春季學期微電子器件基礎第四章

春季學期微電子器件基礎第四章第1頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月均勻?qū)w的歐姆定律及微分形式流過導體的電流強度，導體電阻，導體中的電流密度4.1半導體載流子漂移運動、載流子遷移率單位：第2頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1.1半導體載流子漂移運動、漂移速度、遷移率、電導率載流子在電場作用下的定向運動稱為載流子漂移運動半導體載流子漂移運動電子空穴第3頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月設半導體導帶電子濃度，其中第個電子漂移速度，半導體單位體積中載流子的平均漂移速度將導帶電子漂移速度分布劃分成單位體積中導帶電子平均漂移速度，第4頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月同理，單位體積中空穴平均漂移速度，價帶空穴遷移率導帶電子遷移率載流子遷移率--單位電場作用下，載流子平均漂移速度單位：cm2/(V.S)單位：cm2/(V.S)第5頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月A單位時間內(nèi)通過截面A的電子數(shù)、空穴數(shù)，-導帶電子電導率半導體電導率

單位時間內(nèi)通過截面A的電子電流，單位時間內(nèi)通過截面A的電子電流密度，第6頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月-價帶空穴電導率單位時間內(nèi)通過截面A的空穴電流密度，通過半導體截面A的總電流密度，—半導體電導率第7頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月對N型半導體，，電導率，對本征半導體，，電導率，對P型半導體，，電導率，第8頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月硅原子密度=，摻雜后導帶電子濃度，例1、計算本征半導體硅室溫電阻率，設電子遷移率和空穴遷移率分別為1450cm2/(V.S)和500cm2/(V.S)。摻入百萬分之一的As，設雜質(zhì)全部電離，計算電阻率，摻雜后的電阻率比本征硅半導體電阻率增加多少倍。解、1、室溫下，本征硅半導體電導率2、摻As后，N型硅半導體的電導率第9頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月解、500克硅單晶的體積，

克硼雜質(zhì)的原子數(shù)，

單位體積中的硼雜質(zhì)濃度，

摻硼后的Ｐ型硅電阻率，例2、500克硅單晶，摻4.5*10-5克B，設雜質(zhì)全部電離，求該半導體的電阻率（，硅單晶密度2.33克/cm3,B原子量10.8)第10頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2半導體載流子散射

4.2.1載流子散射的定義及描述散射的物理量

定義在半導體中，破壞因素引起嚴格周期勢場局部變化，使載流子運動狀態(tài)（波矢、能量）改變的現(xiàn)象，稱為散射或碰撞。格點粒子第11頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月平均自由程—載流子兩次散射之間自由運動路程的平均值平均自由時間—載流子連續(xù)兩次散射之間時間的平均值散射幾率P—單位時間內(nèi)，一個載流子被散射次數(shù)描述載流子散射的物理量——電子平均自由程——空穴平均自由程——電子平均自由時間——空穴平均自由時間第12頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月彈性散射

