4第四章电磁场中的输运现象.pptx

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第四章? 电磁场中的输运现象 §1载流子的漂移运动 §2半导体的主要散射机构 §3关于迁移率的讨论 §4电阻率与杂质浓度和温度的关系 §5霍耳效应 Semiconductor Physics ?上一章: 平衡统计问题 ?这一章: 在外电场及外磁场作用下,载流子的运动—电荷的输运问题 讨论的条件: ? 温度是均匀的; ? 样品均匀掺杂; ? 外场是弱场(弱电场, 弱磁场) ?电子器件通常是通过载流子输运实现信息的传输、处理、存储的,因此,了解载流子输运规律是研究半导体器件性能的基础。 Semiconductor Physics§ 1 载流子的漂移运动欧姆定律?迁移率 Semiconductor Physics漂移运动和漂移速度有外加电压时,导体内部的自由电子受到电场力的作用,沿着电场的反方向作定向运动形成电流。电子在电场力作用下的定向运动称为漂移运动,定向运动的速度称为漂移速度。 ★欧姆定律一般形式: 对于一个两端施加电压为V,电阻为R的导体,其电流I有: I=V/R对于棒状导体有:R=?l/s ?:导体电阻率,有?=1/?( ? 为电导率); l:导体长度; s:导体截面积; Semiconductor Physics ★欧姆定律欧姆定律的微分形式:取柱状微元,设微元电流为?S,电流为?I,则电流密度有:J= ?I/ ?S根据前面有: ?I=V/R=V·?S·?/l; 电场强度?=V/l 因此有:J= ?·? Semiconductor Physics ★迁移率无外场时,半导体中的载流子作无规则的热运动 Semiconductor Physics在外电场下,载流子受到电场力F,总的效果是,载流子在电场力的作用下作定向运动—漂移运动: a=dv/dt=(1/m*)F 根据: J= ?I/ ?S有:J=n·q·vd ; n为电荷浓度,q为电荷电量,vd为电荷移动速度; 根据J= ?·?,而实际材料的?在特定温度下为常数; 因此比较两式有vd与?成正比,有: vd = ??,?称为电荷的漂移率; 因此有:J=nq??,因此有?=nq?(电导率和迁移率之间的关系)解释:由于散射(碰撞)的存在,载流子的动量不会无限地增加。其速度的统计平均值—漂移速度: vd 当外加电场不是太大,可有 vd ?ε ? Vd是外电场和散射共同作用的结果 ? μ是单位场强下载流子的漂移速度, 反映了散射作用的大小。 表征了在单位电场下载流子的平均漂移速度。 它是表示半导体电迁移能力的重要参数。 Semiconductor Physics ★欧姆定律微分形式:j=σε对半导体,两种载流子导电: j =( neμ-+ peμ+) ε σ= neμ-+ peμ+ 因此半导体材料的电导率决定于载流子浓度和迁移率在弱电场条件下,半导体的遵循欧姆定律;在相同电场下,电子和空穴的漂移速度不会相同, 迁移率也就不同。 Semiconductor Physics ? 一般形式σ= neμ-+ peμ+ ? n型半导体,n??p, σ= neμ- ? p型半导体,p??n, σ= peμ+ ? 本征半导体,n=p=ni,σ= nie(μ-+μ+) Semiconductor Physics§ 2 半导体的主要散射机构 (1)? 载流子的散射 (2)? 电离杂质的散射 (3)晶格散射 (4)其他因素引起的散射 Semiconductor Physics载流子的漂移运动 半导体中的载流子在电场作用下作漂移运动。在运动过程中,载流子会与晶格原子、杂质原子或其他散射中心 碰撞;速度和运动方向将会发生改变;可能从晶格中获得能量,速度变大;也有可能把能量交给晶格,速度变小;散射情况下,载流子的运动分析:自由程l:相邻两次散射之间自由运动的路程。平均自由程:连续两次散射间自由运动的平均路程。散射几率P:单位时间内一个载流子被散射的次数。 ★载流子的散射 ①散射的起因: 周期势场的被破坏, 附加势场对载流子起散射作用. (理想晶格不起散射作用) ②散射的结果: 无外场时,散射作用使载流子作无规则热运动, 载流子的总动量仍然=0在外场下,载流子的动量不会无限增加. 迁移率即反映了散射作用的强弱. vd =με Semiconductor Physics ★载流子的散射 Semiconductor Physics③散射几率: P (单位时间内一个载流子受到散射的次数)载流子在连续二次散射之间自由运动的平均时间--平均自由时间 τ=1/P载流子在连续二次散射之间自由运动的平均路程--平均自由程 λ= vT?τ vT—电子的热运动速度数量级估算 载流子在Si中的平均自由程1nm~1um,对应平均自由时间1fs~1ps Semiconductor Physics由于

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