2021-2022学年高二物理竞赛课件：半导体中载流子的来源.pptx

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1、半半导体中体中载流子的来源流子的来源温度较高时，价带电子可以通过热激发直接进温度较高时，价带电子可以通过热激发直接进入导带，成为本征激发入导带，成为本征激发由于施主上的未成键电子的束缚能很小，因此由于施主上的未成键电子的束缚能很小，因此很容易通过热激发进入导带很容易通过热激发进入导带由于价带离开受主能级距离很小，因此价带上由于价带离开受主能级距离很小，因此价带上的电子很容易通过热激发进入受主能级的电子很容易通过热激发进入受主能级其他使得电子从价带进入导带的激发过程，如其他使得电子从价带进入导带的激发过程，如光照等光照等半导体中载流子的来源半导体中载流子的来源n 迁移率（迁移率（mobility

2、mobility）迁迁移移率率是是用用来来描描述述半半导导体体中中载载流流子子在在单单位位电电场场下下运运动动快快慢慢的的物物理理量量，是是描描述述载载流流子子输输运运现现象象的的一一个个重重要要参参数数，也也是是半半导导体体理理论中的一个非常重要的基本概念。论中的一个非常重要的基本概念。电子迁移率电子迁移率 迁移率定义为：迁移率定义为：由由于于载载流流子子有有电电子子和和空空穴穴，所所以以迁迁移移率率也也分分为为电电子子迁迁移移率率和和空空穴穴迁移率，即：迁移率，即：空穴迁移率空穴迁移率 单位单位：cm2/(Vs)电子热运动速度电子热运动速度l半导体中的传导电子不是自由电子，晶格的影响需并入

3、传导半导体中的传导电子不是自由电子，晶格的影响需并入传导电子的有效质量电子的有效质量其中其中m mn n为电子的有效质量，而为电子的有效质量，而v vthth为平均热运动速度为平均热运动速度在在室室温温下下(300K)(300K)，上上式式中中的的电电子子热热运运动动速速度度在在硅硅晶晶及及砷砷化化镓镓中中约为约为10107 7cm/scm/s l在热平衡状态下，传导电子在三维空间作热运动在热平衡状态下，传导电子在三维空间作热运动l由能量的均分理论得到电子的动能为由能量的均分理论得到电子的动能为 u 半导体中的电子会在所有的方向做快速的移动，如图所示半导体中的电子会在所有的方向做快速的移动，如

4、图所示u 单一电子的热运动可视为与晶格原子、杂质原子及其他散单一电子的热运动可视为与晶格原子、杂质原子及其他散射中心碰撞所引发的一连串随机散射，在足够长的时间内，射中心碰撞所引发的一连串随机散射，在足够长的时间内，电子的随机运动将导致单一电子的净位移为零电子的随机运动将导致单一电子的净位移为零u平均自由程平均自由程(mean free path)(mean free path)：碰撞间平均的距离碰撞间平均的距离u 平均自由时间平均自由时间cc：碰撞间平均的时间碰撞间平均的时间u平均自由程的典型平均自由程的典型值为值为1010-5-5cmcm，平均自，平均自由时间则约为由时间则约为1 1微微秒微

5、微秒(ps,(ps,即即1010-5-5cm/vcm/vthth1010-12-12s s）1 12 23 34 45 56 6(a)(a)随机热运动随机热运动 当一个小电场当一个小电场E E施加于半导体时，每一个电子会从电场上受到施加于半导体时，每一个电子会从电场上受到一个一个-qE-qE的作用力，且在各次碰撞之间，沿着电场的反向被加速。的作用力，且在各次碰撞之间，沿着电场的反向被加速。因此，一个额外的速度成分将再加至热运动的电子上，此额外因此，一个额外的速度成分将再加至热运动的电子上，此额外的速度成分称为的速度成分称为漂移速度漂移速度(drift velocity)(drift veloc

6、ity)这种在外电场作用下载流子的定向运动称为这种在外电场作用下载流子的定向运动称为漂移运动漂移运动一一个个电电子子由由于于随随机机的的热热运运动动及及漂漂移移成成分分两两者者所所造成的位移如图所示造成的位移如图所示E123456值值得得注注意意的的是是，电电子子的的净净位位移移与与施施加加的的电电场场方方向相反向相反电电子子在在每每两两次次碰碰撞撞之之间间，自自由由飞飞行行期期间间施施加加于于电电子子的的冲冲量量为为-qEc-qEc，获得的动量为，获得的动量为m mn nv vn n，根据动量定理可得到，根据动量定理可得到 或或上上式式说说明明了了电电子子漂漂移移速速度度正正比比于于所所施施