載流子和晶格不發(fā)生能量交換的散射

非彈性散射載流子和晶格交換能量的散射各向同性散射載流子被散射到各個方向的幾率相同各向異性散射載流子被散射到各個方向的幾率不同小角散射

載流子被散射角度較小大角散射

載流子被散射角度較大第13頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月正Z價電離施主離子負Z價電離受主離子電離雜質(zhì)散射離子庫侖場附加電勢，4.2.2半導體載流子的主要散射機理及特性第14頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月-電離雜質(zhì)總濃度載流子運動到離子附近時，離子庫侖場使載流子形成以離子為焦點的雙曲線運動軌跡，+施主離子電子空穴電子受主離子空穴一定溫度下，電離雜質(zhì)對載流子的散射幾率，-常數(shù)第15頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月晶格振動散射（聲子散射）載流子漂移運動中，受到聲子散射，交換能量、動量，其交換過程遵守準動量守恒和能量守恒。散射前載流子波矢散射角格波波矢散射后載流子波矢散射前載流子能量散射后載流子能量格波吸收或發(fā)射一個聲子能量守恒，+：載流子吸收聲子-：載流子發(fā)射聲子-聲子頻率第16頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月碰撞過程中，載流子吸收或放出的聲子波矢值，碰撞前后，載流子能量變化，第17頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月壓縮膨脹膨脹壓縮膨脹A、長縱聲學波散射（聲學聲子散射）載流子被長縱聲學波準彈性散射，散射前后波矢值近似相等，形變勢第18頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月碰撞過程中，載流子吸收或放出的聲學聲子的波矢，碰撞前后，載流子能量改變，-波速-載流子被散射前后速度第19頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月一定溫度下，導帶電子被長縱聲學波散射的幾率，--常數(shù)--溫度第20頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月正離子密負離子疏正離子疏負離子密正離子密負離子疏正離子疏負離子密正離子疏負離子密+++--B、長縱光學波散射（光學聲子散射）+-電子被長縱光學波非彈性散射，電子吸收或發(fā)射光學聲子，第21頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月長縱光學波散射幾率，--長縱光學波圓頻率--單位體積中平均聲子數(shù)研究表明：①載流子能量小于長縱光學波聲子時，不產(chǎn)生發(fā)射聲子散射，只有吸收聲子散射。②溫度較低時，平均聲子數(shù)少，散射幾率小。溫度升高，平均聲子多，散射幾率增大。第22頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月等能谷散射（谷間散射）等效的關(guān)系稱為等能谷，載流子從一個能谷被散射到另一個等效能谷的過程稱為等能谷散射。硅導帶等能谷鍺導帶等能谷等能谷散射中，電子波矢改變大，需要吸收或發(fā)射光學波聲子，是非彈性、各向異性散射。第23頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

