载流子的输运
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。
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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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二、半导体的电导率和迁移率
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4.2 载流子的散射
一、
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1、
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二、
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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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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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第四章 载流子的输运现象
书 第五章
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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。
半导体器件物理4章半导体中的载流子输运现象
第四章半导体中载流子的输运现象在前几章我们研究了热平衡状态下，半导体导带和价带中的电子浓度和空穴浓度。
我们知道电子和空穴的净流动将会产生电流，载流子的运动过程称谓输运。
半导体中的载流子存在两种基本的输运现象：一种是载流子的漂移，另一种是载流子的扩散。
由电场引起的载流子运动称谓载流子的漂移运动；由载流子浓度梯度引起的运动称谓载流子扩散运动。
其后我们会将会看到，漂移运动是由多数载流子（简称多子）参与的运动；扩散运动是有少数载流子（简称少子）参与的运动。
载流子的漂移运动和扩散运动都会在半导体內形成电流。
此外，温度梯度也会引起载流子的运动，但由于温度梯度小或半导体的特征尺寸变得越来越小，这一效应通常可以忽略。
载流子运动形成电流的机制最终会决定半导体器件的电流一电压特性。
因此，研究半导体中载流子的输运现象非常必要。
4.1漂移电流密度如果导带和价带都有未被电子填满的能量状态，那么在外加作用下使载流子产生的运动称为“漂移运动”。
载流子电荷的净如果电荷密度为P的正方体以速度4运动，则它形成的电流密度为^drf = P U d（°」）其中°的单伎为C»cm~3, J drf的单位是Acm~2或C/cnr»s。
若体电荷是带正电荷的空穴，则电荷密度p = ep , e为电荷电量^=1.6X10-,9C（^仑），〃为载流子空穴浓度，单位为⑵尸。
则空穴的漂移电流密度打场可以写成：丿"爾=⑷）％（4.2）%表示空穴的漂移速度。
空穴的漂移速度跟那些因素有关呢？在电场力的作用下，描述空穴的运动方程为F = ma = eE（4.3）p£代表电荷电量，d代表在电场力F作用下空穴的加速度，加;代表空穴的有效质量。
如果电场恒定，则空穴的加速度恒定，其漂移速度会线性增加。
但半导体中的载流子会与电离杂质原子和热振动的晶格原子发生碰撞或散射，这种碰撞或散射改变了带电粒子的速度特性。
电子在半导体中的载流子输运与载流子浓度变化规律
电子在半导体中的载流子输运与载流子浓度变化规律在现代科技的发展中，半导体材料扮演着重要的角色。
它们不仅广泛应用于电子器件中，而且在光电子学、能源等领域也有着重要的应用。
