导图社区 载流子输运现象
半导体中载流子输运现象学习笔记,为大家提供一个清晰、全面的学习框架。本脑图有助于帮助您熟悉知识要点,加强记忆。有需要的同学,可以收藏下哟。
编辑于2024-11-23 20:43:10载流子输运现象
漂移运动
稳态
低电场
迁移率m
电导迁移率等于漂移迁移率
单位:cm^2/V*s
:漂移速度等于迁移率乘电场强度
影响因素
非极性半导体
电离杂质散射
正比于
热运动越快的载流子收到库仑散射的影响较小
反比于
声子散射迁移率
:半导体平均纵向弹性常数
:电导有效质量
:晶格膨胀造成的带边位移
随电导有效质量和温度的升高而下降
马西森电阻率
极性半导体
谷内散射
电子在能量椭球中的散射,只有长波声子参与散射
谷间散射
电子从一个极小值附近散射到另一个极小值附近,有光学声子参与 对于极性半导体非常重要
与平均自由时间和平均自由路程有关
电导率/电阻率
ne^2tao/m =neu
测定实验方法:四探针法
修正系数
测定曲线--电导率与杂质浓度的关系,一般掺杂越多,电导率越小
掺杂越高,杂质散射越强,迁移率越低,电导率越低
霍尔效应
载流子种类(半导体类型)、载流子浓度、迁移率大小
霍尔系数
<0:n型
>0:p型
单种载流子起作用时|RH|=rH/(nq)
rH与平均弛豫时间有关,由载流子的浓度决定
通常在1~2
在非常高的磁场下,略小于1
在强磁场下有磁阻效应
较高电场
不考虑转移电子效应
中等电场强度
当低电场迁移率与·电场强度的乘积与声速可以相比拟时
散射机制:声学声子的散射 非热平衡下电子的有效温度大于晶格温度
过渡区
经验公式,以保持连续性
电场强度很高
散射机制:光学声子散射
漂移速度越来越不依赖于电场强度,逐渐达到饱和
Si:Ep=0.063eV,vs~=1E7
GaAs:Ep=0.035eV,vs~=7E6
饱和迁移速率与掺杂浓度无关,随温度升高而下降
对于极性半导体需要考虑转移电子效应
随着电场增加:谷间电子转移(从较低能谷较高能谷转移)è有效质量增大è迁移率降低
弹道输运现象
载流子所要穿越的临界尺寸?与平均自由程可以相比拟或者小于平均自由程时,在发生散射之前产生弹道输运现象。
高电场下,短时间内速度高于稳态速度,成为速度过冲。
碰撞电离
当半导体中的电场高于一定值时,载流子获得足够高的能量,能够通过碰撞电离的方式产生电子-空穴对,使载流子浓度倍增。
碰撞会使杂质电离吗?
电离率alpha
一个载流子运动单位长度的过程中激发的电子-空穴对数目
影响因素
电场强度
外加加速电场
等效阈值电场
热散射(声学声子散射)
光学声子散射
电离散射
减速效应
迁移率
高场有效电离阈值
?
带隙
带隙大->击穿电压大->电离率大
?