N型硅導帶電子從一個能谷散射到同一坐標軸上另一能谷的散射（散射，180度散射）聲子頻率

N型硅導帶電子從一個能谷被散射到其他方向上能谷的散射（散射，90度散射）聲子頻率第24頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月中性雜質(zhì)使晶格畸變。溫度很低時，簡并半導體中性雜質(zhì)散射作用明顯。中性雜質(zhì)散射載流子散射載流子濃度達到強簡并下發(fā)生的散射。合金半導體中，同族原子隨機分布形成的散射。合金散射（合金半導體的無序勢散射）第25頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月位錯原子共價鍵不飽和，俘獲電子形成負電中心串，和周圍電離施主構(gòu)成柱形電場區(qū)，電子垂直于柱體運動時受到散射。位錯密度低于104/cm2，位錯散射忽略不計。位錯散射位錯線第26頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3載流子遷移率與雜質(zhì)濃度、溫度的關(guān)系4.3.1載流子平均自由時間與散射幾率的關(guān)系分析X時間內(nèi)，被散射電子數(shù)，設時刻，個電子以速度向X方向漂移，—時刻未被散射電子數(shù)—時刻未被散射電子數(shù)—散射幾率第27頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月時刻未被散射的電子數(shù)，第28頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月個導帶電子的平均自由時間，設內(nèi)電子自由時間為，則被散射電子總自由時間，同理，價帶空穴平均自由時間，第29頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月以導帶電子為例，設各項同性散射，時電子被散射后電子沿電場方向速度，4.3.2平均漂移速度、遷移率、電導率與平均自由時間的關(guān)系經(jīng)過時間，電子第二次被散射前沿電場方向的速度，（電場方向）（電場方向）XX第30頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月內(nèi)個被散射電子第二次被散射前沿電場方向總漂移速度，個導帶電子沿電場方向的平均漂移速度，第31頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月得到導帶電子遷移率，同理，價帶空穴遷移率，-導帶電子平均自由時間-導帶電子有效質(zhì)量-價帶空穴平均自由時間-價帶空穴有效質(zhì)量第32頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月本征半導體電導率，P型半導體電導率，N型半導體電導率，得到，第33頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月方向能谷電子遷移率，方向能谷電子遷移率，例1：設硅導帶電子濃度，電場沿（100）方向，求電流密度每個能谷中的電子濃度，解、第34頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月在外電場作用下，導帶電子電流密度，-電導有效質(zhì)量令電導遷移率得到導帶電子電流密度，第35頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月電離雜質(zhì)散射各種散射作用下的載流子遷移率、平均自由時間長縱聲學波散射4.3.3載流子遷移率與雜質(zhì)濃度、溫度的關(guān)系散射幾率平均自由時間遷移率長縱光學波散射第36頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月同乘多種散射同時作用下的散射幾率、平均自由時間、遷移率、第37頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月鍺半導體、硅半導體載流子以雜質(zhì)散射、長縱聲學波散射為主，鍺半導體、硅半導體載流子遷移率、平均自由時間第38頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月砷化鎵以雜質(zhì)散射、長縱聲學波、長縱光學波散射為主，砷化鎵半導體載流子遷移率、平均自由時間第39頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月同一半導體，在相同雜質(zhì)濃度和溫度下，電子遷移率大于空穴遷移率；一定溫度下，雜質(zhì)濃度越高，載流子遷移率越低；非簡并半導體載流子遷移率隨溫度增加迅速降低；摻雜濃度較低時，N型半導體電子遷移率與P型半導體電子遷移率相同，P型半導體空穴遷移率與N型半導體空穴遷移率相同。摻雜濃度較高時，N型半導體電子遷移率小于P型半導體電子遷移率，P型半導體空穴遷移率小于N型半導體空穴遷移率；溫度較低時，簡并半導體載流子遷移率隨溫度增加上升。溫度較高時，簡并半導體載流子遷移率隨溫度增加下降；關(guān)于載流子遷移率的幾點結(jié)論第40頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月4.4半導體電阻率與雜質(zhì)濃度、溫度的關(guān)系本征半導體N型半導體P型半導體第41頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月4.4.1室溫下，鍺、硅、砷化鎵電阻率與雜質(zhì)濃度電阻率雜質(zhì)濃度第42頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月室溫下，金屬4.4.2本征半導體電阻率與溫度的關(guān)系本征硅本征鍺第43頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月AB溫度0C低溫區(qū)飽和區(qū)高溫區(qū)4.4.3雜質(zhì)半導體電阻率與溫度的關(guān)系低溫區(qū)飽和區(qū)高溫區(qū)溫度增加增加增加雜質(zhì)電離增加飽和飽和本征激發(fā)?。ê雎裕┬。ê雎裕┐笊⑸潆婋x雜質(zhì)散射聲子散射電阻率隨溫度增加而下降隨溫度增加而急劇下降隨溫度增加而增大聲子散射第44頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月四根鎢絲探針處同一直線、間距相等，接觸半導體。記錄1、4之間電流和2、3之間電壓，得到半導體電阻率。電位差計1234半導體電流計4.4.4四探針法測量電阻率1、4-電流探針2、3-電壓探針半導體電阻率，第45頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月例4、求本征硅在473K時的電阻率

查PP77圖3-7，得到473K時硅本征載流子濃度，查PP121圖4-13，473K時硅中電子、空穴遷移率，解、電阻率，第46頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月過渡區(qū)4.6強電場效應、熱載流子4.6.1半導體載流子平均漂移速度與電場強度的關(guān)系飽和區(qū)線性區(qū)線性區(qū)飽和區(qū)鍺半導體、硅半導體載流子平均漂移速度與電場強度的關(guān)系過渡區(qū)擊穿區(qū)第47頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月線性區(qū)砷化鎵半導體載流子平均漂移速度與電場強度的關(guān)系負微分電導區(qū)線性區(qū)飽和區(qū)擊穿區(qū)飽和區(qū)負微分電導區(qū)第48頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月載流子有效溫度、晶格有效溫度溫度是一個粒子系統(tǒng)平均動能的量度氣體分子熱運動平均動能溫度例：4.6.2載流子平均漂移速度與電場強度的關(guān)系載流子有效溫度載流子平均動能對應的溫度晶格原子熱振動能量對應的溫度晶格有效溫度第49頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月載流子被外電場加速，能量增加，載流子有效溫度隨電場強度增加升高，弱電場下，強電場下，載流子平均漂移速度與電場強度關(guān)系的分析—電子平均自由程第50頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月對非簡并、各項同性半導體，其導帶電子能量，單位時間內(nèi)，電子從電場獲得的能量，定量分析第51頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月單位時間內(nèi)，電子被長縱聲學波彈性散射，發(fā)射聲子給晶格，（4-126式）當電子從電場獲得的能量與傳遞給晶格的能量平衡時，--長縱聲學波波速第52頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月第53頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月（暖電子）當，（線性區(qū)）第54頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月當時，第55頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月當，（過渡區(qū)）第56頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月強電場下，電子被長縱光學波非彈性散射，對非簡并各項同性半導體，的導帶電子濃度，得到電子統(tǒng)計平均運動速度，第57頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

