3.半导体物理：载流子输运
半导体物理-第四章-载流子的输运现象PPT课件
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
.
3
.
4
二、半导体的电导率和迁移率
.
5
4.2 载流子的散射
一、
.
6
1、
.
7
.
8
.
9
二、
.
10
.
11
.
12
.
13
小结：
.
14
4.3 迁移率与杂质浓度和温度的关系
一、
.
15
.
16
.
17
二、
.
18
.
19
4.4 强电场下的输运
一、欧姆定律的偏离和热载流子
.
20
.Leabharlann 21.22
.
23
.
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。
半导体器件中的载流子输运与控制
半导体器件中的载流子输运与控制半导体器件是现代电子技术的基础，广泛应用于各个领域。
而半导体器件的性能与其内部的载流子输运和控制密切相关。
本文将从理论和实践两个方面，探讨半导体器件中的载流子输运与控制的重要性以及相关的研究进展。
一、载流子输运的基本原理半导体器件的工作原理是基于载流子的输运和控制。
在半导体中，载流子主要包括电子和空穴。
电子是负电荷的载流子，空穴是正电荷的载流子。
它们在半导体中的输运过程决定了器件的性能。
载流子的输运过程主要包括漂移和扩散两种方式。
漂移是指载流子在电场的作用下移动，扩散是指载流子由高浓度区向低浓度区的自发移动。
在半导体器件中，电场和浓度梯度是通过外加电压和材料结构来实现的。
二、载流子输运与器件性能的关系载流子的输运过程直接影响着半导体器件的性能。
首先，载流子的输运速度决定了器件的工作速度。
电子和空穴在半导体中的移动速度取决于材料的能带结构和杂质的影响。
较高的移动速度能够提高器件的响应速度，从而实现更高的工作频率。
其次，载流子的输运过程也影响着器件的功耗和能效。
载流子在输运过程中会发生散射，导致能量损失。
因此，减小载流子的散射和提高输运效率可以降低器件的功耗，提高能效。
此外，载流子输运还与半导体器件的电流密度和热耗散能力有关。
较高的电流密度会导致载流子的散射增加，从而产生更多的热量。
因此，合理设计器件结构和优化载流子输运过程可以提高器件的电流承载能力和热耗散能力。
三、载流子输运与控制的研究进展为了改善半导体器件的性能，研究人员一直在不断探索载流子输运与控制的方法。
在理论方面，基于半导体物理学的模型和数值仿真方法被广泛应用。
这些方法可以揭示载流子输运的机制和影响因素，为器件设计提供理论指导。
在实践方面，研究人员通过改变半导体材料的性质和器件结构来控制载流子的输运过程。
例如，通过引入杂质和控制材料的晶格结构，可以调节载流子的能带结构和散射机制，从而影响其输运特性。
此外，利用纳米尺度结构和界面工程等方法，也可以实现对载流子输运的精确控制。
电子在半导体中的载流子输运机制
电子在半导体中的载流子输运机制当涉及到电子在半导体材料中的载流子输运机制时，我们需要了解半导体的基本概念和性质。
半导体是指在温度较低的条件下，电导率介于导体和绝缘体之间的材料。
在半导体中，载流子是电荷的载体，可以是电子或空穴。
电子是带负电荷的粒子，而空穴可以视为缺少了一个电子的局域化正电荷。
在半导体中，载流子的输运是指它们在材料内部的运动，包括电子的自由漂移和空穴的自由漂移。
载流子的输运机制可以分为两种：漂移和扩散。
首先，漂移是指载流子在电场的作用下移动的过程。
当在半导体中应用电场时，正电场会使电子向电场的方向漂移，而负电场会使空穴向电场的方向漂移。
在漂移过程中，载流子会与晶格中的离子发生碰撞，并且会受到散射的影响。
这些碰撞会导致载流子的速度减小，从而减缓了漂移速度。
不同的半导体材料具有不同的载流子迁移率，迁移率是描述载流子漂移性能的一个重要参数。
其次，扩散是指由于浓度差异而引起的载流子在材料中的运动。
当处于高浓度区域的载流子进入低浓度区域时，它们会因为浓度差异而扩散到低浓度区域。
根据浓度梯度，扩散的速度会随着时间的推移而减小，直到达到平衡状态。
在半导体中，漂移和扩散这两种机制同时存在并相互影响。
它们共同决定了载流子在半导体中的传输特性。
在半导体器件中，如二极管和晶体管，载流子的输运机制对器件的性能有着重要的影响。
