载流子漂移运动-课件

6.1 载流子的漂移运动

在半导体中，热载流子所表现出来的重要效应主要有两个方面：其一是非线性的速度-电场关系：Si中的载流子在高电场时即呈现出漂移速度饱和现象，这就是由于热载流子发射光学波声子(约 0.05eV)的结果。GaAs中的电子当被电场“加热”到能量kTe达到 0.31eV时（Te是所谓热载流子温度），即从主能谷跃迁到次能谷，从而产生负阻现象。其二是碰撞电离效应：热电子与晶格碰撞、并打破价键，即把价电子激发到导带而产生电子-空穴对
这些热载流子效应所造成的影响，有的是很有用处的。例如n-GaAs中出现的负阻现象，即可用来实现所谓转移电子器件——一种重OSFET中的热载流子可以向栅氧化层注入的作用，能够制作出存储器。再如，利用热载流子的碰撞电离效应，可以制造出雪崩二极管等器件。

半导体物理-第四章-载流子的输运现象PPT课件

• 学习的目的：最终确定半导体器件I-V特性的基础。 • 本章所作的假设：虽然输运过程中电子和空穴净流动，
但是热平衡状态不受到干扰。
.
2
4.1 载流子的漂移运动
一、电导微观理论（刘恩科书p106）
单位: 西门子/米 1S=1A/V=1/Ω
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3
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4
二、半导体的电导率和迁移率
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5
4.2 载流子的散射
一、
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6
1、
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7
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8
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9
二、
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10
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小结：
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4.3 迁移率与杂质浓度和温度的关系
一、
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二、
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18
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19
4.4 强电场下的输运
一、欧姆定律的偏离和热载流子
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20
.Leabharlann 21.22
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23
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24
第四章载流子的输运现象
书第五章
.
1
• 在半导体中电子和空穴的净流动产生电流，把载流子的这种运动称为输运。
• 本章介绍半导体晶体中两种基本输运机制： 1、漂移运动：由电场引起的载流子运动。 2、扩散运动：由浓度梯度引起的载流子运动。此外半导体的温度梯度也引起载流子的运动，但是由于半导体器件尺寸越来越小，这一效应可以忽略。

半导体物理基础(4)06.02

J = nqμ E = nqvd
在某一个电场强度区域，电流密度随电场强度的增大而减小。
负的微分电导（negetive differential conductance）。 NDC
3 Gunn effect (耿氏效应) 实验现象：
ε0
阈电场（threshold field）
对于GaAs： ε 0
电子空穴
电场:
ε
v
若比例系数为 μ 则: v vd v ------迁移率 vd = με ∴ μ =
ε
单位电场下，载流子的平均漂移速度
2 Mobility（迁移率）定性分析：迁移率的大小反映了载流子迁移的难易程度。
载流子的有效质量 m ∗ ↑⇒ μ ↓, 载流子的平均自由时间 τ ↑⇒ μ ↑
n1
μ 2 =100cm / V ⋅ s
2
n2
2 Negetive differential conductance(负微分电导)
n1μ1 + n2 μ 2 μ= n1 + n2
1 电场很低 2 电场增强 3 电场很强
n2 ≈ 0
n1 ↓
n1 ≈ 0
n ≈ n1
n2 ↑
n = n1 + n2
n ≈ n2可以证明：μ =qτ m∗
μn μp
qτ n = ∗ mn qτ p = m∗ p
3 影响迁移率的因素
qτ n μn = ∗ mn
μp =
qτ p m
∗ p
不同材料，载流子的有效质量不同；但材料一定，有效质量则确定。对于一定的材料，迁移率由平均自由时间决定。也就是由载流子被散射的情况来决定的。
μ： T *中温

载流子的漂移运动

运动方程
总结词
描述载流子受到电场作用后的加速度和速度变化。
详细描述
运动方程是描述载流子在电场作用下的加速度和速度变化的方程。它反映了电场对载流子的力与载流子的质量之间的关系。在半导体中，由于存在有效质量和等效电场，运动方程需要考虑这些因素对载流子运动的影响。
电流密度方程
总结词
计算电流密度与电场、载流子浓度等参数之间的关系。
热运动
载流子在热能作用下进行无规则运动，与散射机制相互作用。
02
载流子在电场中的受力分析
电场对载流子的作用力
库仑力
在电场中，载流子受到库仑力的作用，该力与电场方向相同，大小与载流子的电荷量和电场强度成正比。
洛伦兹力
当电场与磁场同时存在时，载流子还会受到洛伦兹力的作用，该力垂直于电场和磁场的方向。
空穴
带正电的粒子，主要存在于半导体的价带中。
漂移速度与迁移率
漂移速度
载流子在电场作用下的平均移动速度，与电场强度成正比。
迁移率
衡量载流子在电场作用下的移动能力，与电场强度和漂移速度成正比。
漂移运动的物理机制
电场作用
电场对载流子施加作用力，使载流子在电场方向上移动。
散射机制
载流子在运动过程中会与晶格、杂质、缺陷等发生相互作用，导致散射。
载流子的漂移运动
• 载流子漂移运动的基本概念 • 载流子在电场中的受力分析 • 载流子在半导体中的漂移运动
• 载流子漂移运动的数学模型 • 载流子漂移运动的实验研究
01
载流子漂移运动的基本概念
载流子的定义
01
02
03
载流子
在固体材料中，能够自由移动并携带电荷的粒子，包括电子和空穴。