-電子長縱光學波散射平均自由程-長縱光學波聲子能量單位時間內(nèi)，電子發(fā)射給晶格的長縱光學波聲子數(shù)，-發(fā)射聲子頻率單位時間內(nèi)，電子從電場獲得的能量，第58頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月穩(wěn)態(tài)情況下，電子發(fā)射聲子與從電場獲得的能量相等，由，得到，第59頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月（飽和區(qū)）（與電子熱運動速度數(shù)量級相同）光學波聲子，第60頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月4.7.1耿氏（Gunn)效應4.7耿氏效應、微分負阻理論、耿氏微波二極管V負極正極N型砷化鎵砷化鎵內(nèi)電場強度時，通過的電流形成1GHz-1THz的振蕩。第61頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月砷化鎵能帶結(jié)構(gòu)4.7.2微分負阻理論（RWH理論）0.29能谷1能谷2[100]LXΓ[111]3210-2第62頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

微分負阻（NDR)理論（RWH理論）砷化鎵體內(nèi)達到負微分區(qū)電場強度時，能谷1電子發(fā)射或吸收光學波聲子，轉(zhuǎn)移到能谷2，電子有效質(zhì)量增加，平均漂移速度降低，遷移率降低，電導率下降，出現(xiàn)負微分電導（NDR)或負微分遷移率。ΓL能谷1能谷2電子發(fā)射光學聲子轉(zhuǎn)移到能谷2

電子吸收光學聲子轉(zhuǎn)移到能谷2

砷化鎵導帶Ridley、Watkins、HilsumNDR：NegativeDifferentialResistance第63頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月設能谷1電子濃度、能谷2電子濃度，N型砷化鎵電導率，導帶電子電流密度，第64頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月當，當，正微分電導區(qū)正微分電導區(qū)NRD當，第65頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月能谷1和能谷2能量間隔比大得多；禁帶寬度大于能谷1和能谷2的能量間隔；能谷2狀態(tài)密度遠大于能谷1;能谷2電子有效質(zhì)量遠大于能谷1電子有效質(zhì)量，能谷2電子遷移率遠小于能谷2電子遷移率；能谷1中，電子能量隨電場強度增加很快增加。形成負微分電導(NRD)的條件以RWH為原理的器件稱為轉(zhuǎn)移電子器件(TED

)，Gunn二極管是其中一種。TED——TransferredElectronDevices第66頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月4.7.4耿氏（Gunn)微波二極管結(jié)構(gòu)砷化鎵接觸平面結(jié)構(gòu)接觸砷化鎵砷化鎵臺面結(jié)構(gòu)接觸接觸砷化鎵砷化鎵夾層結(jié)構(gòu)砷化鎵砷化鎵接觸接觸砷化鎵金屬層砷化鎵第67頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月工作原理疇形成疇成長疇穩(wěn)定疇消失(電源負極到正極）(疇內(nèi)電場強度）+-疇（高阻區(qū)）N砷化鎵第68頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月疇形成陰極附近存在局部高阻區(qū)，外電壓下，高阻區(qū)內(nèi)電場強度比區(qū)外高，若達到，高阻區(qū)內(nèi)部分電子從能谷1轉(zhuǎn)移到能谷2。+-A能谷2能谷10.29eVXL局部高阻區(qū)N砷化鎵-負微分電導區(qū)閾值電壓第69頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月高阻區(qū)外電子漂移速度高于區(qū)內(nèi)，高阻區(qū)靠正極側(cè)出現(xiàn)電子缺少，形成電離施主層。高阻區(qū)靠負極側(cè)形成電子積累層，積累層與電離施主層組成偶極疇，使高阻區(qū)附加與外