度,典型遷移率及擴散系數(shù),26,注意： （1）遷移率和擴散系數(shù)均是溫度的函數(shù)； （2）室溫下，擴散系為遷移率的1/40。,5.4霍爾效應,電場和磁場對運動電荷施加力的作用產(chǎn)生的效應為霍爾效應。,用途： 判斷半導體的導電類型、計算多數(shù)載流子的濃度和遷移率。,y方向上的感生電場稱為霍爾電場EH。 霍爾電場在半導體內(nèi)產(chǎn)生的電壓稱為霍爾電壓VH。 VH =EHW,VH為正，為p型半導體； VH為負，為n型半導體；,27,半導體中的載流子均在y=0表面積累。,左手力，右手電，手心迎著磁感線,5.4霍爾效應,空穴濃度： 電子濃度： 空穴遷移率： 電子遷移率：,28,利用霍爾效應： 1.判斷半導體的到點類型； 2.測算半導體中載流子的濃度； 3.測算半導體中載流子的