固體電子學導論

固體電子學導論第1頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月Conductor104~105s·cm-1Insulator10-18~10-10s·cm-1Semiconductor10-10~104s·cm-1（1）電導率介于導體與絕緣體之間半導體一般特性（2）對溫度、光照、濕度敏感（3）性質(zhì)與摻雜密切相關(guān)第2頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月Elemental（元素）Compounds（化合物）Alloys（合金）指兩種或多種金屬混合，形成某種化合物classifiedas半導體材料第3頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月第4章半導體中電子的狀態(tài)4.1電子的分布4.2載流子的調(diào)節(jié)4.3載流子的復合4.4載流子的散射4.5載流子的漂移4.6載流子的擴散4.7載流子的完整運動第4頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1電子的分布一.載流子晶體導體絕緣體半導體能帶中一定有不滿帶T=0K，能帶中只有滿帶和空帶能帶中只有滿帶和空帶,但禁帶寬度較窄,一般小于2ev電子對能帶填充情況不同1.半導體第5頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月（a）滿帶的情況(b)不滿帶的情況無外場時晶體電子能量E-k圖

(a)滿帶(b)不滿帶

有電場時晶體電子的E-k圖A不導電不導電導電第6頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月典型的半導體元素Si、Ge的能帶第7頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月2.近滿帶與空穴第8頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月*假想在空的k’態(tài)中放入一個電子，這個電子的電流等于-qv（k’）*設近滿帶電流為j（k），那么（1）

j（k）+[-qv（k’）]=0

（滿帶電流為零）即

j（k）=qv（k’）空穴如同一個帶正電荷q的粒子。第9頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)論：當滿帶附近有空狀態(tài)k’時，整個能帶中的電流，以及電流在外場作用下的變化，完全如同存在一個帶正電荷q和具有正有效質(zhì)量|mn*|

、速度為v（k’）的粒子的情況一樣，這樣假想的粒子稱為空穴。半導體是兩種載流子參于導電。統(tǒng)稱載流子電子空穴第10頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月二.載流子的分布1.能帶圖和費米能級E-KE-x電子主要存在于導帶底空穴主要存在于價帶頂ECEV能帶的兩種圖示法第11頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月能帶圖~價鍵圖第12頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月費米能級的位置n電子=p空穴n電子>>p空穴n電子<<p空穴本征半導體n型半導體p型半導體第13頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月未通電通電費米能級傾斜費米能級分裂準費米能級外界能量的注入，體系偏離熱平衡狀態(tài)，統(tǒng)一的費米能級不再存在—非平衡態(tài)空穴的準費米能級電子的準費米能級非平衡態(tài)導致載流子變化非平衡載流子第14頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月2.電中性電中性就是指因為庫倫力的作用，空間任何位置的帶電粒子分布穩(wěn)定不隨時間變化時，其正負電荷總量必定相等，對外呈現(xiàn)電中性。載流子子非穩(wěn)定分布載流子子穩(wěn)定分布非電中性電中性半導體中局部多數(shù)載流子的產(chǎn)生與消亡的過程，伴隨著電荷和電場的出現(xiàn)與消失，也是一種電極化弛豫過程，相應的時間也稱為介電弛豫時間。弛豫過程第15頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月相對于少數(shù)載流子的壽命而言，多數(shù)載流子的介電弛豫時間往往短得可以忽略。載流子介電弛豫模型弛豫時間半導體材料的介電常數(shù)半導體材料的電阻率第16頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月熱平衡注入的空穴破壞了空間的電中性導帶電子向左移動第17頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月三.載流子的數(shù)量與能帶結(jié)構(gòu)密切相關(guān)1.典型半導體的能帶結(jié)構(gòu)自由電子晶體中電子各向異性（各向同性）（導帶底附近）（價帶頂附近）第18頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月Si:Eg=1.17eVGe：Eg=0.74eVGaAs:Eg=1.16eVT=0K1-Heavyholes2-Lightholes第19頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月硅的導帶底附近的等能面形狀，沿<100>軸的6個橢球鍺的導帶底等能面形狀，沿<111>軸的8個橢球砷化鎵的導帶底?第20頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬自由電子g(E)半導體導帶電子gc(E)2.能態(tài)密度（Densityofstates）第21頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月對于Si,Ge其中:Ge:s:thenumberofellipsoidalsurfaceslyingwithinthefirstBrillouin導帶底電子狀態(tài)密度有效質(zhì)量Si:s=6s=(1/2)8=4第22頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月載流子濃度=(∫狀態(tài)密度g(E)×分布函數(shù)f(E)dE)/V能態(tài)密度g(E)—單位能量間隔中的量子態(tài)數(shù)（能級數(shù)）分布函數(shù)f(E)—能量為E的量子態(tài)被一個粒子占據(jù)的幾率.3.載流子濃度（Carrierconcentration)第23頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月*分布函數(shù)f(E)半導體導帶中的電子按能量的分布服從費米統(tǒng)計分布。——玻爾茲曼分布fermifunction非簡并半導體（nondegeneratedsemiconductor）簡并半導體（degeneratedsemiconductor）第24頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月*導帶電子濃度n令Etop→∞則χtop→∞第25頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月導帶的有效狀態(tài)密度Nc電子占據(jù)量子態(tài)Ec的幾率第26頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月*能態(tài)密度：價帶空穴濃度（Holeconcentration)*分布函數(shù)fV(E）fV(E）表示空穴占據(jù)能態(tài)E的幾率，即能態(tài)E不被電子占據(jù)的幾率。第27頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月*價帶空穴濃度p0價帶的有效狀態(tài)密度Nv價帶頂部EV態(tài)被空穴占據(jù)的幾率第28頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月1.EF

