ch02-电子和空穴的运动与复合.ppt

漂移运动 载流子的强场效应：速度的饱和 扩散运动 载流子的扩散电流 * * “－”表示扩散是沿浓度下降的方向进行的。 D随温度和掺杂浓度而变化，电子和空穴的D是不同的。 热运动促使电子不断发生从价带到导带的热跃迁（或者从导带到价带的量子跃迁，注意这种热跃迁还可以间接通过杂质能级进行），这里我们只考虑价带到导带的直接跃迁。量子态表现了运动的稳恒不变性，而跃迁则是这种稳恒的破坏和变化。两者在一定的条件下相互转化。由于热运动，各类量子态之间发生着十分频繁的量子跃迁。但是只要温度恒定，又没有其它外界干扰，电子才能形成一种热平衡的稳定的统计分布。 根据复合发生的位置：表面复合和体内复合。复合时放出能量的方式：1、发生光子；2、发生声子；3将能量传给其它载流子（Auger复合） 能促使电子和空穴复合得杂质和缺陷称为复合中心，最单纯的复合中心是一个深能级杂质。 由于能带结构的关系，硅中一般不发生直接跃迁，除非电子和空穴的浓度非常高。硅的导带底的电子“动量”不为零，所以为了保证能量和动量守恒，如果没有声子的参与，不可能发生直接跃迁。因此硅中跨跃禁带的直接跃迁需要三个粒子同时参与，即电子、空穴和代表晶格的声子。而三个粒子发生相互作用的几率比两个粒子的小，例如一个自由的载流子和一个声子之间的两粒子相互作用，电子或空穴可以在声子的作用下跃迁到局域的允许态上。事实上能量位于EV和EC之间的局域态总是存在的。 如果将系统理解为电子系统和空穴系统，那么平衡时电子的费米能级与空穴的费米能级相等，统一用EF表示。 热运动 没有外电场时，载流子做杂乱无章的热运动（因而效果互相抵消，并不形成电流，但会产生噪声） 载流子热运动速度 载流子平均动能： 热运动是载流子不断遭受散射的结果：载流子在晶体中运动时，要不断的与电离的杂质原子和热振动的晶格原子碰撞（称为载流子散射），碰撞后，载流子的速度的大小及方向就发生改变。 载流子连续两次散射间运动的平均路程称为平均自由程，所用的时间称为平均时间（约为0.1ps）。 当电场施加到半导体上时，载流子一方面受到电场力的作用，沿电场力方向定向运动，另一方面，载流子仍不断遭受到散射，使载流子的运动方向不断改变。载流子在电场力的作用下的加速运动，也只有在两次散射之间才存在，经散射后，它们又失去了获得的附加速度。从而，在外力和散射的双重影响下，使得载流子以一定的平均速度（称为漂移速度）沿力的方向漂移，形成电流。 电场产生的漂移速度叠加在热运动速度上 载流子的漂移电流 载流子漂移的结果是在半导体内部产生电流。该电流称为漂移电流，其数学表达式为： 电子的漂移速度 空穴的漂移速度 电子的浓度 空穴的浓度 A 垂直电流方向任意平面的面积 电流密度定义为 载流子的迁移率 在电场不太强时，载流子的漂移速度正比与电场 电子的迁移率， 空穴的迁移率 迁移率的单位 漂移电流密度 称为电导率，单位S/cm 称为电阻率，单位 载流子的迁移率 迁移率是表示电子和空穴漂移的重要参数，其大小不仅关系到导电能力的强弱，而且直接决定着载流子运动的快慢，它对半导体器件工作的速度有直接的影响 室温下轻掺杂半导体中电子和空穴的迁移率 载流子的迁移率 两次散射之间的平均自由时间 载流子散射的机制 载流子迁移率与载流子所受到的散射有关。 晶格散射：与晶格原子碰撞 电离杂质散射：与杂质原子碰撞 迁移率的大小： 与杂质相关：低掺杂时随杂质浓度的变化不明显，可以认为其有确定的值；高掺杂时随杂质浓度的增加而单调的减小 与温度相关：与温度依赖关系和掺杂浓度有关。低掺杂时按温度的幂指数大幅度地下降；而高掺杂时随温度变化较平缓 室温下，超纯净硅内载流子的漂移速度与外电场的函数关系 电子 空穴 电阻率 电阻率是重要的材料参数，与载流子的漂移密切相关，其数值可以用四探针法测量 半导体的电阻率由掺杂浓度来确定，实际中，掺杂浓度都是通过测量电阻率后折算出来的。 扩散的定义与图像 如果粒子在空间的浓度分布不均匀，由于粒子无规则的热运动，就可以引起粒子由浓度高的地方向浓度低的地方扩散。 把单位时间通过单位面积（垂直于扩散方向）的粒子的数目称为扩散流密度。 扩散流密度由粒子的浓度的变化所决定，其数学表达式（一维情况下）为： D：扩散系数，单位cm2/S， 粒子的浓度梯度 电子的扩散电流 空穴的扩散电流 分别为电子和空穴的扩散系数 扩散系数反映了粒子扩散本领的大小，是一个重要的物理量。载流子的扩散系数和迁移率之间存在下列确定的关系（Einstein 关系）： 载流子的总电流 在半导体有漂移和扩散时所产生的总电流，是电子电流和空穴电流的总和 过剩载流子（非平衡载流子） 非平衡态：半导体内部的载流子浓度偏离平衡值 非平衡时的载流子浓度与平衡的载流子浓度之差称为过剩载流子浓度，用 表示