而半导体器件的工作原理则与半导体中载流子的输运与浓度变化规律息息相关。
本文将以电子在半导体中的载流子输运与载流子浓度变化规律为主题展开讨论。
在半导体材料中，载流子指的是电子或空穴，它们在材料中的运动形成了电流。
对于电子而言，它们在半导体中的运动遵循一定的规律。
首先，电子会随机地做热运动，即在晶格内进行热振动。
当电场作用于半导体材料时，电子除了受到晶格的阻碍外，还受到电场的驱动力，从而形成了电子的漂移运动。
这种漂移运动可分为两种情况：导电态和不导电态。
在导电态中，电子的漂移速度与电场强度成正比；而在不导电态中，由于晶格散射的影响，电子的漂移速度不再与电场强度呈线性关系。
另外，电子在半导体中的输运还受到其他因素的影响，如杂质、温度等。
其中，杂质的作用十分显著。
杂质在半导体中引入了陷阱态，从而影响了电子的运动速度。
当电子进入陷阱态时，它们的运动速度会减小，从而降低了电子的漂移速度。
因此，在半导体中具有杂质的区域，电子的输运速度较慢。
而在纯净的半导体区域，电子的漂移速度较快。
此外，半导体中载流子的浓度也会随着不同条件而变化。
载流子的浓度与材料中离子的掺杂浓度以及温度有关。
离子的掺杂浓度越高，载流子的浓度也越高。
掺杂浓度高的区域称为n型区域，其中带负电的电子浓度较高；而掺杂浓度低的区域则称为p型区域，其中带正电的空穴浓度较高。
在n型区域和有机区域之间存在电势差，这使得电子和空穴在区域间发生扩散。
当达到动态平衡时，区域间的扩散流和复合流相互抵消，从而形成载流子浓度分布的稳定状态。
总结起来，电子在半导体中的载流子输运与载流子浓度变化规律是一个复杂而又精彩的过程。
电子的漂移运动受到电场和晶格散射的共同影响，杂质的引入又对电子的运动速度产生了显著的影响。
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。
半导体中载流子的输运现象
即σ＝1/ρ，ρ旳单位是Ω·cm。
二、半导体旳电导率和迁移率
若在半导体两端加上电压，内部就
形成电场，电子和空穴漂移方向相反，
但所形成旳漂移电流密度都是与电场方
向一致旳，所以总漂移电流密度是两者
之和。
图4.2 电子和空穴漂移电流密度
因为电子在半导体中作“自由”运动，而空穴运动实际上是
共价键上电子在共价键之间旳运动，所以两者在外电场作用下旳
一维情况下非平衡载流子浓度为Δp(x)，在x方向上旳浓度梯度 为dΔp(x)/dx。假如定义扩散流密度为S单位时间垂直经过单位面积 旳粒子数，那么S与非平衡载流子旳浓度梯度成正比。
设空穴旳扩散流密度为Sp，则有下面所示旳菲克第一定律
dpx
S p Dp dx
Dp为空穴扩散系数，它反应了存在浓度梯度时扩散能力旳强弱， 单位是cm2/s，负号表达扩散由高浓度向低浓度方向进行。
5、在外加电场E作用下，为何半导体内载流子旳漂移电流恒 定，试从载流子旳运动角度阐明。
三、散射几率P与平均自由时间τ间旳关系
因为存在散射作用，外电场E作用下定向漂移旳载流子只在连 续两次散射之间才被加速，这期间所经历旳时间称为自由时间， 其长短不一，它旳平均值τ称为平均自由时间， τ和散射几率P 都与载流子旳散射有关， τ和P之间存在着互为倒数旳关系。
施主杂质在半导体中未电离时是中性旳，电离后成为正电 中心，而受主杂质电离后接受电子成为负电中心，所以离化旳 杂质原子周围就会形成库仑势场，载流子因运动接近后其速度 大小和方向均会发生变化，也就是发生了散射，这种散射机构 就称作电离杂质散射。
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。
电子材料的载流子输运与性能调控
电子材料的载流子输运与性能调控随着科学技术的发展，电子材料作为一种重要的功能材料，在能源、电子、信息等领域有着广泛的应用。
而材料的性能往往取决于其中载流子的输运特性。
因此，对电子材料的载流子输运和性能调控的研究变得至关重要。
1. 载流子输运的基本原理载流子是电子材料中负责带电荷的粒子，可以是电子、空穴或离子。
