第三章载流子输运现象1.pptx

半导体器件物理与工艺 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概述半导体器件中，载流子有各种输运现象，包括载流子产生、漂移、扩散、复合、隧穿以及热电子发射和冲击离子化等现象；我们主要讨论以下几种情况：第一、讨论半导体中带电载流子，在电场和载流子浓度梯 度的影响下，载流子的运动情形；第二、讨论非平衡状态下，载流子浓度（空穴与电子）的 乘积np不同于平衡状态下的ni2；第三、分析考虑载流子产生与复合过程、由非平衡到平衡状态的过程；第四、分析推到半导体器件工作的基本方程式： 电流密度方程和连续性方程；第五、讨论热电子发射及隧穿过程等。3.1载流子漂移3.1.1 载流子的热运动（Thermal motion）电场 E=0E随机运动及施加电场产生的结合运动随机热运动522415431663半导体中载流子（电子和空穴）基本的运动形式包括：热运动和散射。半导体中导带中的电子或价带中的空穴将做随机的热运动，在热平衡条件下，按照统计物理规律，其热能：（Thermal Energy）～3/2kT，电子在所有的方向做快速的移动，如图所示.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 ：其中mn为电子的有效质量，而vth为电子的平均热运动速度。在室温下(300K)，上式中的电子热运动速度在硅晶及砷化镓中约为107cm/s。 ，Vth～107 cm/s . 300K单一电子的热运动可视为与晶格原子、杂质原子及其他散射中心碰撞所引发的一连串随机散射，在足够长的时间内，电子的随机运动将导致单一电子的净位移为零。热平衡时，载流子的运动是完全随机的，因此，净电流为零。其中在运动过程中，将遭遇各种散射机制的散射。平均自由程(mean free path)：碰撞（散射）间平均的距离。平均自由时间(mean free time) τc：碰撞间平均的时间- ---相邻的两次散射的平均时间间隔。平均自由程的典型值为10-5cm，平均自由时间则约为1皮秒(ps, 即10-5cm/vth≈10-12s）。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速，这额外的速度成分，就称为漂移速度3.1.2载流子迁移率（mobility）及其导出 1)迁移率定义：是用来描述半导体中载流子在单位电场下运动快慢的物理量，是描述载流子输运现象的一个重要参数，也是半导体理论中的一个非常重要的基本概念。 迁移率定义为： 单位： cm2/(V·s) 由于载流子有电子和空穴，所以迁移率也分为电子迁移率和空穴迁移率，即：电子迁移率 空穴迁移率 2）迁移率的导出 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 ：→=μnE上式说明了电子漂移速度正比于所施加的电场，而比例因子则视平均自由时间与有效质量而定，此比例因子即为迁移率。它在数值上等于单位电场强度所产生的漂移速度。 因此同理，对空穴有 迁移率是一个重要的参数，它描述了施加电场影响电子运动的强度。载流子的漂移运动：载流子在电场作用下的运动漂移电流：迁移率?：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的输运能力。E1254363.1.3漂移运动与漂移速度在外电场作用下载流子的定向运动称为漂移运动。一个电子由于随机的热运动及漂移成分使得两者所形成的位移如图所示。 值得注意的是，电子的净位移与施加的电场方向相反。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)3.1.4 影响迁移率的因素：迁移率直接与碰撞时的平均自由时间相关，而平均自由时间则取决于各种散射的机制。最重要的两种散射机制：晶格散射(lattice scattering)电离杂质散射(impurity scattering)。晶格振动引起的散射，包括声学波散射和光学波散射，又称为声子散射。晶格振动波—格波。格波波矢q代表传播方向，λ表示波长，则q=2π/ λ，格波有n个振动模式，每个振动模式的振动能量都是量