载流子输运现象1.pptxVIP

第3章 载流子输运现象 3.1 载流子漂移 3.2 载流子扩散 3.3 产生与复合过程 3.4 连续性方程式 3.5 热电子发射过程 3.6隧穿过程 3.7 强电场效应; 本章节将包含以下主题： 电流密度方程式以及其中所含的漂移与扩散成分 连续性方程式以及其中所含的产生与复合成分 其他的输运现象，包括热电子发射、隧穿、转移电子效应及冲击离子化 测量重要半导体参数的方法，如电阻率、迁移率、多数载流子浓度及少数载流子寿命;3;3.1 载流子漂移;半导体中的传导电子不是自由电子，晶格的影响需要并入传 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，三个自由度，由能量的均分定理可知，每个自由度的能量为KT/2。 故得到三维空间电子的动能为 ： ;;;3.1.2载流子迁移率（mobility）及其导出 ; 电子在每两次碰撞之间，自由飞行期间电场施加于电子的冲量为-qEτc，获得的动量为mnvn，根据动量定理可得到 ：;载流子的漂移运动：载流子在电场作用下的运动 ;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(drift velocity);最重要的两种散射机制：;13;;;16;17;;看P50图3.2，电子迁移率与温度关系，以Si晶为例，并列举五种不同施主浓度，小插图则显示理论上由晶格及杂质散射所造成的迁移率对温度的依存性。 低杂质浓度时，晶格散射为主要机制，迁移率随温度的增加而减少。 高杂质浓度时，在低温下杂质散射最为显著，而迁移率随温度的增加而增加。当温度升高到某一值时，晶格散射变得比较显著，迁移率随温度的增加而减小。 对固定的温度而言，迁移率随杂质浓度的增加而减少，这是因为杂质散射增加的缘故。;P50图3.3，室温下，Si及砷化镓中的杂质浓度与迁移率关系。;?;?;?;;3、电阻率测量方法; 考虑一均匀半导体材料中的传导。图a为一n型半导体及其在热平衡状态下的能带图。图b为一电压施加在右端时所对应的能带图。假设左端与右端的接触面均为欧姆接触。;;?;;;3.1.6霍尔效应;?;3.2 载流子扩散;34;?;?; 3.2.2爱因斯坦关系;?;3.2.3 电流密度方程;;3.3载流子产生与复合过程;3.3.1非平衡载流子（过剩载流子）(extra or excess carrier) ;2、非平衡载流子产生的方法。 ;3．非平衡载流子浓度的表示法 ;4．大注入、小注入 ;;3.3.2 非平衡载流子的复合;;?;50;1、产生速率Gth：对在热平衡状态下的直接禁带半导体，晶格原子连续的热扰动造成邻近原子间的键断裂。当一个键断裂，一对电子-空穴对即产生。以能带图的观点而言，热能使得一个价电子向上移至导带，而留下一个空穴在价带，这个过程称为载流子产生(carrier generation)，可以用产生速率Gth(每立方厘米每秒产生的电子-空穴对数目)表示之；;?;53;?;55;?;?;?;;;;3.3.4 间接复合;3、间接复合过程描述 右图显示，通过中间能态—复合中心而发生于复合过程中的各种跃迁。在此描述四个基本跃迁发生前后复合中心的带电情形。 此图示只针对单一能级的复合中心，且假设当此能级未被电子占据时为中性；若被电子占据，则带负电。;;65;?;?;1、概念 ：发生在半导体表面的间接复合称表面复合。 表面复合中心来源于表面的缺陷和杂质形成的表面态，如表面的悬挂键等。;?;70;俄歇复合过程是指电子-空穴对复合时所释放出的能量，转换给第三个载流子，此第三载流子（电子或空穴）获得较高动能，然后它通过与晶格连续散射的方式不断放出声子，使其能量逐渐释放的过程，称俄歇复合过程。 如图所示， 在导带中的第二个电子吸收 了直接复合所释放出的能量， 第二个电子变成一个高能电子， 并由散射将能量消耗至晶格中.;72;3.4 连续性方程式;74;?;?;3.4.3、泊松方程式;?;?;?;第二种： 表面的少数载流子连续性方程求解;82;?;第三种：少数载流子的漂移与扩散证明;3.5 热电子发射过程;?;;3.6 隧穿过程;?;?;91;92;?;3.7 强电场效应;95;96;?; n型砷化镓中的强电场输运与硅晶大不相同，下图显示了对n型及p型砷化镓所测量的漂移速度对电场的关系。硅晶的测量结果页显示于此图中，以供比较。看P75图3.22;对n型砷化镓，漂移速度达到一最大值后，随着电场的增加，反而会减小。此现象是由于砷化镓的能带结构，它允许传导电子从高迁移率的能量最小值跃迁至低迁移率、能量较高的邻近谷中。 看书P75下。;4