的高低反映了半導體的摻雜水平。EF越靠近導帶底，表明導帶中的電子濃度越高;EF越靠近價帶頂，表明價帶中的空穴濃度越高.2.n0

與p0的乘積與EF無關(guān)即與摻雜無關(guān)。3.滿足電中性關(guān)系(ChargeNeutralityRelationship)分析Q+空間正電荷濃度，Q-空間負電荷濃度第29頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月4.非平衡載流子與準費米能級準費米能級電子和空穴準費米能級的差反映了半導體偏離平衡態(tài)的程度.第30頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月第4章半導體中電子的狀態(tài)4.1電子的分布4.2載流子的調(diào)節(jié)4.3載流子的復合4.4載流子的散射4.5載流子的漂移4.6載流子的擴散4.7載流子的完整運動第31頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月熱、光、電、磁、聲——外部作用4.2載流子的調(diào)節(jié)載流子的調(diào)節(jié)人為摻雜質(zhì)——內(nèi)部作用一.本征半導體——沒有雜質(zhì)和缺陷的純凈的半導體Intrinsic

Semiconductor本征激發(fā):T>0K時,電子從價帶激發(fā)到導帶,同時價帶中產(chǎn)生空穴.第32頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月n0=p0=ni

ni------本征載流子濃度

n0p0=ni

2

n0=p0=ni

第33頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)論:本征半導體的費米能級Ei基本位于禁帶中央.本征半導體的費米能級EF一般用Ei表示第34頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月Intrinsiccarrierconcentrationni

(本征載流子濃度)

結(jié)論:本征載流子濃度ni隨溫度升高而增加.lnni~1/T基本是直線關(guān)系.第35頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月*從si的共價鍵平面圖看:P15:1S22S22P63S23P3Doped/extrinsicSemiconductor(1)Donor（施主雜質(zhì)）n型半導體

Ⅳ族元素硅、鍺中摻Ⅴ族元素,如P:二.摻雜半導體—原理1.常規(guī)摻雜調(diào)節(jié)半導體的導電性（導電類型和導電能力）第36頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月

這種束縛比共價鍵的束縛弱得多,只要很少的能量就可以使它掙脫束縛,成為導帶中的自由粒子.這個過程稱雜質(zhì)電離.第37頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月

結(jié)論:

磷雜質(zhì)在硅、鍺中電離時，能夠釋放電子而產(chǎn)生導電電子并形成正電中心。這種雜質(zhì)稱施主雜質(zhì)。摻施主雜質(zhì)后，導帶中的導電電子增多，增強了半導體的導電能力。主要依靠導帶電子導電的半導體稱n型半導體。

結(jié)論:

磷雜質(zhì)在硅、鍺中電離時，能夠釋放電子而產(chǎn)生導電電子并形成正電中心。這種雜質(zhì)稱施主雜質(zhì)。摻施主雜質(zhì)后，導帶中的導電電子增多，增強了半導體的導電能力。第38頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）Acceptor(受主雜質(zhì))p型半導體Ⅳ族元素硅、鍺中摻Ⅲ族元素,如硼（B）:*從si的共價鍵平面圖看:B13:1S22S22P63S23P1小結(jié)：純凈半導體中摻入受主雜質(zhì)后，受主雜質(zhì)電離，使價帶中的導電空穴增多，增強了半導體的導電能力。主要依靠價帶空穴導電的半導體稱p型半導體。第39頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月*從Si的電子能量圖看:第40頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月半導體中同時存在施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)時，它們之間有相互抵消的作用——雜質(zhì)補償作用。*當ND》NA時，n=ND-NA≈ND半導體是n型*當ND《NA時，p=NA-ND≈NA半導體是p型*當ND≈

NA時，

雜質(zhì)的高度補償ND——施主雜質(zhì)濃度NA——受主雜質(zhì)濃度

n——導帶電子濃度p——價帶空穴濃度（3）雜質(zhì)的補償作用

第41頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）深能級雜質(zhì)0.54eV+0.35eVSi晶體中的Au能級EcEvEAED2.特殊摻雜深能級雜質(zhì)----減少非平衡載流子生存時間重摻雜-----高導電性、高電荷密度等第42頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月對于簡并半導體,導帶底部的量子態(tài)基本被電子占滿.電子分布函數(shù)不再能近似為玻爾茲曼分布函數(shù)了,而要用費米分布描述。（2）重摻雜

摻雜濃度高，EC-EF

與或EF–EV越小

（F-D）（M-B）第43頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月雜質(zhì)能級—雜質(zhì)能帶

在重摻雜的簡并半導體中,雜質(zhì)濃度很高.雜質(zhì)原子相互靠近,被雜質(zhì)原子束縛的電子的波函數(shù)顯著重疊,這時電子作共有化運動.那么,雜質(zhì)能級擴展為雜質(zhì)能帶.

雜質(zhì)能帶中的電子,可以通過雜質(zhì)原子間共有化運動參加導電---雜質(zhì)帶導電.第44頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月當摻雜濃度很高時,會使

EF接近或進入了導帶.—半導體簡并化了.EC-EF>2k0T非簡并

簡并化條件0<EC-EF<

2k0T弱簡并EC-EF<0簡并第45頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月雜質(zhì)電離能的計算氫原子類氫原子模型三.摻雜半導體—計算1.雜質(zhì)能級計算第46頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月氫原子晶體中原子第47頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月雜質(zhì)能級與費米能級的相對位置施主能級被電子占據(jù)的概率：*分布函數(shù)fD(E）:施主雜質(zhì)能級與導帶中的能級不同,只能是以下兩種情況之一:

(1)

被一個有任一自旋方向的電子所占據(jù);(2)不接受電子

受主能級被空穴占據(jù)的概率：第48頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月*施主能級上的電子濃度nD電離了的施主濃度(ionizeddonors)*施主雜質(zhì)能級的態(tài)密度=所摻施主雜質(zhì)的濃度ND(E=ED)，顯然第49頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月*受主雜質(zhì)能級的態(tài)密度=所摻受主雜質(zhì)的濃度NA(E=EA)，顯然*受主能級上的空穴濃度PA：電離了的受主雜質(zhì)濃度(ionizedacceptors)第50頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月分析雜質(zhì)能級與費米能級的相對位置明顯反映了電子和空穴占據(jù)雜質(zhì)能級情況！2反之，費米能級在施主雜質(zhì)能級

之上時，施主雜質(zhì)基本上沒有電離費米能級遠在施主雜質(zhì)能級

之下時，即時，

則?？梢哉J為施主雜質(zhì)幾乎全部電離。3.費米能級與施主雜質(zhì)能級

重合時，受主雜質(zhì)情況，同學照此可自己分析第51頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月電中性方程:以只含施主為例來分析：分溫區(qū)討論：(1)低溫弱電離區(qū)電中性方程Freeze-out2.載流子濃度計算非簡并情況第52頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月兩邊取對數(shù)并整理,得:ED起了本征情況下EV的作用載流子濃度:第53頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)中溫強電離區(qū)電中性方程兩邊取對數(shù)并整理,得:載流子濃度:第54頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月(本征激發(fā)不可忽略)電中性方程(3)過渡區(qū)n0---多數(shù)載流子p0---少數(shù)載流子第55頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月(4)高溫本征區(qū)(本征激發(fā)產(chǎn)生的載流子遠多于雜質(zhì)電離產(chǎn)生的載流子)電中性方程載流子濃度:第56頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月溫區(qū)低溫中溫高溫

