第四章 半导体中载流子的输运
电子器件通常是通过荷电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. 本章将讨论半导体中载流子的运动和电流输运规律. 在Si半导体中载流子的电流输运(Carrier transport)机制 (mechanism) 可分为两种:其一是,电场作用下的漂移运动 (drift); 其二是,浓度的梯度变化引起的扩散运动 (diffusion). 载流子的漂移和扩散运动所满足的规律及内在联系. §4.1 载流子的热运动和散射 §4.2 载流子的输运 §4.3 载流子迁移率 §4.4 非平衡情形的过剩载流子 §4.5 准费米能级 §4.6 半导体基本的物理方程
§ 4.1 载流子的热运动(Thermal motion)和散射
4.1.1 载流子的热运动
半导体中载流子基本的微观运动形式包括:热运动和散射.半导体中的导 带电子和价带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)～(3/2)kT,电子的平均动能满足:
1 m nV 2
2 th
3 = kT 2
其中,mn是载流子的有效质量, Vth～107 cm/sec. @300K 热平衡时,载流子的运动是完全 随机的,因此,净电流为零. 其中载流子在热运动过程中,将 遭遇各种形式(散射机制)的散射. 在热平衡情况下,电子热运动 完全随机,因而净电流为零.
§ 4.1 载流子的热运动(Thermal motion)和散射
4.1.2. 载流子散射 按照固体物理理论,在理想周期势场作用下,在有效质量近 似下,电子的运动等效为载流子的自由运动. 然而,一旦严格的周期势场受到破坏,则载流子的运动将不 再是自由的了,此时,载流子的运动中会受到散射作用. 任何破坏周期势场的因素都可以引起载流子的散射作用. 正是由于散射的存在使得载流子在外场(电场)作用下加速 运动的最大速度(漂移速度)受到限制.
§ 4.1 载流子的热运动(Thermal motion)和散射
4.1.3 半导体中载流子的散射机制 电离杂质散射:电离杂质引起的散射 晶格散射或声子散射:由于晶格振动引起的散射 中性杂质散射:在杂质浓度不是很高时可忽略 电子和(或)空穴散射:在高载流子浓度情形时重要 晶格缺陷散射:在多晶情形时才显得重要 表面散射:载流子在表面层(如反型层)运动时受到表 面因素如粗糙度作用引起的散射
4.1.3 半导体中载流子中主要的散射机制
1)电离杂质散射:杂质发生电离后留下的带电离子对载流子产生的 库伦散射作用,一般在高掺杂时比较明显. 电离后的施主杂质带正电,受主杂质带负电,因此会在其周围产生库仑 势场,从而对带电的载流子产生散射作用.随温度升高,载流子热运动 速度增加,该散射效应减小
⊕ ⊕
4.1.3 半导体中载流子的散射机制
2)晶格散射 起源于晶格在格点附近振动产生的"格波"(晶体中可以存在多种 不同振动模式的格波,一种振动模式等效为一种声子)引起的散 射.晶格振动产生的格波包括声学波和光学波.声学波散射和光 学波散射,又称为声子散射 声学波:晶格中所有原子沿相同方向运动,具有连 续介质弹性波的特征 光学波:晶格中不同原子间相对运动,具有介质极 化电磁波的特征 晶格散射可看成是载流子(电子,空穴)与声子间的碰撞散射. 3)表面散射 表面电荷 表面粗糙度 表面声子(高K栅介质器件)
4.1.3 半导体中载流子的散射机制
散射是影响载流子输运能力的主要因素之一,不同的散射机制,对载 流子输运能力(迁移率)的影响显示不同的温度关系.
平均自由程(Mean free path l)和平均自由时间
载流子热运动时,发生两次散射之间所运动的平均距离(统计平均值). 载流子在Si中的平均自由程约为1nm~1μm.设其平均自由程为1μm,则其 平均自由运动时间~1ps.
τ
m
10 5 cm ≈ 10 7 cm / sec
= 1 p sec
§ 4.2 载流子的输运
半导体中载流子的输运是通过载流子在半导体中宏观的定向运动实现的, 实际上是微观运动的统计平均,包括:漂移运动和扩散运动两种形式
4.2.1. 载流子的漂移运动和漂移电流
当半导体中存在电场时,载流子将在电场作用下做定向运动,称之为漂 移运动(Drift).漂移运动是电场感应的载流子的定向运动,是一种 宏观运动行为,表征的是微观运动的统计平均结果.

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