例如，漂移速度的提高可以增加电子管的响应速度和功率。
而扩散机制可以决定电子在PN结区域的跨越速度，从而影响二极管的导通和截止条件。
为了更好地理解电子在半导体中的载流子输运机制，人们使用了各种实验方法和理论模型。
例如，霍尔效应是一种常用的实验方法，用于测量材料中载流子的浓度和迁移率。
而动态输运理论和能带结构理论等理论模型被广泛应用于解释载流子的输运行为。
总的来说，电子在半导体中的载流子输运机制是一个复杂的过程，涉及到电场的作用、离子散射和浓度梯度等因素。
了解和掌握这些机制对于更好地理解半导体器件的性能和优化器件设计具有重要意义。
半导体物理学中的载流子输运研究
半导体物理学中的载流子输运研究半导体物理学是研究半导体材料中的电子和空穴行为的学科。
其中，载流子输运是该领域的核心研究内容之一。
本文将探讨在半导体中载流子的性质、输运机制以及相关技术应用。
一、载流子的性质载流子是指在半导体中承载电荷的基本粒子，主要包括电子和空穴。
电子带负电，是带有负电荷的粒子；而空穴则相反，是带有正电荷的粒子。
在半导体材料中，载流子的输运行为直接影响着电子学器件的性能。
二、载流子输运机制1. 热激发热激发是指通过给半导体材料加热，使载流子获得足够的能量以克服势垒，从而自由地在材料中移动。
热激发是在高温条件下常见的载流子输运机制。
2. 扩散扩散是指在浓度梯度作用下，载流子从高浓度区域向低浓度区域移动的过程。
扩散过程是通过载流子之间的碰撞和散射实现的，其速率与浓度梯度成正比。
3. 漂移漂移是指在电场作用下，载流子沿着电场方向运动的过程。
载流子在内部受到电场力的驱动，通过与晶格和杂质散射来改变方向。
漂移速率与电场强度成正比。
三、载流子输运研究的意义载流子输运研究对于半导体器件的设计和性能优化具有重要意义。
通过深入研究载流子的输运机制，可以改进半导体器件的响应速度、电流传输能力和功耗等关键性能。
在半导体功率器件领域，针对大电流、高电压的要求，研究载流子的输运特性可以帮助设计更高效、更可靠的耐压器件。
此外，对于光电器件，如光伏电池和光电二极管等，通过分析光生载流子的输运过程，可以进一步提高其转换效率和灵敏度。
四、载流子输运研究的方法和技术1. Hall效应Hall效应是一种常用的测量片状半导体材料中载流子类型、浓度和迁移率的方法。
通过施加垂直于电流方向的磁场，观察电荷的偏转，可以计算得出载流子的相关参数。
2. 经验性模型在载流子输运研究中，人们根据对载流子行为的观察与实验数据拟合，建立了一系列经验性模型。
这些模型包括经典的Drift-Diffusion模型、连续性方程和波尔兹曼输运方程等，用于描述载流子的输运行为。
半导体物理学中载流子的输运特性分析
半导体物理学中载流子的输运特性分析半导体物理学是研究半导体材料中电荷载流子的性质和运动的学科。
对于这些半导体材料电流输送特性的研究，对于现代电子设备和信息技术的发展起着至关重要的作用。
本文将探讨半导体物理学中载流子的输运特性分析。
一、载流子的定义和类型在半导体物理学中，载流子是指携带电荷的粒子，它们在半导体材料中负责电流的输送。
根据带电荷性质的不同，载流子分为正电荷的空穴和负电荷的电子。
空穴是电子跳出离子晶格位置后在其原处留下的带正电荷的空位，而电子则是负电荷的粒子。
二、载流子的产生和输运载流子的产生主要通过固体材料的激发过程来实现。
当外界施加电场、光照或温度变化等激励时，电子会从价带跃迁到导带形成电子-空穴对。
这些电子和空穴会受到电场力的作用向着电场方向运动，从而形成了电流。
在半导体中，电子由于能级差距小，其导电性能强于绝缘体材料。
三、载流子的输运特性在半导体材料中，载流子的输运特性决定了材料的电导率和电流的传输效率。
其中，电流主要通过两种方式传输：漂移和扩散。
1. 漂移：漂移是指由于外加电场的作用，携带电荷的载流子在晶体中受到电场力的驱动而移动。
漂移速度与电场强度成正比，与载流子迁移率成正比。
而载流子的迁移率受到材料中杂质、晶格缺陷等因素的影响。
因此，提高半导体材料的纯度和结晶度可以提高载流子的迁移率，进而提高电导率。
2. 扩散：扩散是指由于载流子浓度差异引起的材料中的载流子传输。
当载流子浓度不均匀时，通过自由运动的载流子将会发生扩散，以实现浓度均匀分布。