其中，电荷载流子包括电子和空穴，它们在电场或化学势梯度的作用下进行输运。
而离子的输运受到电场和浓度梯度的共同作用。
在电子材料中，载流子输运受到多种因素的影响，包括材料的结构、杂质、晶界等。
除了经典的Ohm定律外，还有一些非线性的输运现象，比如霍尔效应、楞次定律等，也需要被考虑。
2. 载流子输运的调控方法为了提高电子材料的性能，需要对载流子的输运进行调控。
目前已经发展出许多方法来实现这一目标。
（1）材料的合成和制备材料的合成和制备过程对载流子输运有着重要的影响。
通过控制材料的组分、形貌和晶体结构等参数，可以调控载流子的输运性能。
例如，通过添加掺杂剂或改变材料的结晶方向，可以增强载流子的迁移率，从而提高材料的导电性能。
（2）界面工程电子材料的接触界面是载流子输运的重要因素。
通过表面修饰、界面调控等手段，可以改变材料的能级结构和界面电荷分布，从而影响载流子的输运。
例如，通过在材料表面修饰一层适当的分子，可以增加电子与材料之间的耦合，从而提高电荷的传递效率。
（3）外界场的调控外界场的调控也是一种有效的载流子输运调控方法。
比如，在电场或磁场的作用下，载流子的迁移率会发生变化。
通过调节外界场的强度和方向，可以改变载流子的输运行为。
此外，光照、温度等因素也会对载流子输运产生影响。
3. 应用前景与挑战电子材料的载流子输运与性能调控在能源、电子器件等领域有着广泛的应用前景。
例如，通过优化电子材料的载流子输运特性，可以提高太阳能电池的转换效率；通过调控电子材料的能带结构，可以提高光电器件的性能。
然而，要实现有效的载流子输运与性能调控仍然面临着一些挑战。
2-载流子输运现象
vn = -m n E vp = m pE
半导体材料与器件物理
电导率与迁移率关系
I 根据电流定义 I = -qnvd A Þ J = = -qnvd A J n = -qnvn = -qnmn E 由于 vd = m E ，故
J p = -qnv p = qnm p E
根据 J = s E 由于 r = 1/ s 电阻率单位：Ωcm
半导体材料与器件物理
s = nqm
r = 1/ nqm
半导体中电导率
半导体中的导电作用为电子导电和空穴导电的总和
J J n J p (nqn pq p ) E
当电场强度不大时，满足 J E ，故可得半导体中电 导率为
nqn pq p
则电阻率为
电子 qV EC EF EV
r = 1/ (nqmn + pqm p )
空穴
试问：n 型或 p 型杂质半导体中电阻率？
半导体材料与器件物理
电阻率测量
四探针法：测量电阻率时最常用的方法
薄层电阻（表面电阻）
V s w
I
V RS = × CF I
r = RS × W
V \ r = × W × CF I
其中，CF 为修正因子（d／s 比例相关） 一般适用于W << d 的薄膜结构
minority V
半导体材料与器件物理
霍尔效应家族
量子霍尔效应
极低温、强磁场下 霍尔电阻的每个平台 都是物理常数 e2/h 的整数倍 朗道能级 B Edge
克劳斯· 冯· 克利青（德） 1985年诺贝尔物理学奖 半导体材料与器件物理
霍尔效应家族
外磁场作用下 无外磁场作用下 自旋相关
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室温下，电阻率与杂质浓度的关系
5.6载流子的扩散运动
扩散电流
电子扩散电流： J n,diff
dn qDn dx
空穴扩散电流：
J p,diff
qDp
dp dx
爱因斯坦关系:
D kT
q
过剩载流子的扩散和复合 过剩载流子的扩散过程
扩散长度Ln和Lp: L=(D)1/2 过剩载流子的复合机制：
q
N
D
N
A
p
n
电流连续方程
可动载流 子的守恒
电子：
n t
1 q
jn
ห้องสมุดไป่ตู้
G
R
热平衡时： 产生率＝复合率
空穴
p t
1 q
jp
G
R
np=ni2
电流密度方程
载流子的输运方程
在漂移－扩散模型中