载流子的扩散运动和漂移运动

载流子的扩散运动和漂移运动以载流子的扩散运动和漂移运动为标题，我们来探讨一下这两个概念。

载流子的扩散运动是指在半导体材料中，载流子由高浓度区域向低浓度区域自发地扩散的运动。

这种运动是由于载流子的热运动和浓度梯度之间的作用力所导致的。

在材料的高浓度区域，载流子的浓度较高，而在低浓度区域，载流子的浓度较低。

根据浓度梯度，载流子会向浓度较低的区域自发地扩散。

这种扩散运动会导致载流子的浓度在材料中逐渐趋于均匀。

载流子的漂移运动则是指在外加电场的作用下，载流子受到电场力的驱动而发生的运动。

在半导体材料中，当施加电场时，正电荷载流子（空穴）会沿电场方向移动，而负电荷载流子（电子）则会沿相反方向移动。

这种运动是由于电场力对载流子施加的作用力所导致的。

在外加电场的作用下，载流子会以一定的速度进行漂移运动，从而形成电流。

扩散运动和漂移运动是半导体材料中载流子运动的两种基本方式。

它们在半导体器件的工作过程中起着重要的作用。

在半导体器件中，扩散运动和漂移运动共同决定了载流子的输运特性。

扩散运动主要影响了载流子的浓度分布和激发态分布，而漂移运动则主要影响了载流子的速度和方向。

这两种运动相互作用，共同决定了半导体器件的电流传输性能。

在半导体器件的工作过程中，扩散运动和漂移运动通常是同时存在的。

例如，在PN结形成的势垒区域，由于浓度梯度的存在，载流子会发生扩散运动。

而当施加电压时，载流子会受到电场力的作用而发生漂移运动。

这两种运动共同作用，使得载流子在器件中得以输运，从而实现电流的传输。

扩散运动和漂移运动对于半导体器件的性能和功能起着至关重要的作用。

对于理解和设计半导体器件来说，深入理解这两种运动的机制和特性是非常重要的。

载流子的扩散运动和漂移运动是半导体材料中载流子运动的两种基本方式。

它们分别由浓度梯度和电场力驱动，共同决定了半导体器件的电流传输性能。

对于半导体器件的设计和优化来说，深入理解这两种运动的机制和特性是非常重要的。

载流子的漂移扩散爱因斯坦关系式

当v增大时，a减小，表示载流子速度增大时受到的阻力增大，加速度减小。
公式推导
当v增大到一定值时，a=0，此时载流子做匀速运动，速度不再增大。
根据以上推导，得到爱因斯坦关系式：v=u√(2kT/m)，其中v为载流子速度，u为电场迁移率，T为温度。
公式含义
爱因斯坦关系式表明了载流子在电场中的运动速度与温度和
迁移率的关系。
当温度升高时，载流子速度增大；当迁移率增大时，载
流子速度也增大。
该公式是半导体物理中的基本公式之一，对于研究半导体器件的性能和应用具有重要意义。
公式应用
1
爱因斯坦关系式可以用于计算半导体器件中的电流和电压关系。
2
通过测量不同温度下的电流和电压数据，可以计算出迁移率和温度系数等重要参数。
浓度
载流子浓度对漂移扩散的影响主要体现在费米能级和能级填充上。在低浓度时，费米能级附近的能级较少，载流子容易达到较高的漂移速度。
随着浓度的增加，费米能级附近的能级增多，载流子的平均自由程减小，漂移速度降低。同时，浓度还影响扩散系数的大小，浓度越高，扩散系数越大。
电场
电场对载流子漂移扩散的影响主要体现在电场对载流子的加速作用上。在电场的作用下，载流子获得加速度，导致其漂移速度增加。
新理论的发展
要点一
量子力学与半经典理论的结合
在研究具有复杂能带结构的材料时，将量子力学与半经典理论相结合，可以更准确地描述载流子的行为，为载流子漂移扩散的研究提供更可靠的理论基础。
要点二
多尺度模拟方法
随着计算机技术的发展，多尺度模拟方法逐渐成为研究复杂电子器件的有力工具，通过模拟不同尺度下的载流子行为，可以更全面地理解载流子的漂移扩散过程。