費米能級載流子濃度第57頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月簡并情況電子和空穴的分布規(guī)律不再能用波爾茲曼分布來近似，而必須采用費米-狄拉克分布。第58頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月類似的費米積分第59頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月例.一塊補償硅材料，已知摻入受主雜質(zhì)濃度NA=1×1015cm-3,室溫下測得其費米能級位置恰好與施主能級重合，并測得熱平衡時電子濃度n0=5×1015cm-3

。已知室溫下硅本征載流子濃度ni=1.5×1010cm-3。試問：（1）熱平衡時空穴濃度為多少？（2）摻入材料中的施主雜質(zhì)濃度為多少？（3）電離雜質(zhì)中心為多少？（4）中性雜質(zhì)中心為多少？第60頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月第4章半導體中電子的狀態(tài)4.1電子的分布4.2載流子的調(diào)節(jié)4.3載流子的復合4.4載流子的散射4.5載流子的漂移4.6載流子的擴散4.7載流子的完整運動第61頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3載流子的復合產(chǎn)生率GGenerationrate：單位時間和單位體積內(nèi)所產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)復合率RRecombinationrate：單位時間和單位體積內(nèi)復合掉的電子-空穴對數(shù)產(chǎn)生和復合相互伴隨。熱平衡：復合率=熱產(chǎn)生率非熱平衡：存在凈復合或凈產(chǎn)生產(chǎn)生=復合，穩(wěn)態(tài)載流子增或減外界能量恒定外界能量撤除產(chǎn)生=復合，熱平衡第62頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月一.非平衡少子的壽命

外界條件撤除（如光照停止），經(jīng)過一段時間后，系統(tǒng)才會恢復到原來的熱平衡狀態(tài)。有的非子生存時間長、有的短。非子的平均生存時間——非子的壽命τ。單位時間內(nèi)非子被復合掉的可能性復合幾率單位時間、單位體積凈復合消失的電子-空穴對（非子）復合率光照剛停止，復合>產(chǎn)生n、p

復合復合=產(chǎn)生（恢復熱平衡）第63頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月在小注入時，τ與ΔP無關(guān)，則設t=0時，ΔP(t)=ΔP(0)=(ΔP)0,那么C=(ΔP)0，于是非平衡載流子的壽命主要與復合有關(guān)。t=0時，光照停止，非子濃度的減少率為第64頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月二.非平衡載流子的復合機制復合直接復合(directrecombination):導帶電子與價帶空穴直接復合.間接復合(indirectrecombination):通過位于禁帶中的雜質(zhì)或缺陷能級的中間過渡。表面復合(surfacerecombination)：在半導體表面發(fā)生的復合過程。將能量給予其它載流子,增加它們的動能量。從釋放能量的方法分:Radiativerecombination(輻射復合)Non-radiativerecombination(非輻射復合)Augerrecombination(俄歇復合)第65頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月direct/band-to-bandrecombination

