高二物理竞赛载流子的漂移运动课件.pptx

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1、n迁移率迁移率/电阻率电阻率 Vs 杂质浓度杂质浓度/温度温度第四章 半导体的导电性Chapter 1:半导体中电子运动的基本特征和能量状态半导体中电子运动的基本特征和能量状态载流子载流子 具有类似于自由荷电粒子的性质具有类似于自由荷电粒子的性质Chapter 3:在平衡状态下，两种载流子浓度与半导体结构、所在平衡状态下，两种载流子浓度与半导体结构、所 含杂质以及温度的关系含杂质以及温度的关系Chapter 4:在电场和磁场作用下，半导体中载流子运动所引起在电场和磁场作用下，半导体中载流子运动所引起 的一些主要现象及运动规律的一些主要现象及运动规律 实际半导体器件总是工作在一定的实际半导体器件

2、总是工作在一定的外部条件（如电场、磁场、外部条件（如电场、磁场、.） 载流子在外加电场作用下的载流子在外加电场作用下的漂移运动漂移运动，包括与其相联系的材料的主要，包括与其相联系的材料的主要参数如迁移率、电导率、电阻率等，并讨论影响这些参数的因素。参数如迁移率、电导率、电阻率等，并讨论影响这些参数的因素。 最后介绍半导体在磁场作用下产生的霍耳效应和磁阻，并进行简单的最后介绍半导体在磁场作用下产生的霍耳效应和磁阻，并进行简单的定量分析，给出一些重要结论。定量分析，给出一些重要结论。 散射（晶格振动、杂质、晶格畸变）散射（晶格振动、杂质、晶格畸变）无外加电场作用时：载流子热运动是无规则的，运动速度

3、无外加电场作用时：载流子热运动是无规则的，运动速度各向同各向同 性性，不引起宏观迁移，从而不会产生电流。，不引起宏观迁移，从而不会产生电流。外加电场作用时：载流子沿电场方向的外加电场作用时：载流子沿电场方向的速度分量比其它方向大速度分量比其它方向大， 将会引起载流子的宏观迁移，从而形成电流。将会引起载流子的宏观迁移，从而形成电流。漂移运动：由电场作用而产生的、沿电场力方向的运动（电子和漂移运动：由电场作用而产生的、沿电场力方向的运动（电子和 空穴漂移运动方向相反）。空穴漂移运动方向相反）。漂移速度：定向运动的速度。漂移速度：定向运动的速度。漂移电流：载流子的漂移运动所引起的电流。漂移电流：载流

4、子的漂移运动所引起的电流。1.1.欧姆定律的微分形式欧姆定律的微分形式sIJ1,slR均匀导体，均匀导体，|E|=V/l J=I/sEJ物理意义：导体中某点的电流密度正比于该点的电场强度，物理意义：导体中某点的电流密度正比于该点的电场强度， 比例系数为电导率。比例系数为电导率。 欧姆定律的微分形式欧姆定律的微分形式RVI欧姆定律欧姆定律电流分布不均匀电流分布不均匀 电流密度（垂直于电流方向的单位面积的电流）电流密度（垂直于电流方向的单位面积的电流）1,slR电流密度与平均漂移速度关系电流密度与平均漂移速度关系sIJsvnqI1d电子漂移电流密度电子漂移电流密度 Jn=-nqvdn（n型）型）

5、空穴漂移电流密度空穴漂移电流密度 Jp=pqvdp （p型）型）（vdn和和vdp分别为电子和空穴的平均漂移速度）分别为电子和空穴的平均漂移速度）2.2.漂移速度漂移速度（drift velocity）和迁移率（）和迁移率（mobility）在本征情况下，在本征情况下， J= Jn+ Jp电场不太强时，漂移电流遵从欧姆定律电场不太强时，漂移电流遵从欧姆定律n型半导体，型半导体，np，JnJpdnnqvE Enqvdnn不随电场变化，不随电场变化， 为一常数，为一常数，通常用通常用正值正值表示其比例系数，表示其比例系数，电子的迁移率电子的迁移率 nqEvndn意义：意义：单位场强下电子的平均漂移

