2021-2022学年高二物理竞赛课件：载流子的漂移运动.pptx

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1、载流子的漂移运动载流子的漂移运动载流子的漂移运动载流子的漂移运动 有有外外加加电压时，导体体内内部部的的载流流子子受受到到电场力力的的作作用用，沿沿着着电场作作定定向运向运动形成形成电流。流。均均匀匀半半导体体中中，不不加加电场时，载流流子子的的运运动是是随随机机的的，速速度度的的平平均均值为零。零。电子子在在电场力力作作用用下下的的定定向向运运动称称为漂漂移移运运动，定定向向运运动的的速速度度称称为漂漂移速度移速度。4.4.1迁移率 考考虑空穴在半空穴在半导体中的运体中的运动。下面。下面讨论的的空穴的速度矢量是平均空穴的速度矢量是平均值。在在dt时间内空穴的运内空穴的运动距离距离为：vpdt

2、 在在dt时间内内小小柱柱体体断断面面A、B间流流过的的电荷量：荷量：电流流密密度度-单位位时间流流过单位位面面积的的电荷：荷：P:单位体位体积空穴数，空穴数，q：空穴：空穴电量量 加加电场后后，空空穴穴速速度度的的平平均均值不不再再为零零。一一般般情情况况下下，漂漂移移速速度度正正比比于于外外加加电场强度，度，所以，所以，对于空穴，于空穴，电流密度流密度对于于电子，子，电流密度流密度 比例系数比例系数 称称为空穴的迁移率；空穴的迁移率；称称为电子的迁移率。子的迁移率。电子的漂移速度与子的漂移速度与电场强度方向相反，但度方向相反，但电子子电流与流与电场相同。相同。在严格周期性势场（理想）中运动

3、的 载流子在电场力的作用下将获得加速 度，其漂移速度应越漂移速度应越来越大来越大。实际晶体中的势场偏离严格周期性（杂质，晶格缺陷，晶格振动），载流子在晶体中运动受到碰撞（散射）而改变运动方向。在稳在稳定外场下有稳定的漂移速度。定外场下有稳定的漂移速度。电场加速加速不断碰撞不断碰撞（散射）（散射）迁移率的意义：迁移率的意义：表征了在单位电场下载流子的平均漂移速度。表征了在单位电场下载流子的平均漂移速度。它是表示半导体电迁移能力的重要参数。它是表示半导体电迁移能力的重要参数。迁移率的决定因素：迁移率的决定因素：载流子的有效质量（影响电场的加速作用）。载流子的有效质量（影响电场的加速作用）。散射几率

4、。散射几率。不同散射机构对载流子的散射概率不同：不同散射机构对载流子的散射概率不同：电离杂质对载流子的散射概率。电离杂质对载流子的散射概率。晶格振动对载流子的散射概率。晶格振动对载流子的散射概率。T T，载流子的运动速度，散射几率；电离离杂质的散射几率Pi与温度T和杂质浓度Ni的关系：杂质浓度，电离杂质数，散射中心，散射几率。晶格振晶格振动的声学波散射几率Ps与温度T的关系：PsT3/2 T T，晶格振动，散射几率；光学波对载流子散射也随温度升高而增强，变化甚至更明显。较低温度低温度下占主下占主导较高温度高温度下占主下占主导 散射越强，迁移率越小。迁移率与散射概率成反比：杂质浓度Ni较低，迁移

5、率随温度上升而下降。Ni增大，迁移率随温度不再快速变化。Ni很大，迁移率随温度增大略有上升。4.4.2 电导率 半导体中同时存在电子和空穴时的总电流：根据欧姆定律的微分形式：则：N型半导体：P型半导体：本征半导体：材料的电导率由载流子浓度和迁移率共同决定。较低温度，电导率随温度迅速增加。杂质电离随温度升高而增加，载流子数 目随之增加。中间温度区，电导率随温度升高而降低。杂质基本电离，载流子数目不再增多，而晶格散射作用增大。高温区，电导率随温度升高而增加。本征激发占主导，与杂质无关，载流数 目随温度升高而增大。载流子数目的增大占主导，晶格散射作 占次要。简并半导体中载流子浓度的一般表达式 此时，

6、费米分布函数不能简化为玻尔兹曼函数，同时积分函数不能简化，此时，费米分布函数不能简化为玻尔兹曼函数，同时积分函数不能简化，将积分上限扩充至无限。则有：将积分上限扩充至无限。则有：令：令：并做积分变换，并做积分变换，则：则：令：令：则：则：被称为费米积分，其值可以数值积分得到。被称为费米积分，其值可以数值积分得到。非简并情况非简并情况弱简并情况弱简并情况简并情况简并情况 同理，可推导简并半导体价带空穴浓度表达式：同理，可推导简并半导体价带空穴浓度表达式：求解简并半导体的电子与空穴浓度十分困难。求解简并半导体的电子与空穴浓度十分困难。数值求解数值求解-利用电中性条件，列出利用电中性条件，列出EF满

7、足的方程，通过计算机编程求解。满足的方程，通过计算机编程求解。电子浓度随温度增加而增加，不会出现饱和温区（简并时电子浓度随温度增加而增加，不会出现饱和温区（简并时杂质未充分电离）。杂质未充分电离）。杂质浓度越高，电离率越低。杂质浓度越高，电离率越低。ND越接近或大于越接近或大于NC，或，或NA接近或大于接近或大于NV，半导体发生简，半导体发生简并化。并化。半导体简并化的杂质浓度与杂质电离能有关。电离能越小，半导体简并化的杂质浓度与杂质电离能有关。电离能越小，半导体简并化的杂质浓度越少。半导体简并化的杂质浓度越少。简并情况的计算程序也适应于非简并情况，计算结果相同。简并情况的计算程序也适应于非简并情况，计算结果相同。