非平衡載流子的直接凈復合凈復合率=復合率-產(chǎn)生率U=R-GGR三.直接復合第66頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月非平衡載流子壽命：小注入n型材料大注入第67頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月indirectrecombination半導體中的雜質(zhì)和缺陷在禁帶中形成一定的能級，它們有促進復合的作用。這些雜質(zhì)和缺陷稱為復合中心。nt：復合中心能級上的電子濃度Nt：復合中心濃度pt：復合中心能級上的空穴濃度四.間接復合第68頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月*俘獲電子Electroncapture*發(fā)射電子Electronemission*俘獲空穴Holecapture*發(fā)射空穴Holeemission第69頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月電子俘獲(capture)率：空穴俘獲率：電子產(chǎn)生(emission)率：空穴產(chǎn)生率：ntNt：復合中心濃度pt第70頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月電子的凈俘獲率：Un=俘獲電子-發(fā)射電子=空穴的凈俘獲率：Up=俘獲空穴-發(fā)射空穴=--熱平衡時：Un=0，Up=0復合中心達到穩(wěn)定時：Un=Up第71頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月EF與Et重合時導帶的平衡電子濃度。熱平衡時：=Un=0,Up=0第72頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月同理，得空穴俘獲率=空穴產(chǎn)生率其中表示EF與Et重合時價帶的平衡空穴濃度。=第73頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月復合中心達到穩(wěn)定時：俘獲電子-發(fā)射電子=俘獲空穴-發(fā)射空穴-=-和又第74頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月凈復合率：U=俘獲電子-發(fā)射電子=通過復合中心復合的普遍公式-注意到：第75頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月非平衡載流子的壽命為第76頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月小注入條件下設Cn~Cp第77頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月分析討論:(設Et>Ei)第78頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)強n型區(qū)Cn~Cp第79頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)弱n型區(qū)第80頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)弱p型區(qū)第81頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月(4)強p型區(qū)第82頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月第83頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月若Et靠近EC：俘獲電子的能力增強不利于復合Et處禁帶中央，復合率最大。Et=Ei最有效的復合中心俘獲空穴的能力減弱第84頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月

大注入第85頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月

半導體表面狀態(tài)對非平衡載流子也有很大影響，表面處的雜質(zhì)和表面特有的缺陷也在禁帶形成復合中心。（1）表面復合

表面氧化層、水汽、雜質(zhì)的污染、表面缺陷或損傷。四.其他復合第86頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）俄歇復合第87頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）陷阱效應

一些雜質(zhì)缺陷能級能夠俘獲載流子并長時間的把載流子束縛在這些能級上。俘獲電子和俘獲空穴的能力相差太大產(chǎn)生原因：電子陷阱空穴陷阱第88頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月第4章半導體中電子的狀態(tài)4.1電子的分布4.2載流子的調(diào)節(jié)4.3載流子的復合4.4載流子的散射4.5載流子的漂移4.6載流子的擴散4.7載流子的完整運動第89頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月4.4載流子的散射散射是指運動粒子受到力場（或勢場）的作用時運動狀態(tài)發(fā)生變化的一種現(xiàn)象。處理晶體中的電子時，通常將周期勢場的影響概括在有效質(zhì)量中，這使得晶體中的電子可以被看作為有效質(zhì)量為m*的自由電子。因此，不存在散射，但是原周期勢場一旦遭到破壞，就會發(fā)生散射了。第90頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月*scatteringbyneutralimpurityanddefects中性雜質(zhì)和缺陷散射*Carrier-carrierscattering載流子之間的散射*Piezoelectricscattering壓電散射*Intervalleyscattering能谷間的散射半導體的主要散射（scatting）機構(gòu)：*Phonon（lattice）scattering晶格振動（聲子）散射*Ionizedimpurityscattering電離雜質(zhì)散射第91頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月縱波和橫波一.晶格振動散射第92頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月聲學波聲子散射幾率：光學波聲子散射幾率：第93頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月電離雜質(zhì)散射幾率：總的散射幾率：P=PS+PO+PI+----總的遷移率：二.電離雜質(zhì)散射第94頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月主要散射機制電離雜質(zhì)的散射：晶格振動的散射：三.溫度對散射的影響第95頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月第4章半導體中電子的狀態(tài)4.1電子的分布4.2載流子的調(diào)節(jié)4.3載流子的復合4.4載流子的散射4.5載流子的漂移4.6載流子的擴散4.7載流子的完整運動第96頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月半導體中的載流子在外場的作用下，作定向運動---漂移運動。相應的運動速度---漂移速度。漂移運動引起的電流---漂移電流。4.5載流子的漂移漂移速度是因電場加速而獲得的平均速度第97頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月遷移率的大小反映了載流子遷移的難易程度?？梢宰C明：------遷移率單位電場下，載流子的平均漂移速度一.遷移率第98頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月遷移率討論1.遷移率~雜質(zhì)濃度雜質(zhì)濃度電離雜質(zhì)散射第99頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月2.遷移率與溫度的關(guān)系摻雜很輕：忽略電離雜質(zhì)散射μ高溫：晶格振動散射為主μT晶格振動散射μ一般情況：低溫：電離雜質(zhì)散射為主

