载流子的行为问答.pptVIP

当外加电场较弱时．迁移率μ和电导率σ与?无关，υd，j与?存在线性关系；当电场强度接近或超过105V／m时，μ、σ不能视为与电场强度无关的常数，υd，j表现出与?的非线性关系，μ随?的增加而降低。这时，载流子处于非平衡状态，单位时间从电场中获得的能量超过受晶格散射时给予晶格的能量，使其平均能量和平均速度比热平衡时的大。在平均自由程不变的情况下，平均自由时间减小，即更加频繁地与晶格碰撞，因而迁移率降低。当?不是很强时，载流子主要吸收和发射声学声子，μ有所降低；当?进一步增强时，载流子从电场中获得很高的能量，散射时能够发射光学声子，于是能量大部分又损失，因而υd可以达到饱和第90页，共140页，星期日，2025年，2月5日综上所述，一般半导体的-关系可用图2-52的曲线表示。当电场再增加时，就会发生击穿现象，参见“齐纳效应”和“隧道效应”。砷化镓等半导体在ξ较大时，令人惊奇地表现出“增大，减小”的现象，关系曲线如图2-53所示(为便于比较，图中还画出硅的-曲线)，这可从砷化镓的特殊导带结构得到解释。图2－52图2－53第91页，共140页，星期日，2025年，2月5日砷化镓导带有两个能量极小位置，称作双能谷结构，如图2-54。注意横坐标是波矢(也就是在动量空间画的能带图)，而不是本章其他各节常用的空间位置坐标。由图可见，在k=0和[100]方向各有一个能谷，分别为能谷1和能谷2，前者曲率比后者大。根据电子有效质量定义知能谷2电子有效质量比能谷1大，即，实验测得，(mo为电子静止质量)。m*大，就表示电子“惯性”大，不易被电场加速，迁移率也就小，所以μ1μ2图2－54第92页，共140页，星期日，2025年，2月5日在无外场时，电子几乎全部处于能量较低的能谷1中。当外电压使砷化镓内部电场超过3×105V／m时，能谷1中的电子可以从电场中获得超过0.38eV的能量。当它们与晶格原子或杂质离子碰撞时，动量大小和方向发生改变，这样就有可能进入能谷2中，同时吸引或发射一个声子。电子发生上述转移后，迁移率大大下降，漂移速度减小。对N型砷化镓，设n1，n2分别为处于能谷1和能谷2中的电子浓度，总电子浓度n=n1+n2，则平均迁移率可表示为，平均漂移速度就为第93页，共140页，星期日，2025年，2月5日当电场?较小时，n≈n1，当电场?很大时，当?大小介于以上二者之间时，电子正处于由能谷1向能谷2转移的过程中，n1不断减小，n2不断增大，因为μ1μ2，所以μ随?增大而减小，即υd不断减小。以上υd随?变化的定性分析可用图2-55表示。在?1??2区域内，迁移率由μ1变化到μ2，当ξ大于阈值电场?T时，有这表示半导体具有负微分电导（即负阻），此性质使砷化镓这类半导体具有重要作用。图2－55第94页，共140页，星期日，2025年，2月5日半导体处于负微分电导区，是产生耿氏振荡的必要条件。由于样品局部不均匀或热扰动，将在某处（一般总是阴极附近）引起微量空间电荷，若工作于正微分电导区，这一空间电荷将很快消失(正象导体内部不存在净电荷一样)，而当工作于负微分电导区时，空间电荷将迅速增多，这是因为电荷区内电场比周围高，电子漂移速度比周围小，于是在它面向阳极的一侧便缺少电子，而面向阴极的一侧便有电荷的积累。这种由耗尽层和积累层构成的电荷偶极区，称为“畴”，可用图2-56表示。图2－56第95页，共140页，星期日，2025年，2月5日畴形成以后，其内部电场更强，引起电子进一步积累和耗尽。在畴的这个生长过程中，加在样品两端的电压恒定，使畴外电场减小，当它小到?T以下时，畴内电场也能增大到?2以上，这样两者都将越出负微分电导区。当畴内外电场分别为?b、?a时(图2-57)，它们的υd相等，畴就停止生长，形成一个稳态畴。图2－57第96页，共140页，星期日，2025年，2月5日在畴的形成直至稳态以后的整个过程中，畴不断地由阴极向阳极漂移，如图2-58。它到达阳极后，畴消失，电流猛增。随后，样品又工作千负微电导区，又开始新畴的形成和转移，使电流迅速下降。样品周期性地重复以上过程，就构成了振荡电流(图2-59)，这就是耿氏振荡。由上述分析可知，振荡频率即是畴形成的频率，ν＝υ0/ι式中υ0为稳态畴的漂移速度，ι为样品长度。在电路中，负阻或负阻微分电导等价于正反馈，任何一点涨落都将在电路中引起振荡。利用耿氏效应工作的半导体器件叫做转移电子器件，俗称耿氏二极管，是重要的有源微波器件，用作微波振荡和放大器，也可以做成各种逻辑功能器件，具有高速率、易集成、高输入阻抗、高灵敏等优点。图2-58