施敏-半導(dǎo)體器件物理(第三章)

1、第三章 載流子輸運(yùn)現(xiàn)象3.1 載流子漂移3.2 載流子擴(kuò)散3.3 產(chǎn)生與復(fù)合過(guò)程3.4 連續(xù)性方程式3.5 熱電子發(fā)射過(guò)程3.6 隧穿過(guò)程3.7 強(qiáng)電場(chǎng)效應(yīng)本章節(jié) 主題n電流密度方程式以及其中所含的漂移與擴(kuò)散成分n連續(xù)性方程式及其中所含的產(chǎn)生與復(fù)合成分n其他的輸運(yùn)現(xiàn)象，包括熱電子發(fā)射，隧穿，轉(zhuǎn)移電子效應(yīng)及沖擊離子化n測(cè)量重要半導(dǎo)體參數(shù)的方法，如電阻率，遷移率，多數(shù)載流子濃度及少數(shù)載流子壽命3.1 載流子漂移E=0123456隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)E123456隨機(jī)運(yùn)動(dòng)及施加電場(chǎng)產(chǎn)生的結(jié)合運(yùn)動(dòng)平均自由程：碰撞間平均距離平均自由時(shí)間：碰撞間平均時(shí)間漂移速度：電子受到一個(gè)小電場(chǎng)的作用在碰撞時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)反方向的加

2、速，這額外的速度成分，就稱為漂移速度3.1.1 遷移率遷移率載流子的漂移運(yùn)動(dòng)：載流子在電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)：載流子在電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)漂移電流漂移電流EqnqnvJdDrift引引 入入 遷遷 移移 率率 的的 概概 念念遷移率遷移率 ： 單位電場(chǎng)作用下載流子獲得平均速度單位電場(chǎng)作用下載流子獲得平均速度反映了載流子在電場(chǎng)作用下輸運(yùn)能力反映了載流子在電場(chǎng)作用下輸運(yùn)能力mq電子遷移率和空穴遷移率電子遷移率和空穴遷移率兩種散射機(jī)制晶格散射：由于高于絕對(duì)零度下的晶格原子的熱運(yùn)動(dòng)。uL隨T-3/2方式減少。雜質(zhì)散射：一個(gè)帶電載流子經(jīng)過(guò)一個(gè)電離的雜質(zhì)時(shí)，由于庫(kù)侖力的交互作用，路徑發(fā)生偏移。散射幾

3、率與電離雜質(zhì)總濃度有關(guān)。 uI隨T3/2/NT方式而變化。3.1.2 電阻率電阻率載流子的漂移運(yùn)動(dòng)：載流子在電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)：載流子在電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)漂移電流漂移電流J=Jn+Jp=(qnun+qpup)E=q(nun+pup)電阻電阻率率：11/npqnqp 為電導(dǎo)率測(cè)量電阻率最常用方法：四探針?lè)?.1.3 霍耳效應(yīng)直接測(cè)量載流子濃度最常用的方法是霍耳效應(yīng)其裝置如圖W+-EXVXEYVHI+ -V面積Axyz霍耳效應(yīng)的相關(guān)內(nèi)容n霍耳效應(yīng) q*Ey=q*vx*Bz 或 Ey=vx*Bzn霍耳電壓 VH=Ey*Wn霍耳電場(chǎng) Ey= RH* JP *Bz （其中霍耳系數(shù)RH=1/q

4、p）n對(duì)n型半導(dǎo)體言，也獲得類似結(jié)果，但其霍耳系數(shù)RH=-1/qnn對(duì)已知電流磁場(chǎng)，霍耳電壓的測(cè)量 P=1/（q* RH）=Jp*Bz/（q*Ey）=I*Bz*W/（q*VH*A）3.2 載流子擴(kuò)散電子擴(kuò)散電流：電子擴(kuò)散電流：（Dn為擴(kuò)散系數(shù)）為擴(kuò)散系數(shù)）dxdnqDJndiffn,空穴擴(kuò)散電流：空穴擴(kuò)散電流：dxdpqDJpdiffp,愛因斯坦關(guān)系愛因斯坦關(guān)系:qkTD 載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：載流子在化學(xué)勢(shì)作用下的運(yùn)動(dòng)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：載流子在化學(xué)勢(shì)作用下的運(yùn)動(dòng)電流密度方程式當(dāng)濃度梯度與電場(chǎng)同時(shí)存在時(shí)電流密度為漂移與擴(kuò)散的總和ndnJnqnEqDndx空穴流也可類似表示pdpJpqpEqDpdx

5、綜合可得總傳導(dǎo)電流JcondJnJp3.3 產(chǎn)生與復(fù)合過(guò)程熱平衡狀態(tài)：pn=ni2。非熱平衡狀態(tài)； pnni2 。載流子注入：導(dǎo)入超量載流子的過(guò)程。大部分半導(dǎo)體器件是通過(guò)創(chuàng)造出超出熱平衡時(shí)的帶電載流子數(shù)來(lái)工作的。光注入和電光注入和電注入是主要方式。注入是主要方式。小注入：小注入： P或或 nni2 ，會(huì)出現(xiàn)一些使系統(tǒng)恢復(fù)平衡的機(jī)制-將注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合。復(fù)合過(guò)程釋放能量，一般以光子形式輻射或?qū)Ц癞a(chǎn)生熱。輻射復(fù)合和非輻射復(fù)合輻射復(fù)合和非輻射復(fù)合。復(fù)合現(xiàn)象分為直接復(fù)合和間接復(fù)合。前者在如砷化鎵等直接禁帶半導(dǎo)體中較為顯著；后者在間接禁帶半導(dǎo)體中較為顯著，如硅、鍺。根據(jù)復(fù)合過(guò)程發(fā)生的位