T電離雜質(zhì)散射T晶格振動散射第100頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月-------毆姆定律的微分形式二.電導率第101頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月電流密度另一表現(xiàn)形式第102頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月電導率與遷移率的關(guān)系第103頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月電導遷移率電導有效質(zhì)量多能谷下的電導

第104頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月第105頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月電阻率與摻雜、溫度的關(guān)系（1）電阻率與雜質(zhì)濃度的關(guān)系輕摻雜：μ~常數(shù)；n=NDp=NA

電阻率與雜質(zhì)濃度成簡單反比關(guān)系。非輕摻雜｛μ：雜質(zhì)濃度μρn、p：未全電離;雜質(zhì)濃度n（p）ρ雜質(zhì)濃度增高時，曲線嚴重偏離直線。原因第106頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月第107頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）電阻率與溫度的關(guān)系μ：

T電離雜質(zhì)散射μρ

*低溫n（未全電離）：Tnρρμ：

T晶格振動散射μρ

*中溫n（全電離）：n=ND飽和ρμ：

T晶格振動散射μρ

*高溫n（本征激發(fā)開始）：Tnρρ第108頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月Hight-FieldEffects1歐姆定律的偏離三.強電場效應第109頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月解釋：*載流子與晶格振動散射交換能量過程*平均自由時間與載流子運動速度的關(guān)系第110頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月

平均自由時間與載流子運動速度關(guān)系第111頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)無電場時：平均自由時間與電場無關(guān)(2)弱電場時：平均自由時間與電場基本無關(guān)

加弱電場時，載流子從電場獲得能量，一部分通過發(fā)射聲子轉(zhuǎn)移給晶格，其余部分用于提高載流子的漂移速度。但漂移速度很小,仍可認為載流子系統(tǒng)與晶格系統(tǒng)近似保持熱平衡狀態(tài)。載流子與晶格散射，交換的凈能量為零，載流子與晶格處于熱平衡狀態(tài)。第112頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）強電場時：平均自由時間由兩者共同決定。載流子的平均能量比熱平衡狀態(tài)時的大，因而載流子系統(tǒng)與晶格系統(tǒng)不再處于熱平衡狀態(tài)。

加強電場時，載流子從電場獲得很多能量第113頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月

載流子從電場獲得的能量與晶格散射時，以光學波聲子的方式轉(zhuǎn)移給了晶格。所以獲得的大部分能量又消失,故平均漂移速度可以達到飽和。（4）極強電場時：第114頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）IntervalleyScattering(能谷間散射）2.GaAs能谷間的載流子轉(zhuǎn)移第115頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月物理機制：從能帶結(jié)構(gòu)分析n1n2*Centralvalley*Satellitevalley第116頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月中心谷：衛(wèi)星谷：谷2（衛(wèi)星谷）：E-k曲線曲率小第117頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月1電場很低2電場增強3電場很強(2)Negetivedifferentialconductance(負微分電導)

NDC第118頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月

在某一個電場強度區(qū)域，電流密度隨電場強度的增大而減小。負的微分電導（negetivedifferentialconductance）。

NDC第119頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月熱載流子強電場速度飽和進入介質(zhì)層碰撞電離3.強電場效應對器件的影響第120頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月第4章半導體中電子的狀態(tài)4.1電子的分布4.2載流子的調(diào)節(jié)4.3載流子的復合4.4載流子的散射4.5載流子的漂移4.6載流子的擴散4.7載流子的完整運動第121頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月考察p型半導體的非少子擴散運動沿x方向的濃度梯度電子的擴散流密度（單位時間通過單位截面積的電子數(shù)）4.6載流子的擴散（Diffusion）一.凈擴散第122頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月Dn---電子擴散系數(shù)（electrondiffusioncoefficients）——單位時間在小體積Δx·1中積累的電子數(shù)擴散定律第123頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月

在x附近，單位時間、單位體積中積累的電子數(shù)——積累率穩(wěn)態(tài)時，積累=損失穩(wěn)態(tài)擴散方程第124頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月三維球坐標第125頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月一維求解第126頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）若樣品足夠厚第127頁，課件共147頁，創(chuàng)作于2023年2月