方程形式1
jn qnn E qDnn
jp q p p E qDpp
漂移项
扩散项
爱因斯坦关系
Dn
kBT q
格波与声子
在固体物理中，把晶格振动看作格波，格波分 为升学波（频率低）和光学波（频率高）。
频率为va的格波，它的能量只能是量子化 的，把格波的能量子称为声子。
电子或空穴被晶格散射，就是电子和声子
的碰撞，且在这个相互作用的过程中遵守能量
守恒和准动量守恒定律。
E
(n
1 )h
2
a
影响迁移率的因素：
有效质量
n
Dp
kBT q
p
波耳兹曼关系
n nieq( f )/ kT p nieq( f )/ kT
费米势
f
EF q
方程形式2
Jn qnnn
J p qn p p
电子和空穴的准费米势
n
kT q
ln
n ni
p
kT q
ln
p ni
作业
1。计算施主杂质浓度分别为1016cm-3， 1018cm-3,1019cm-3的硅在室温下的费米能 级，并假定杂质是全部电离。再用算出的 费米能级核对一下上述假定是否在每一种 情况下都成立。计算时，取施主能级在导 带底下面0.05eV处。
直接复合、间接复合、 表面复合、俄歇复合
描述半导体器件工作的基本方程
泊松方程
高斯定律
描述半导体中静电势的变化规律
静电势由本征费米 能级Ei的变化决定
Ei
q
能带向下弯， 静电势增加
方程的形式1
2x, t
s 0
方程的形式2
E
1
s0
s
x dx
电荷 密度
(x)
可动的 －载流子（n,p) 固定的 －电离的施主、受主
在半导体中运动时，不断地与热振动的晶格原子或电
离的杂质离子发生碰撞，碰撞后载流子的运动速度的
大小和方向发生了改变。用波的概念，就是说电子波
在半导体中传播时遭到了散射。
在连续两次散射间自由运动的平均路程叫做平均 自由程，平均时间称为平均自由时间。
散射几率：单位时间一个电子受到散射的 次数。
• 当有外电场时，一方面载流子沿电场方向定向运 动，另一方面，载流子仍不断地遭到散射，使载 流子的运动方向不断地改变。在外电场力和散射 的双重作用下，载流子以一定的平均速度沿力的 方向漂移，形成了电流，而且在恒定电场作用下， 电流密度是恒定的。
n , p
导电的电子是在导带中，他们是脱离了共价键可 以在半导体中自由运动的电子；而导电的空穴是 在价带中，空穴电流实际上是代表了共价键上的 在价键间运动时所产生的电流，所以在相同电场 作用下，电子和空穴的迁移率不同。
J Jn J p (nqn pq p ) E
欧姆定律 J E
电导率 (nqn pq p )
1
电阻率
nqn pq p
n型半导体 P型半导体 本征半导体
nqn ,
1
nq n
pq p ,
1
pq p
ni qn
ni q p ,
ni qn
1
ni q p
电阻率与载流子浓度与迁移率有关，二 者均与杂质浓度和温度有关。
E
(n
1 )h 2
a
4.2 载流子的散射
• 载流子散射的概念:
没有外场的作用，载流子作无规则的热运动。载流子
第四章半导体的导电性
4.1载流子的漂移运动 迁移率 载流子的漂移运动：载流子在电场作用下的运动
漂移电流
漂移电流密度
I nqvd 1 s I
J s nqvd
v E 引 入 迁 移 率 的 概 念 d JJ qnEv qnE
n , p
迁移率
单位电场作用下载流子获得平均速度 反映了载流子在电场作用下输运能力
2。
重点
半导体、N型半导体、P型半导体、本征半导体、 非本征半导体
载流子、电子、空穴、平衡载流子、非平衡载流 子、
能带、导带、价带、禁带 费米能级、费米分布函数、玻尔兹曼分布函数 掺杂、施主、受主 输运、漂移、扩散、产生、复合
q
m
平均自由时间（散射〕
半导体中载流子的散射机制：
晶格散射：声学波散射
光学波散射
电离杂质散射
体现在：温度和 掺杂浓度
3
i NiT 2
3
S T 2
O
[exp(h l
k0T
)
1]
电阻率与杂质浓度的关系
硅
室温下载流子
迁移率与掺杂
浓度的函数关
系
锗 和 砷 化 镓
迁移率与温 度的关系
室温下，电阻率与杂质浓度的关系