扩散速度与浓度梯度成正比，与扩散系数成正比。
扩散系数受到温度、材料的缺陷和掺杂等因素的影响。
四、载流子输运的限制因素在实际的半导体器件中，载流子的输运过程会受到一些因素的限制，主要包括散射、载流子密度限制和表面反射等。
1. 散射：散射是指载流子在晶体中与杂质、晶格缺陷或声子等相互作用后改变原始运动状态的过程。
散射会使得载流子的迁移率降低，影响载流子的输运效率。
半导体物理-3-07
§ 4.2 载流子的扩散运动 3. 爱因斯坦关系
半导体载流子的漂移和扩散电流是半导体的载流子输运的两 个基本机制，但二者之间并不是互不相干，彼此独立的， 个基本机制，但二者之间并不是互不相干，彼此独立的，而 是存在一定的内在联系的。二者之间的内在联系， 是存在一定的内在联系的。二者之间的内在联系，表征为扩 散系数与迁移率之间的爱因斯坦关系，满足： 散系数与迁移率之间的爱因斯坦关系，满足：
§ 4.2 载流子的扩散运动 1. 载流子的扩散和扩散电流
当半导体中存在载流子浓度梯度时，将发生载流子 载流子的扩散满足扩散方程， 的扩散运动。载流子的扩散满足扩散方程，荷电载 流子的扩散运动必然形成载流子扩散电流
dn S = − Dn dx
§ 4.2 载流子的扩散运动 1. 载流子的扩散和扩散电流
E ψ =− q
ψi = −
Ef q
Ei q
ψf =−
半导体中电场强度可表示为本征费米势的负梯度
dψ i 1 dE C 1 dEV 1 dE i ε =− = = = dx q dx q dx q dx
4. 静电势
存在过剩载流子，可以看成准平衡态：导带电子之间处于平衡态； 准费米势定义为： 准费米势定义为：
ψ B = ψ f −ψ i = −
E f − Ei q
价带空穴之间处于平衡态。
kT N b = ln q ni
载流子的浓度可表示为： 载流子的浓度可表示为：
n = ni e
( E fN − Ei ) kT
( Ei − E fP ) kT Nhomakorabea= ni e
q (ψ i −ψ fN ) kT
q (ψ fP −ψ i ) kT
p = ni e
半导体中的载流子输运
半导体中的载流子输运半导体是一种特殊的材料，其电子能带结构使其具有半导体特性，即既不完全导电也不完全绝缘。
在半导体中，载流子的输运是至关重要的。
载流子是指在材料中参与电导的带电粒子，包括带负电荷的电子和带正电荷的空穴。
了解并掌握半导体中的载流子输运机制对于研究和应用半导体技术具有重要意义。
在半导体中，载流子的输运主要包括两个过程：漂移和扩散。
漂移是指在外加电场作用下，带电粒子受力移动的过程。
外加电场使得正负载流子分别向电场方向进行漂移，从而形成电流。
扩散是指由于浓度梯度的存在，带电粒子自发地从浓度高区域向浓度低区域扩散的过程。
扩散使得正负载流子重新组合并导致电流的流动。
在半导体材料中，载流子的输运与材料的特性、结构、掺杂以及温度等因素密切相关。
以硅（Si）为例，由于其晶格结构具有四面体对称性，硅材料中的电子和空穴密度均可达到相对较高的数值。
半导体材料通过掺杂可以引入杂质能级，从而改变其导电性能。
掺杂浓度的增加会导致更多的载流子生成，进而增大电导率。
在载流子输运中，杂质能级起到了重要的作用。
对于掺杂的P型半导体，通常采用三价杂质（如硼）来取代四面体结构中的硅原子，形成硅晶格中的空穴。
这些空穴可以被电子激发进入价带，从而产生正电荷。
而N型半导体则采用五价杂质（如磷）取代硅原子，形成额外的电子。
这些额外的电子使半导体具有了更高的导电性。
此外，温度也对半导体中的载流子输运起到重要影响。
随着温度的升高，材料中的原子振动加剧，导致更多的载流子被激发。
这进一步增加了电导率。
然而，过高的温度也会破坏材料的晶体结构，从而降低电导率。
近年来，随着半导体技术的快速发展，对载流子输运的研究也越发深入。
纳米级半导体结构的出现为探索新的载流子输运机制提供了新的平台。
例如，量子效应引起的载流子波函数重叠对于电导率具有重要影响。
此外，载流子输运还与材料的表面态和边界条件等因素密切相关。
综上所述，半导体中的载流子输运是现代电子技术和信息处理的基础，对于理解和应用半导体材料和器件具有重要意义。
半导体材料中的能带结构和载流子输运机制