7、加加的的电电场场，而而比比例例因因子子则则视平均自由时间与有效质量而定，此比例因子即为迁移率。视平均自由时间与有效质量而定，此比例因子即为迁移率。因此因此同理，对空穴有同理，对空穴有 最重要的两种散射机制：最重要的两种散射机制：影响迁移率的因素：影响迁移率的因素：l 晶格散射晶格散射(lattice scattering)(lattice scattering)l 杂质散射杂质散射(impurity scattering)(impurity scattering)晶晶格格散散射射归归因因于于在在任任何何高高于于绝绝对对零零度度下下晶晶格格原原子子的的热热震震动动随随温温度度增增加加而而增增加加

8、，在在高高温温下下晶晶格格散散射射自自然然变变得得显显著著，迁迁移移率率也也因因此此随随着着温温度度的的增增加加而而减减少少。理理论论分分析析显显示示晶晶格格散散射射所所造造成的迁移率成的迁移率L L将随将随T T-3/2-3/2方式减少方式减少 散射机制散射机制平均自由时间平均自由时间迁移率迁移率l 杂质散射：杂质散射：杂杂质质散散射射是是当当一一个个带带电电载载流流子子经经过过一一个个电电离离的的杂杂质质时时所引起的所引起的由由于于库库仑仑力力的的交交互互作作用用，带带电电载载流流子子的的路路径径会会偏偏移移。杂杂质散射的几率视电离杂质的总浓度而定质散射的几率视电离杂质的总浓度而定然然而而

9、，与与晶晶格格散散射射不不同同的的是是，杂杂质质散散射射在在较较高高的的温温度度下下变变得得不不太太重重要要。因因为为在在较较高高的的温温度度下下，载载流流子子移移动动较较快快，它它们们在在杂杂质质原原子子附附近近停停留留的的时时间间较较短短，有有效效的的散散射射也也因因此此而而减减少少。由由杂杂质质散散射射所所造造成成的的迁迁移移率率I I理理论论上上可可视视为为随着随着T T3/23/2/N/NT T而变化，其中而变化，其中N NT T为总杂质浓度为总杂质浓度 例例1 1：计计算算在在300K300K下下，一一迁迁移移率率为为1000cm1000cm2 2/(Vs)/(Vs)的的电电子子的

10、的平平均均自由时间和平均自由程。设自由时间和平均自由程。设m mn n=0.682m=0.682m0 0 解解 根据定义，得平均自由时间为根据定义，得平均自由时间为 所以，平均自由程则为所以，平均自由程则为 又又 电电导导率率与与电电阻阻率率互互为为倒倒数数，均均是是描描述述半半导导体体导导电电性性能能的的基基本本物物理量。电导率越大，导电性能越好。理量。电导率越大，导电性能越好。电电导导率率(conductivity)(conductivity)与与电电阻阻率率(resistivity)(resistivity)：半导体的电导率由以下公式计算：半导体的电导率由以下公式计算：相应的电阻率为：相

11、应的电阻率为：一一般般来来说说，非非本本征征半半导导体体中中，由由于于两两种种载载流流子子浓浓度度有有好好几几次次方方的差异，只有的差异，只有其中一种对漂移电流的贡献是显著的其中一种对漂移电流的贡献是显著的。如对如对n n型半导体而言，可简化为（因为型半导体而言，可简化为（因为npnp）而对而对p p型半导体而言，可简化为（因为型半导体而言，可简化为（因为pnpn）常见半导体材料的迁移率（厘米常见半导体材料的迁移率（厘米2 2/伏秒）伏秒）材料材料电子迁移率电子迁移率空穴迁移率空穴迁移率硅硅13501350480480锗锗39003900500500砷化镓砷化镓80008000100-3000

12、100-3000 对硅而言，由于电子的有效质量小于空穴的有对硅而言，由于电子的有效质量小于空穴的有效质量，因而电子的迁移率比空穴的大，因此效质量，因而电子的迁移率比空穴的大，因此对于同样尺寸的器件，相对来说，对于同样尺寸的器件，相对来说，N N型材料制作型材料制作的器件工作频率较高的器件工作频率较高 硅硅的的介介电电常常数数为为1414，有有效效质质量量分分别别1.0m1.0m0 0，代代入入可得硅中施主电子能级离开导带的距离可得硅中施主电子能级离开导带的距离0.087eV0.087eV。实验测试结果实验测试结果能级的位置是与杂质的种类有关系能级的位置是与杂质的种类有关系杂质PAsSbBAlGaIn电离能0.0450.0490.0390.0450.0570.0650.16