施敏-半导体器件物理(第三章)

1、第三章 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 主题n电流密度方程式以及其中所含的漂移与扩散成分n连续性方程式及其中所含的产生与复合成分n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n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3.1 载流子漂移E=0123456随机热运动E123456随机运动及施加电场产生的结合运动平均自由程：碰撞间平均距离平均自由时间：碰撞间平均时间漂移速度：电子受到一个小电场的作用在碰撞时，产生一个反方向的加

2、速，这额外的速度成分，就称为漂移速度3.1.1 迁移率迁移率载流子的漂移运动：载流子在电场作用下的运动载流子的漂移运动：载流子在电场作用下的运动漂移电流漂移电流EqnqnvJdDrift引引 入入 迁迁 移移 率率 的的 概概 念念迁移率迁移率 ： 单位电场作用下载流子获得平均速度单位电场作用下载流子获得平均速度反映了载流子在电场作用下输运能力反映了载流子在电场作用下输运能力mq电子迁移率和空穴迁移率电子迁移率和空穴迁移率两种散射机制晶格散射：由于高于绝对零度下的晶格原子的热运动。uL随T-3/2方式减少。杂质散射：一个带电载流子经过一个电离的杂质时，由于库仑力的交互作用，路径发生偏移。散射几

3、率与电离杂质总浓度有关。 uI随T3/2/NT方式而变化。3.1.2 电阻率电阻率载流子的漂移运动：载流子在电场作用下的运动载流子的漂移运动：载流子在电场作用下的运动漂移电流漂移电流J=Jn+Jp=(qnun+qpup)E=q(nun+pup)电阻电阻率率：11/npqnqp 为电导率测量电阻率最常用方法：四探针法3.1.3 霍耳效应直接测量载流子浓度最常用的方法是霍耳效应其装置如图W+-EXVXEYVHI+ -V面积Axyz霍耳效应的相关内容n霍耳效应 q*Ey=q*vx*Bz 或 Ey=vx*Bzn霍耳电压 VH=Ey*Wn霍耳电场 Ey= RH* JP *Bz （其中霍耳系数RH=1/q

4、p）n对n型半导体言，也获得类似结果，但其霍耳系数RH=-1/qnn对已知电流磁场，霍耳电压的测量 P=1/（q* RH）=Jp*Bz/（q*Ey）=I*Bz*W/（q*VH*A）3.2 载流子扩散电子扩散电流：电子扩散电流：（Dn为扩散系数）为扩散系数）dxdnqDJndiffn,空穴扩散电流：空穴扩散电流：dxdpqDJpdiffp,爱因斯坦关系爱因斯坦关系:qkTD 载流子的扩散运动：载流子在化学势作用下的运动载流子的扩散运动：载流子在化学势作用下的运动电流密度方程式当浓度梯度与电场同时存在时电流密度为漂移与扩散的总和ndnJnqnEqDndx空穴流也可类似表示pdpJpqpEqDpdx

5、综合可得总传导电流JcondJnJp3.3 产生与复合过程热平衡状态：pn=ni2。非热平衡状态； pnni2 。载流子注入：导入超量载流子的过程。大部分半导体器件是通过创造出超出热平衡时的带电载流子数来工作的。光注入和电光注入和电注入是主要方式。注入是主要方式。小注入：小注入： P或或 nni2 ，会出现一些使系统恢复平衡的机制-将注入的少数载流子与多数载流子复合。复合过程释放能量，一般以光子形式辐射或对晶格产生热。辐射复合和非辐射复合辐射复合和非辐射复合。复合现象分为直接复合和间接复合。前者在如砷化镓等直接禁带半导体中较为显著；后者在间接禁带半导体中较为显著，如硅、锗。根据复合过程发生的位

6、置，又可分为：体内复合和表面复合。3.3.1 直接复合直接复合：由电子在导带和价带间直接跃迁而引起的非平衡载流子的复合过程。U=(pn-pn0)/ p非平衡载流子的寿命产生非平衡载流子的外部作用撤除后，由于半导体的内部作用，使它由非平衡态恢复到平衡态，过剩载流子逐渐消失。这一过程称为非平衡载流子的复合。非平衡载流子的平均生存时间称为非平衡载流子的寿命。使用光电导方法来测量载流子寿命： pn(t)=pn0+pGLexp(-t/p)3.3.2 间接复合 非平衡载流子通过复合中心的复合U=(pn-pn0)/ p3.3.3 表面复合在半导体的表面发生的复合过程3.3.4 俄歇复合n型型P型型3.4 连

7、续性方程式连续性方程式：考虑当漂移、扩散及复合同时发生时的总和效应电子的连续性方程：空穴的连续性方程：稳态连续性方程：连续性方程：连续性方程：ppppgpxEpxpExpDtp22稳态连续性方程：稳态连续性方程：022pdxpdEdxpdDpp空穴的连续性方程：空穴的连续性方程：pppgpJqtp1电子的连续性方程：电子的连续性方程：3.4.1 单边稳态注入单边稳态注入扩散长度扩散长度: Lp=（Dp p）1/2厚度为厚度为W样品：样品： pn(x)= pn0+pn(0)-pn0(1-w/x)半无限样品：半无限样品：pn(x)=pn0+pn(0)-pn0exp(-x/Lp)3.4.2 表面的少

8、数载流子表面的少数载流子 表面复合发生在半导体样品一端表面复合发生在半导体样品一端3.4.3 海恩海恩-肖克莱实验肖克莱实验 半导体物理中经典实验之一，是证明少数载流子的半导体物理中经典实验之一，是证明少数载流子的漂移及扩散。得到无施加电场下及施加电场下的载流漂移及扩散。得到无施加电场下及施加电场下的载流子分布。子分布。3.5 热电子发射过程：假如载流子拥有足够的能量，他们可能被发射至真空能级。金半欧姆接触3.6 隧穿过程：两个半导体样品距离为d，且势垒高qV0=电子亲和力qx，假如距离足够小，即使电子能量远小于势垒高，在左边半导体中电子也可能会跨过势垒输运，并移至右边。这个过程与量子隧穿现象有关。隧道二极管。 对硅晶体，电场不太高时，漂移速度与电场呈线性关系，当电场持续增加，漂移速度增加缓慢，在电场足够大时，漂移速度趋近饱和。（300K，107cm/s） n型砷化镓中的强电场输运与硅晶大不相同，漂移速度达到一最大值后，反而会减小，此现象是由于砷化镓的能带结构。微波转移电子器件。3.7 强电场效应雪崩过程：当半导体中的电场增加超过某一定值，载流子将得到足够能量发生雪崩电离产生电子-空穴对。如p