半导体材料中的能带结构和载流子输运机制半导体材料在现代科技中扮演着至关重要的角色，广泛应用于电子器件、光电子器件等领域。
要理解半导体材料的性质和性能，我们需要研究半导体材料中的能带结构和载流子输运机制。
一、能带结构能带结构是描述物质中电子能级分布的一种模型。
对于半导体材料来说，能带结构由价带和导带组成。
1. 价带：价带是能量较低的带，其中填满了电子。
在固体中，原子间的电子交互作用使得原子能级分裂成离散的能带，在固体中表现为连续的能量带。
价带中的电子处于较稳定的状态，不易被激发到导带。
2. 导带：导带是能量较高的带，其中没有电子。
当外界能量作用于原子或者晶格时，电子可获得足够的能量从价带跃迁到导带。
导带中的电子具有较高的能量，容易参与导电过程。
半导体的能带结构与金属和绝缘体有所不同。
金属中，价带与导带重叠，使得电子能够自由移动，导电性能好；而绝缘体中，价带与导带之间存在较大的能隙，电子能量不足以跃迁到导带，因此其导电性能很差。
半导体的能带结构介于金属和绝缘体之间，存在较小的能隙，能够通过适当的能量激发将电子从价带跃迁到导带，从而实现电子的导电。
二、载流子输运机制载流子是指电子和空穴，它们是半导体材料中的导电粒子。
载流子的输运过程影响着半导体材料的导电性能。
1. 电子输运：电子由外界电场驱动，从一个位置向另一个位置移动。
在半导体中，电子的输运通常分为漂移和扩散两种情况。
漂移是指电场作用下，电子沿着电场方向移动，与杂质或晶格碰撞，导致速度减小；扩散是指电子在浓度梯度作用下，从高浓度区域向低浓度区域扩散。
电子输运的基本原理可以用经典电动力学和半导体物理学中的牛顿第二定律和欧姆定律描述。
2. 空穴输运：空穴是电子跃迁到导带中留下的一个“空位”，在半导体材料中的移动过程也被称为空穴的输运。
空穴的运动类似于正电荷的运动。
当外界电场作用于半导体材料时，空穴会受到电场力的驱动，从一个位置移动到另一个位置。
空穴的输运过程中，同样存在漂移和扩散两种情况。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第3章 半导体载流子输运
3 载流子输运
本章内容提要
载流子漂移，迁移率 散射与散射机构 迁移率/电阻率 VS
杂质浓度/温度 强电场效应 半导体磁电效应
Chapter 1:半导体中电子运动的基本特征和能量状态→载流子 具有类似于自由荷电粒子的性质
Chapter 2: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
➢ 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。
3.1 载流子的漂移运动
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 性，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。
f
a
vdn增加 Jn=-nqvdn Jn增加
恒定E
J E
Jn恒定
散射原因：周期性势场的被破坏，产生附加势场
载流子热运动 原子热振动 杂质 缺陷
晶体有限尺寸带来的界面
实际晶体 ΔV(r)=V(r)-Vo(r)
？
ΔV(r)对载流子漂移运动的影响
1.迁移率和平均自由时间
ΔV(r)
f 作用 f h dk dt
J I s
J E 欧姆定律的微分形式
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。
2.漂移速度（drift velocity）和迁移率（mobility）
I nqvd 1 s JI
s
电流密度与平均漂移速度关系
电子漂移电流密度 Jn=-nqvdn（n型） 空穴漂移电流密度 Jp=pqvdp （p型）
2
格波的能量是量子化的：E n 1 →声子（能量为 的量子）
2 可以把量子数为n的格波看成是n个属于这一格波的声子
电子在晶体中被散射的过程可以看作是电子和声子的“碰撞”过 程
晶格振荡对载流子的散射，应归结到各种格波对电子的散射 研究发现，一个晶体中，具有同样q的格波不止一个，最简单
（vdn和vdp分别为电子和空穴的平均漂移速度）