载流子的漂移运动

载流子的漂移运动2010-03-12 20:08:37| 分类：微电子物理| 标签：|字号大中小订阅（什么是漂移速度？什么是迁移率？）作者：Xie M. X. (UESTC，成都市)（1）热运动和漂移运动：载流子在没有受到任何驱动（即无浓度梯度，也无电场）时，它就进行着无规的热运动。

热运动的特点：①没有方向性；②不断遭受散射；③具有一定的热运动能量和热运动速度（vth），在温度T时即满足：(1/2)m*vth2=(3/2)kT，其中m*是载流子有效质量。

在室温下，vth≈107cm/s。

在有外电场作用时即发生漂移运动。

漂移运动的特点：①沿着电场的方向运动——定向运动；②漂移运动是叠加在热运动基础之上的一种定向运动，因此漂移运动的速度——漂移速度必然小于热运动速度；③在漂移过程中将不断遭受散射（否则漂移速度将变成∞）。

连续两次散射之间的行走距离称为平均自由程，相应的行走时间称为平均自由时间（t）。

（2）漂移速度和迁移率：若电场强度为E，则由动量平衡关系可以给出平均漂移速度vd为：vd = qt E/m*.可见，漂移速度与电场成正比，其比例系数就是载流子的所谓迁移率μ：μ= vd/E= qt/m*.这就是说，载流子迁移率就是单位电场作用下、所产生的平均漂移速度，单位是[cm2/V-s]。

迁移率即表征着载流子在电场作用下加速运动的快慢。

（3）迁移率与散射的关系：平均自由时间t即为散射几率的倒数。

载流子迁移率的大小与平均自由时间t有关，即载流子在运动过程中遭受散射的情况起着很大的作用。

引起散射载流子的因素称为散射中心。

散射中心浓度越大，载流子的平均自由时间就越短，迁移率也就越低。

半导体中对载流子起散射作用的散射中心主要是声子（晶格振动的能量量子）和电离杂质中心。

温度越高，声子数量就越多。

因此，在室温及其以上的温度下，声子散射起主要作用，则迁移率将随着温度的升高而下降（一般是T-3/2规律）；而在较低温度下，因为声子数量较少，则电离杂质中心散射起主要作用，于是随着温度的升高，载流子速度增大，将导致迁移率随之而上升（一般是T3/2规律）。

高二物理竞赛载流子的输运PPT(课件)

扩散：因化学势不同，由高浓度到低浓度核心：载流子与晶格的散射作用
再增强：发射光学波声子，获得的能量大部分消失， vd饱和。散射机制（导带电子为例）
产生和复合：能带间跃迁 8 、在半导体中，载流子的三种输运方式为（）、（）和（）。
电场足够强时：载流子速度足够大，晶体振动散射变得非常强，使平均速度趋于饱和值。散射机制（导带电子为例） 5、杂质总共可分为两大类（）和（），施主杂质为（），受主杂质为（）。轻掺杂时（1016~1018cm-3） ① 平均漂移速度与E不再成正比
③ 高电场：载流子从电场中获得的能量很多，载流子和晶格系统不再处于平衡状态，Te明显超过Tl，此时称其为热载流子。其速度大于热平衡状态时的速度， l v 。电子受到晶格振动的散射主要表现为发射声子的形式，即将焦耳热传送给晶格。
④ 再增强：发射光学波声子，获得的能量大部分消失， vd饱和。
练习
载流子浓度：杂质电离、本征激发
迁移率：电离杂质、晶格散射
硅电阻率与温度关系示意图（一定施主杂质浓度）
1 nq
电离杂质散射
晶格振动散射
低温区：
本征激发
①EF>ED，施主未全部电离。T↑，电离施主增多，n ↑
②在此范围晶体振动不明显→电离杂质为主（μ随T↑而增加，尽管电离施
主数量的增多在一定程度上限制迁移率增加），总效果仍使电阻率随
轻掺杂时下（1降016~较101慢8cm，-3）所以本征半导体的电阻率随着温度增加而单调下降，
散射机制（导带电子为例）
本大征于激发这很快是增大半，本导征体载流区子的别产生于远大金于迁属移的率减一小对个电阻重率的要影响特。征。
第四章载流子的输运
扩散：因化学势不同，由高浓度到低浓度