温度
温度越高,电离率越小
计算
某一固定位置载流子浓度随时间变化率
某一时刻电流密度随空间位置变化率
载流子寿命
从非热平衡向热平衡的恢复过程
产生
本征激发
杂质电离
当载流子浓度小于热平衡时的值
复合
直接复合
带间跃迁
更可能发生在直接带隙半导体中
直接带隙半导体在III-V族化合物中更为普遍
间接复合
表面能级复合
禁带能级符合
缺陷能级
释放能量的方式
发射光子
发射声子
俄歇复合
碰撞电离的逆过程
复合率
单位时间,单位体积内,复合的载流子数目
直接复合(带间跃迁)
复合系数Rec= Gth/ni^2
复合率Re=Rec*n*p
热产生率Gth
净变化率 U=Re-Gth
n型半导体
小注入:U=Rec*Nd*delt p
大注入:U=Rec*delt n*delt p
p型半导体
小注入:U=Rec*Na*delt n
大注入:U=Rec*delt p*delt n
禁带能级符合(晶格体缺陷)
缺陷能级Et
缺陷浓度Nt
单能级复合:包括电子俘获和空穴俘获过程
肖特基-里德-霍耳统计
U=。。。:定性分析
U正比于(np-ni^2)
当Et=Ei时U最大,因此能级约为(Ec+Ev)/2的缺陷为有效复合中心
Ei为本征半导体的费米能级稍微小于禁带中间能级
n型半导体
小注入:
大注入:
p型半导体
小注入:
大注入:
多能级陷阱与单能级陷阱定性性质类似
载流子寿命
非平衡载流子寿命
非平衡载流子存在的平均时间
少数非平衡载流子寿命
n型
直接复合
1/(Rec*Nd)
1/(Rec*delt n)
缺陷能级复合
p型
直接复合
1/(Rec*Na)
1/(Rec*delt p)
缺陷能级复合
载流子的产生寿命
与载流子浓度有关系:当n和p小时,产生寿命反而大。
少子寿命测量方法
光电导效应PC
光电磁效应PEM
连续性方程
扩散
产生原因
载流子浓度空间分布不均
影响因素
热运动--
散射--
Fick定律
热扩散率D
爱因斯坦关系
适用条件
非简并半导体
单位:cm^2/s
某一位置载流子浓度沿某一方向的通量与这一位置上的浓度梯度,大小上成正比,方向相反
扩散长度
局部过剩载流子在消失之前(在载流子寿命内)扩散的长度
以固定的扩散源作为边界条件,载流子浓度分布呈指数形式,扩散长度为特征长度
热电子发射
经典理论
仅有能量高于势垒的电子能够越过势垒形成热电子发射电流 为什么叫做热电子发射,因为根据麦克斯韦分布,电子的速度分布和温度有关,即热运动;电子状态分布满足费米狄拉克分布,与温度有关系。
越过势垒的总电子电流为
A称为有效理查逊常数
与有效质量有关
修正
量子隧穿效应
对于一个有限宽有限高的势垒,能量小于势垒的电子越过势垒的几率不为零
隧穿几率Tt
与势垒高度和势垒宽度有关
隧穿电流
反射
空间电荷效应
空间电荷:空间电荷(Space charge)是一个概念,它把多余的电荷(electric charge)视为连续的电荷分布在一个区域空间而不是只在一个电荷点上.这种解释通常运用在当电荷及载流子(carriers)以电子云的方式扩散在固体区域的时候——载流子的充分扩散形成一个空间电荷区,也可解释为在固体中的带电原子或分子遗留的空间电荷区域形成一个空间电荷区。空间电荷效应通常只发生在电介质(包括真空)中,因为在导电介质中,电荷会迅速中和或屏蔽。 存在于半导体内部局部区域的剩余电荷即为空间电荷。例如p-n结界面附近处的势垒区,其中就有空间电荷,并从在势垒区中产生出相应的内建电场。 在PN结中,由于自由电子的扩散运动和内电场导致的漂移运动,使PN结中间的部位 (P区和N区交界面)产生一个很薄的电荷区,叫做空间电荷区,也叫耗尽区 耗尽区近似:假设空间电荷区的电荷浓度完全由掺杂浓度决定,即忽略自由载流子浓度。 空间电荷效应:在一定的偏压下,当注入电荷多于平衡时的载流子浓度和掺杂浓度时,空间电荷和电场主要决定于注入电荷,电场驱动电流,反过来电流又影响电场,形成反馈机制,这种现象叫做空间电荷效应。 空间电荷限制电流:发生空间电荷效应时,如果电流取决于注入载流子的漂移运动,则注入电流的大小取决于偏压、空间电荷区的厚度和迁移率等,具体关系不同的迁移机制给出不同结果。
低场迁移率机制
莫特-格雷定律
高场饱和机制
弹道机制
半导体器件基本方程
静电方程
泊松方程
界面处电荷薄层的边界条件(Q为面电荷密度)
电流密度方程
连续性方程
实例
过剩载流子随时间的衰减
过剩载流子随距离的衰减
过剩载流子随时间和距离的衰减
表面复合
,边界条件,漂移到表面的少数载流子在表面复合
S为表面复合速度