微电子概论（第3版）课件2-2-3半导体中的电流.pptx

目录1.半导体中的漂移电流和电导率2.2.3半导体中的电流2.半导体中的扩散电流4.爱因斯坦关系3.半导体中的电流表达式

引言：半导体中每种载流子均具有“漂移”和“扩散”两种电流传导机理。重点理解电流形成机理以及“迁移率”和“扩散系数”这两个本征半导体材料特性的参数的含义。

1.半导体中的漂移电流（DriftCurrent）和电导率（Conductivity）(1)迁移率（Mobility）电场作用下半导体中载流子的漂移速度与电场强度之比子称为载流子的迁移率，记为μ。显然，迁移率越大，在一定的电场作用下，载流子偏移速度越大，输运电流能力越强。

1.半导体中的漂移电流（DriftCurrent）和电导率（Conductivity）(1)迁移率（Mobility）SiGeGaAs电子迁移率μn150039008500空穴迁移率μp4501900400几种半导体材料的迁移率（cm2/V.s）两点重要结论：半导体材料中电子迁移率大于空穴迁移率，因此集成电路中，以电子导电为主的n沟MOS器件特性优于p沟MOS器件；npn器件特性优于pnp器件。化合物半导体GaAs材料电子迁移率大于Si中电子迁移率，因此，手机等电子设备中工作频率较高的射频器件采用GaAs材料制作。

1.半导体中的漂移电流（DriftCurrent）和电导率（Conductivity）(1)迁移率（Mobility）若电场不是很强，载流子的漂移速度与电场强度成正比。如果电场很强，由于各种“碰撞”作用决定的漂移速度不再与电场强度成正比，而是趋于一个常数，称为饱和漂移速度。当场强大于5×105V/cm，硅中电子漂移速度达到饱和值107cm/s

1.半导体中的漂移电流（DriftCurrent）和电导率（Conductivity）(2)漂移电流根据普通物理内容，若电子和空穴的漂移速度分别为νn和νp，则形成的漂移电流分别为：In=-Aqnνn，p=Aqpνp代入νn=-μnE，νp=μpE得到总的漂移电流I为I=In+Ip=Aq(μnn+μpp)E=AσE记为I=AσE由此得半导体的电导率σ为σ=qμnn+qμpp

1.半导体中的漂移电流（DriftCurrent）和电导率（Conductivity）(2)漂移电流对于p型半导体，多子空穴浓度p远大于少子电子浓度n，则漂移电流密度J=σE电导率σ=qμnn+qμppσ≈qμpp对于n型半导体，多子电子浓度n远大于少子空穴浓度p，则σ≈qμnn

2.半导体中的扩散电流（DiffusionCurrent）(1)自然界普遍存在的扩散现象半导体中的扩散电流在半导体器件的工作中，特别是在pn结二极管和双极晶体管工作中起着非常重要的作用。自然界中任何物质都有一种从浓度高的地方向浓度低的地方运动使其达到均匀分布的趋势。这种由于浓度梯度存在引起的运动称为扩散运动。

2.半导体中的扩散电流（DiffusionCurrent）(2)载流子的扩散运动理论分析和实验结果均表明，扩散流密度的大小与粒子浓度梯度成正比，扩散流方向指向浓度减少方向。如果电子和空穴载流子分布不均匀，由扩散运动形成的扩散流分别为式中Dn和Dp分别称为载流子电子和空穴的扩散系数，单位为cm2/s。显然，扩散系数的大小反映了扩散本领的强弱。

2.半导体中的扩散电流（DiffusionCurrent）(2)载流子的扩散运动在生活中能明显体会到气体中扩散系数最大，液体中扩散系数则较小，但是还是能直观看到。而室温下固体中扩散系数非常小，几乎趋于0。但是固体中扩散系数随着温度的升高而指数增加，这一特性在集成电路制作过程中起到很大作用。

2.半导体中的扩散电流（DiffusionCurrent）(3)扩散电流由于空穴和电子分别带正电荷(＋q)、负电荷(-q），因此伴随着它们的扩散运动必然导致电荷的输运，形成电流，称为扩散电流。

3.半导体中的电流表达式如果半导体内部载流子浓度分布不均匀，同时又有外加电场的作用，则半导体中总的电子电流和空穴电流分别为半导体中存在两种载流子、每种载流子又具有两种电流机理是半导体具有多种特点的主要原因。

4.爱因斯坦关系因为扩散和漂移都是统计热力学综合现象，反映了载流子伴随热运动的两种不同运动形式，分析可得扩散系数D和迁移率μ之间存在下述爱因斯坦关系式中k为波尔兹曼常数，kT/q称为热电势。室温下，kT/q为0.026V电子迁移率大于空穴迁移率，因此电子扩散系数也必然大于空穴扩散系数。