6、速度单位场强下电子的平均漂移速度, 单位是单位是m2/Vs 或者或者cm2/Vs平均漂移速度与电场强度成正比平均漂移速度与电场强度成正比电子漂移电流密度电子漂移电流密度Jn=-nqvdnEvndnEJnq（电子和空穴）（电子和空穴）dv欧姆定律微分形式欧姆定律微分形式l 反映了外电场作用下漂移运动的难易程度反映了外电场作用下漂移运动的难易程度l 不同半导体材料，不同半导体材料，n、p不同不同l 即使是同一种材料中，即使是同一种材料中，n和和p也不同，一般来说也不同，一般来说npE不太大时，半导体中的载流子仍满足欧姆定律不太大时，半导体中的载流子仍满足欧姆定律但半导体有两种载流子：但半导体有两种

7、载流子：电子和空穴电子和空穴，且其浓度与温，且其浓度与温度和掺杂浓度有关。度和掺杂浓度有关。电子、空穴的漂移电流电子、空穴的漂移电流半导体中的导电作用为半导体中的导电作用为电子导电电子导电与空穴导电的总和与空穴导电的总和导电的导带电子：导电的导带电子：脱离了共价键脱离了共价键在半导体中自由运动的电子在半导体中自由运动的电子导电的价带空穴：导电的价带空穴：代表共价键上代表共价键上的电子在价键间运动的电子在价键间运动故在同一场强下，故在同一场强下， ，因此，因此， dpdnvvpnpn3.3.半导体的电导率半导体的电导率（conductivity）电子、空穴的漂移电流电子、空穴的漂移电流n型半导体

8、：型半导体： EnqJnqnnnp型半导体：型半导体：EpqJpqpnp混 合 型 ：混 合 型 ：EpqnqJpqnq)(pnpn本征半导体：本征半导体：)(pniiiqnnpn对于两种载流子浓度对于两种载流子浓度相差很大的半导体来相差很大的半导体来说，其电导率取决于说，其电导率取决于多数载流子多数载流子favdn增加增加Jn=-nqvdnJn增加增加EJ？载流子热运动载流子热运动原子热振动原子热振动杂质杂质 缺陷缺陷晶体有限尺寸带来的界面晶体有限尺寸带来的界面V(r)对载流子漂移运动的影响对载流子漂移运动的影响Jn恒定恒定恒定恒定EV(r)=V(r)-Vo(r)实际晶体实际晶体载流子散射的

9、概念载流子散射的概念载流子热运动示意图载流子热运动示意图外电场作用下电子的漂移运动外电场作用下电子的漂移运动 改变运动状态改变运动状态 电子和晶体不断交换能量电子和晶体不断交换能量, ,达到热平衡达到热平衡 V(r)f 作用作用dtdkhf k发生变化发生变化产生散射（即热运动载流子不断地产生散射（即热运动载流子不断地与晶格、杂质、缺陷发生与晶格、杂质、缺陷发生“碰撞碰撞”）在外力和散射的双重作用下，载流子以一定的平均速度沿力的方向漂在外力和散射的双重作用下，载流子以一定的平均速度沿力的方向漂移，即漂移速度。移，即漂移速度。(1)(1)电离杂质散射电离杂质散射 杂质电离的带电离子破坏了杂质附近

10、的周期性势场，即使得载流子散射的附加势场 散射概率 代表单位时间内一个载流子受到散射的次数3/2iiPN TP电离施主散射电离受主散射半导体的主要散射机构半导体的主要散射机构(2)(2)晶格振动散射晶格振动散射格波：晶格中原子的振动由若干不同的基本波动按照波的叠加原理格波：晶格中原子的振动由若干不同的基本波动按照波的叠加原理 组合而成，组合而成，这些基本的波动称为格波这些基本的波动称为格波。 格波的波矢格波的波矢 q = 2 / , , 方向为格波的传播方向。方向为格波的传播方向。一个晶体中具有同样一个晶体中具有同样 q 的格波不止一个，其数目取决于原胞中的原子数。的格波不止一个，其数目取决于原胞中的原子数。原胞中有一个原子，则对应于每个原胞中有一个原子，则对应于每个 q 有有3 3个格波。个格波。原胞中有两个原子，则对应于每个原胞中有两个原子，则对应于每个 q 有有6 6个格波。个格波。锗、硅及化合物半导体锗、硅及化合物半导体，原胞中大多含有，原胞中大多含有两个两个原子，原子，每个每个 q 有有6个格波个格波例：一维单原子链例：一维单原子链