3.3.2散射的移动率.ppt

Chapter 3　同質半導體中的電流流動　P 第 1 部分　材　料 Chapter　3 同質半導體中的電流流動 3.1　簡　介 3.2　漂移電流 3.3　載子移動率 3.4　擴散電流 3.5　載子的產生和復合 3.6　半導體中光的過程 3.7　連續性方程式 3.8　少數載子壽命 3.9　少數載子擴散長度 3.10　準費米能階 3.11　結　論 3.1　簡介 電荷載子在半導體中運動有兩種基本機制：漂移 (drift) 和擴散 (dif-fusion)。我們先從漂移電流開始，它的發生是由於電子和電洞在電場中運動；接下來我們會討論擴散電流，它是由於載子濃度隨位置而變 3.2　漂移電流 一個平衡的半導體，它的總淨電流為零。雖然因為熱能的關係，電子和電洞會移動，但它們的移動方向是完全任意方向的，所以個別電荷的移動，加總起來的總電流為零 考慮傳導帶中的一個電子，若沒有外加電場，它的路徑會如圖3.1(a) 所示；在每一次碰撞以後，新的方向是任意的，所以平均而言，電子沒有在特定方向行進且淨電流為零 當有一個外加電場施加到半導上時，帶負電的電子被加速且帶正電的電洞以相反的方向被加速，一個電荷的任意淨的運動都會產生電流，所以這種運動稱為“漂移電流” 總漂移電流是電子電流和電洞電流的和 一旦外加電場，樣品不再是平衡的，這個時候，p≠p0 假設由電場產生的電洞平均 ( 漂移 ) 速度為 ?dp，在時間dt，穿過面積 A 的總電荷會等於Q = qpA?dp dt，因為電流定義成單位時間穿過一個平面的電荷 　 電洞電流密度為 Jp = Ip / A 3.3　載子移動率 從這些曲線我們可以看到： 在低的雜質濃度，多數載子和少數載子電子漂移率會趨近於相同的值：μn ≈ 1330 cm2 /V·s。 對於電洞有相同的結果： μp ≈ 495 cm2 /V·s 。 電子和電洞移動率 ( 多數和少數載子 ) 隨著雜質濃度的增加而降低。 對於一所給的摻雜濃度，電子和電洞的少數載子漂移率會大於多數載子漂移率。 隨著濃度的增加，這些微小差值會跟著增加。 例題3.1 例題3.1(續) 例題3.1(續) 例題3.1(續) 例題3.1(續) 例題3.1(續) 3.3.1　載子擴散 　離子化的雜子散射 當電子或電洞趨近離子化的雜質時，會因庫侖力而偏向，這稱為離子化的雜質散射 (ionized impurity scattering) 　晶格 ( 聲子 ) 散射 另外一種影響載子移動率的是晶格散射，經常稱為聲子散射 原子的振動會在晶格中產生壓力 ( 聲 ) 波，這些壓力波又稱為聲子 (pho-nons) 把聲子想成粒子，一個聲子可以和一個電子 ( 或電洞 ) 產生碰撞而將它散射，聲子的能量是很小，約小於0.1 eV 3.3.2　散射的移動率 例題3.2 3.3.3　雜質能帶的移動率 在未補償 (uncompensated) 材料中，這個機制 ( 多數載子被施體或受體狀態降低速度 ) 僅對多數載子是重要的 3.3.4　移動率的溫度關係 當溫度增加時，因為聲子濃度會增加而導致散射增加，所以由於晶格散射會使得載子移動率降低。對於矽而言，由於晶格散射造成的移動率隨溫度變化的關係，對於電子是T-2.6，而電洞則為T-2.3。 離子化雜質散射的效應是隨著溫度增加而減少，這是因為載子的平均熱速度增加了，所以當載子通過離子化雜質時與之接近的時間較短，以致離子的散射效應降低 3.3.5　高電場效應 在高電場下，碰撞之間的平均自由時間　會 E 增加而減少，而導致移動率降低。 在低電場下，漂移速度 ?d 和 E 成正比，所以 μ 是常數，這個 μ 的值稱為低電場移動率μlf 當電場增加時，?d 增加緩慢並趨近於一個極限速度 ?sat ，?sat 的值在Si中，對於電子和電洞約為 1 × 107 cm / s，而在GaAs中的電子和Ge中的電洞和電子，約在6 × 106 cm / s 。 3.4　擴散電流 擴散是可移動的粒子從高濃度區移動到低濃度區的一種過程，這種擴散是來自於粒子的隨機 ( 熱 ) 運動 考慮 x = x0 的平面，電子以任意的方向通過這個平面。在平面的左邊電子有一個較高的濃度nL ，有一半往右走，另一半往左走。在右邊有一個較小的電子濃度nR，而這些中有一半會往左邊走；所以比起從右邊到左邊，會有較多的電子從左邊到右邊穿過 x = x0 的平面，所以有一個往右邊的淨電子流動 圖3.11顯示了室溫下，Si中少數和多數載子，電子和電洞的擴散係數與摻雜濃度的關係 3.5　載子的產生和復合 創造電子 - 電洞對或電子從價電帶激發到傳導帶的過程稱為產生 (generation)。 電子從傳導帶移動到價電帶，如此一個個電子 - 電