6、置，又可分為：體內(nèi)復(fù)合和表面復(fù)合。3.3.1 直接復(fù)合直接復(fù)合：由電子在導(dǎo)帶和價(jià)帶間直接躍遷而引起的非平衡載流子的復(fù)合過(guò)程。U=(pn-pn0)/ p非平衡載流子的壽命產(chǎn)生非平衡載流子的外部作用撤除后，由于半導(dǎo)體的內(nèi)部作用，使它由非平衡態(tài)恢復(fù)到平衡態(tài)，過(guò)剩載流子逐漸消失。這一過(guò)程稱為非平衡載流子的復(fù)合。非平衡載流子的平均生存時(shí)間稱為非平衡載流子的壽命。使用光電導(dǎo)方法來(lái)測(cè)量載流子壽命： pn(t)=pn0+pGLexp(-t/p)3.3.2 間接復(fù)合 非平衡載流子通過(guò)復(fù)合中心的復(fù)合U=(pn-pn0)/ p3.3.3 表面復(fù)合在半導(dǎo)體的表面發(fā)生的復(fù)合過(guò)程3.3.4 俄歇復(fù)合n型型P型型3.4 連

7、續(xù)性方程式連續(xù)性方程式：考慮當(dāng)漂移、擴(kuò)散及復(fù)合同時(shí)發(fā)生時(shí)的總和效應(yīng)電子的連續(xù)性方程：空穴的連續(xù)性方程：穩(wěn)態(tài)連續(xù)性方程：連續(xù)性方程：連續(xù)性方程：ppppgpxEpxpExpDtp22穩(wěn)態(tài)連續(xù)性方程：穩(wěn)態(tài)連續(xù)性方程：022pdxpdEdxpdDpp空穴的連續(xù)性方程：空穴的連續(xù)性方程：pppgpJqtp1電子的連續(xù)性方程：電子的連續(xù)性方程：3.4.1 單邊穩(wěn)態(tài)注入單邊穩(wěn)態(tài)注入擴(kuò)散長(zhǎng)度擴(kuò)散長(zhǎng)度: Lp=（Dp p）1/2厚度為厚度為W樣品：樣品： pn(x)= pn0+pn(0)-pn0(1-w/x)半無(wú)限樣品：半無(wú)限樣品：pn(x)=pn0+pn(0)-pn0exp(-x/Lp)3.4.2 表面的少

8、數(shù)載流子表面的少數(shù)載流子 表面復(fù)合發(fā)生在半導(dǎo)體樣品一端表面復(fù)合發(fā)生在半導(dǎo)體樣品一端3.4.3 海恩海恩-肖克萊實(shí)驗(yàn)肖克萊實(shí)驗(yàn) 半導(dǎo)體物理中經(jīng)典實(shí)驗(yàn)之一，是證明少數(shù)載流子的半導(dǎo)體物理中經(jīng)典實(shí)驗(yàn)之一，是證明少數(shù)載流子的漂移及擴(kuò)散。得到無(wú)施加電場(chǎng)下及施加電場(chǎng)下的載流漂移及擴(kuò)散。得到無(wú)施加電場(chǎng)下及施加電場(chǎng)下的載流子分布。子分布。3.5 熱電子發(fā)射過(guò)程：假如載流子擁有足夠的能量，他們可能被發(fā)射至真空能級(jí)。金半歐姆接觸3.6 隧穿過(guò)程：兩個(gè)半導(dǎo)體樣品距離為d，且勢(shì)壘高qV0=電子親和力qx，假如距離足夠小，即使電子能量遠(yuǎn)小于勢(shì)壘高，在左邊半導(dǎo)體中電子也可能會(huì)跨過(guò)勢(shì)壘輸運(yùn)，并移至右邊。這個(gè)過(guò)程與量子隧穿現(xiàn)象有關(guān)。隧道二極管。 對(duì)硅晶體，電場(chǎng)不太高時(shí)，漂移速度與電場(chǎng)呈線性關(guān)系，當(dāng)電場(chǎng)持續(xù)增加，漂移速度增加緩慢，在電場(chǎng)足夠大時(shí)，漂移速度趨近飽和。（300K，107cm/s） n型砷化鎵中的強(qiáng)電場(chǎng)輸運(yùn)與硅晶大不相同，漂移速度達(dá)到一最大值后，反而會(huì)減小，此現(xiàn)象是由于砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu)。微波轉(zhuǎn)移電子器件。3.7 強(qiáng)電場(chǎng)效應(yīng)雪崩過(guò)程：當(dāng)半導(dǎo)體中的電場(chǎng)增加超過(guò)某一定值，載流子將得到足夠能量發(fā)生雪崩電離產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。如p