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半导体输运
* 载流子的漂移---迁移率 载流子的漂移运动:载流子在电场作用下的运动 考虑电子在两次碰撞之间,自由飞行时间内动量定律: vn为电子漂移速度,?n为电子平均自由运行时间。 电子漂移速度正比于施加电场。 定义?n为电子迁移率: 迁移率表示单位电场强度下载流子的平均漂移速度,单位:cm2/(V?s),其描述了外加电场作用下载流子运动的强度。 * 空穴迁移率?p 空穴漂移速度vp 空穴动量定律 vp为电子漂移速度,?p为空穴平均自由运行时间。 * 影响迁移率的因素 有效质量m*------同一半导体材料,电子有效质量小于空穴,故电子迁移率总是大于空穴迁移率,?n?p。 平均自由运行时间?------?为载流子散射几率P的倒数: 载流子平均自由运行时间?,与载流子在晶体内的散射机制密切相关:晶格散射和电离杂质散射。 * 晶格散射:温度升高,晶格振动加剧,散射几率P提高,?减小。因此与晶格散射有关的迁移率随温度升高降低。?L?T-3/2。 电离杂质散射:杂质散射的几率显然随杂质浓度的提高而增加;杂质散射的几率随温度升高而降低,这是由于较高温度下,载流子热运动较快,受到杂质库仑作用的时间较短。因此与杂质散射有关的迁移率随温度升高而增加。 ?I?T3/2。 总的来说,迁移率是载流子有效质量、温度和杂质浓度的函数。随有效质量减小,迁移率增加。随电离杂质密度增加,迁移率降低;随温度的变化较为复杂,要分析哪种散射机制占优。 * ?n(cm2/V·s) ?p (cm2/V·s) Si 1350 480 GaAs 8500 400 Ge 3900 1900 Si、Ge和GaAs的迁移率(T=300K,低掺杂浓度) 电子迁移率比空穴迁移率大,因为电子有效质量小。 GaAs的电子迁移率远大于Si的,因此可以构建高速半导体器件。 * 一定温度下,迁移率随施主杂质浓度增高而降低 较低温度,电离散射占优,迁移率随温度升高而增加。(掺杂浓度越高越显著) 较高温度,迁移率随温度升高而降低,晶格散射主导。 Si单晶中,电子迁移率随温度和电离杂质密度的变化情形: * 半导体电导率 半导体包含两类载流子:电子和空穴。外加电场作用下总的漂移电流为: 结合微分欧姆定律J=?E,可得半导体的电导率?为: 电阻率?为: 半导体材料的电导(阻)率与材料内部载流子浓度及其迁移率有关。 * 在杂质半导体中,主要是一种载流子导电,于是: 杂质浓度 温度T 迁移率 载流子浓度n,p 电导率或电阻率 影响电导率或电阻率的重要因素: * 杂质浓度升高,载流子浓度升高,故电阻率下降。杂质浓度对迁移率的影响相对较弱。 杂质浓度影响 * 温度影响-----本征半导体 无电离杂质散射,故?L?T-3/2 载流子浓度随温度升高指数增加 随温度升高,载流子浓度指数增加,迁移率降低,总体电导率增大,电阻率下降(与金属对比)。 * 电阻率随温度T的变化 AB段:本征激发忽略,温度升高,杂质电离程度增大,载流子浓度升高,电离杂质引起的迁移率随温度升高增大,电阻率下降。 T ? A B C D BC段:杂质全部电离,本征激发仍不显著,载流子浓度不随温度改变,晶格散射主导,迁移率随温度升高降低,故??。 CD段:本征激发主导,载流子浓度随温度升高急剧增高,电阻率随温度升高快速降低。 温度影响-----非本征半导体 * 霍耳效应是半导体材料(或金属材料)在电场和磁场共同作用下表现出的一种现象。最先是在金属中发现的(Hall, 1879),但在半导体中这个效应更为显著。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。 霍尔效应:电流?洛伦兹力?电荷积累?横向电场 (压)?稳态特征:洛伦兹力和电场力平衡。 电流密度(P型半导体为例): Ey为霍尔电场强度,方向正y方向,其大小正比电流密度和磁感应强度乘积,定义比例系数为霍尔系数RH=1/pq。 * P型半导体霍尔系数: N型半导体霍尔系数是负值: 霍耳系数与载流子数目成反比,因此半导体的霍耳效应比金属强得多。 由霍耳系数的测定可以直接测得载流子浓度。 根据霍尔系数符号可以确定是空穴还是电子导电(即n型或p型)。 电子为负,空穴为正。 * 产生和复合 N型半导体主要依靠电子导电,同时还存在少量空穴。其中电子称为多数载流子,简称多子,空穴则称为少数载流子,简称少子。P型半导体中,空穴是多子,电子是少子。 处于热平衡态的半导体,一定温度下,载流子浓度是一定的。这种处于热平衡态下的载流子称为平衡载流子浓度,n0和p0的乘积满足: Ec Ev G R 外界作用使一个电子跃迁到导带,产生一个电子和空穴对,这个过程称为载流子产生。 当一个电子从导带跃迁回价带,一个电子和空穴对消失,这个反向过程称为载流子复合。 热平衡态下,产生过程和复合过程动态平衡,载流子浓度维持常数,且维
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