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
n型半导体，n>>p，Jn>>Jp E nqvdn
vdn nq E
n不随电场变化， 为一常数，
nq
通常用正值μ表示其比例系数，电子的迁移率
v E dn
n
μ意义：单位场强下电子的平均漂移速 度, 单位是m2/V·s 或者cm2/V·s
n型半导体： nqn J n nqn E
p型半导体： pqp
J n pqp E
电子、空穴的漂移电流
混 合 型 ： nqn pqp
J (nqn pqp ) E
本征半导体： n p ni
i niq(n p )
3.2 载流子的散射（Scattering，从波的概念考虑）
外加电场作用下
k发射（即热运动载流子不断地 与晶格、杂质、缺陷发生“碰撞”）
• 改变运动状态
• 电子和晶体不断交换能量, 达到热平衡
外电场作用下电子的漂移运动
自由时间：载流子在两次散射之间的时间间隔。 自由路程：载流子在两次散射之间所经过的距离。
自由路程＝vTt （vT：电子的热运动速度） 平均自由程l：大量载流子自由路程的平均值。
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）。
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。
1.欧姆定律的微分形式
欧姆定律 I＝V R
R l , 1 s
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）
R l , 1 s
均匀导体， |E|=V/l J=I/s
实际半导体器件总是工作在一定的 外部条件（如电场、磁场、….）
Chapter 3: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
(浓度梯度、温度梯度不计) 散射概念（晶格振动、杂质、晶格畸变） ——迁移率的本质
➢ 载流子在外加电场作用下的漂移运动(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。
(1)迁移率表达式 (或4.3.2解释）
设球形等能面的导带内有效质量为mn*的某个电子，在外电场作用
下，分别经过t1、t2、t3…散射，相继两次散射的时间间隔的平均值
为平均自由时间τ，则有
t1 t2 t3 tN
N
N为碰撞次数
碰撞后电子的速度无规则 忽略电子的热运动
mn*Vdn：电子的动量 τn：电子的平均自由时间
载流子的迁移率愈高；电子和空穴的迁移率是不同的，因为它们的平
均自由时间和有效质量不同。一般电子迁移率大于空穴迁移率。
(2)散射几率P与平均自由时间τ的关系
P：表示单位时间内一个载流子遭受散射的次数 τ：相继两次散射的时间间隔的平均值
散射有关 描述强弱
tn 1 NPePttdt 1
N N 0
d mn*vdn mn*vdn qE
dt
n
d mn*vdn mn*vdn qE
dt
n
电子动量变化率
单位时间外场获得的动量
单位时间通过散射失去的动量
稳态时第一项为零， mn*vdn
n vdn n
qE
E
n
q n
mn*
,
同理p
q p
m
* p
意义：平均自由时间愈长，或者说单位时间内遭受散射的次数愈少，
的晶体原胞中只有一个原子，对应每一个q具有三个格波。 Si，Ge及Ⅲ-Ⅴ 族化合物半导体，原胞中大多含有两个原子，
电子漂移电流密度Jn=-nqvdn
vdn n E J E
nq
（电子和空穴）
vd
反映了电导率与迁移率的关系
欧姆定律微分形式
反映了外电场作用下漂移运动的难易程度
不同半导体材料，μn、μp不同 即使是同一种材料中，μn和μp也不同，一般来说μn>>μp
3.半导体的电导率（conductivity）
P
P↑ → 散射作用强，平均自由时间短； P↓ → 散射作用弱，平均自由时间长。
2.半导体的主要散射机构
(1)晶格振动散射
各原子对平衡位置的位移可以分为若干不同频率位移波(格波)的迭加。 原子的平衡位置
R As exp[ i(q r t)]
位移矢量 位移幅度矢量 格波波矢
格波角频率
格波的能量是量子化的：E n 1 →声子（能量为 的量子）