半导体物理-载流子的漂移运动、双极扩散连续性方程

pE
∂Δp ∂x
−
(μnn
+
μ
p
p
ห้องสมุดไป่ตู้
)Δp
τ
D
∂Δp ∂t
=
D
∂ 2 Δp ∂x 2
−
μE
∂Δp ∂x
−
Δp
τ
μ=
=
nμn Dp nμn
+ +
pμ p Dn pμ p
=
(n + p)Dn Dp
nDn + pD p
⎯
(n − p)μnμ p ⎯
nμn + pμ p
双极扩散系数
双极迁移率
57/58
第七章小结
43/58
7.6 载流子的漂移运动、双极扩散3
7.6.3 丹倍效应
自建场（丹倍电场）
J扩＋J 漂
=
− qD p
dΔp( x) dx
+
qDn
dΔn( x) dx
+ qpμ p E自 + qnμn E自 = 0
E自
=
Dp
nμn
− +
Dn
pμ
p
dΔp dx
近似关系
dΔp = dΔn dx dx
∫ ∫ ΔV = −
E自( x)dx =
Dn − Dp dΔpdx
nμn + pμ p dx
( ) 对于 W >> Lp 情形
Δp = Δp0 exp − x Lp
kT μn − μ p Δp0
ΔV
=
Dn − Dp
nμn + pμp
Δp0
=
kT q

4.1 载流子的漂移运动迁移率(雨课堂课件)

新课教学
§ 4.1 载流子的漂移运动迁移率
1、欧姆定律
欧姆定律： I V
R
电阻：R l 其中，ρ-电阻率，单位Ω.cm；
s
电导率： 1 ，单位西门子/米（s/m）或s/cm。
电流密度：垂直于电流方向的单位面积的电流。描述电流
的不均匀分布
J I ( A / m2或A / cm2 ) S
nqn pq p
n型 : nqn p型 : pq p 本征 : niq(n p )
电场强度方向电子漂移方向电子电流空穴电流空穴漂移方向
图4-2 电子漂移电流和空穴漂移电流
小结
J E
J nqvd
J nq E E nq
vd E
半导体 nqn pq p
velocity)大小用 v d 表示。
任一截面A处的电流：1秒内通过截
面A的电量。距离A面右边vd×1 处有个O面。两面间的电子在1秒内均能
通过A面。即
I Q n vd 1 S q , J I nqvd
t
t
S
（4-9）
迁移率
J E ①
J nqvd ②
E 增加，则J 增加，则vd 增加，即vd与E成正比。
第四章半导体的导电性
Ch4 Conductivity of semiconductor
导入新课
第三章讨论的是载流子的统计分布（在一定温度下，无规则热运动，类似于布朗运动）。本章主要讨论载流子在电场中的漂移运动（载流子的输运现象—定向运动）及与其有关的概念：迁移率、散射机构、电导率及强电场效应。
引入迁移率 μ， vd E ③ 迁移率—迁移能力大小
迁移率单位： m2 /V s或cm2 /V s

半导体物理-载流子的漂移运动、散射

在半导体中，两种载流子：n，p
K
J = J n + J p = (nqμn + pqμ p ) E
σ = nqμn + pqμ p
强 n 型，n >> p 强 p 型，p >> n 本征
σ = nqμn σ = pqμ p σ = qni (μn + μ p )
5/24
第六章半导体中载流子的输运
实际上 Bloch 振荡也很难发生，原因 ⎯⎯ 散射
不满带电子能导电
有外电场时
∑v(k) ≠ 0
E
k v
k
7/24
6.2 载流子的散射2
6.2.1 散射几率、平均自由时间及其与迁移率的关系
设有 N0 个电子以速度 v 沿某方向运动 N(t) ⎯⎯ 在 t 时刻所有未受到散射的电子数 P ⎯⎯ 散射几率，单位时间内受到散射的次数
声学波散射几率光学波散射几率
Ps ∝ T 3/ 2 τ s ∝ T −3/ 2 μs ∝ T −3/ 2
Po ∝ [exp(=ωo kBT ) − 1]−1 τ o ∝ μo ∝ [exp(=ωo kBT ) − 1]
3. 其它散射机制
(1) 等价能谷间散射
q 较大，ω 也较大 ⎯⎯ 非弹性散射
(2) 中性杂质散射重掺杂，低温
则在 t → t+dt 时间被散射的电子数
N (t)Pdt = N (t) − N (t + dt) = − dN (t) ⋅ dt dt
N (t) = N 0 exp( −Pt )
∫ 平均自由时间τ = 1
（驰豫时间） N 0
∞ 0
t
⋅
PN 0