關(guān)于半導(dǎo)體材料 ppt課件

1、化合物半導(dǎo)體材料與器件q輸運(yùn)：載流子的凈流動(dòng)過(guò)程稱為輸運(yùn)。輸運(yùn)：載流子的凈流動(dòng)過(guò)程稱為輸運(yùn)。q兩種根本輸運(yùn)體制：漂移運(yùn)動(dòng)、分散運(yùn)動(dòng)。兩種根本輸運(yùn)體制：漂移運(yùn)動(dòng)、分散運(yùn)動(dòng)。q載流子的輸運(yùn)景象是最終確定半導(dǎo)體器件電流載流子的輸運(yùn)景象是最終確定半導(dǎo)體器件電流-電電壓特性的根底。壓特性的根底。q假設(shè)：雖然輸運(yùn)過(guò)程中有電子和空穴的凈流動(dòng)，假設(shè)：雖然輸運(yùn)過(guò)程中有電子和空穴的凈流動(dòng)，但是熱平衡形狀不會(huì)遭到干擾。但是熱平衡形狀不會(huì)遭到干擾。q涵義：涵義：n、p、EF的關(guān)系沒(méi)有變化。輸運(yùn)過(guò)程中的關(guān)系沒(méi)有變化。輸運(yùn)過(guò)程中特定位置的載流子濃度不發(fā)生變化特定位置的載流子濃度不發(fā)生變化q熱運(yùn)動(dòng)的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越漂移或分散速

2、度。外加熱運(yùn)動(dòng)的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越漂移或分散速度。外加作用，轉(zhuǎn)化為一個(gè)平均的統(tǒng)計(jì)的效果作用，轉(zhuǎn)化為一個(gè)平均的統(tǒng)計(jì)的效果第第3章章 載流子輸運(yùn)景象載流子輸運(yùn)景象化合物半導(dǎo)體材料與器件3.1 載流子的漂移運(yùn)動(dòng)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)漂移電流密度：載流子在外加電場(chǎng)作用下的定向運(yùn)漂移電流密度：載流子在外加電場(chǎng)作用下的定向運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)，由載流子的漂移運(yùn)動(dòng)所構(gòu)成的動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)，由載流子的漂移運(yùn)動(dòng)所構(gòu)成的電流稱為漂移電流。電流稱為漂移電流。歐姆定律：歐姆定律：VIRIVR=V/IlRsls普通的歐姆定律不能表示出不同位置的電流分布普通的歐姆定律不能表示出不同位置的電流分布1化合物半導(dǎo)體材料與器件m電流密度：電流密度

3、：m 對(duì)于一段長(zhǎng)為對(duì)于一段長(zhǎng)為l，截面面積為，截面面積為s，電阻率為，電阻率為的均勻?qū)У木鶆驅(qū)w，假設(shè)備加以電壓體，假設(shè)備加以電壓V，那么導(dǎo)體內(nèi)建立均勻電場(chǎng)，那么導(dǎo)體內(nèi)建立均勻電場(chǎng)E，電場(chǎng)強(qiáng)度大小為：電場(chǎng)強(qiáng)度大小為：m 對(duì)于這一均勻?qū)w，有電流密度：對(duì)于這一均勻?qū)w，有電流密度：IJsIVEl將電流密度與該將電流密度與該處的電導(dǎo)率以及處的電導(dǎo)率以及電場(chǎng)強(qiáng)度聯(lián)絡(luò)起電場(chǎng)強(qiáng)度聯(lián)絡(luò)起來(lái)，稱為歐姆定來(lái)，稱為歐姆定律的微分方式律的微分方式化合物半導(dǎo)體材料與器件m漂移電流密度漂移電流密度drfIeNAvtJNevvAAtvEVA平均定向漂移速度平均定向漂移速度eN單位電量單位電量載流子濃度載流子濃度化合物半

4、導(dǎo)體材料與器件drfJeNvEvE普通說(shuō)來(lái)，在弱場(chǎng)情況下，載流子的定向漂移速度與外普通說(shuō)來(lái)，在弱場(chǎng)情況下，載流子的定向漂移速度與外加電場(chǎng)成正比，即：加電場(chǎng)成正比，即：其中其中稱作載流子的遷移率。稱作載流子的遷移率。因此有電導(dǎo)率和遷移率的關(guān)系：因此有電導(dǎo)率和遷移率的關(guān)系：eN遷移率的定義闡明：載遷移率的定義闡明：載流子的漂移速度與電場(chǎng)流子的漂移速度與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比。強(qiáng)度成正比。drfJeNveNE化合物半導(dǎo)體材料與器件q載流子的散射載流子的散射EF=eE+-真空極板間的電子做勻加速運(yùn)動(dòng)真空極板間的電子做勻加速運(yùn)動(dòng)在恒定電場(chǎng)中，電子速度該當(dāng)隨時(shí)間不斷增大，在恒定電場(chǎng)中，電子速度該當(dāng)隨時(shí)間不斷增大，

5、從而電流密度將無(wú)限增大？和歐姆定律矛盾？從而電流密度將無(wú)限增大？和歐姆定律矛盾？化合物半導(dǎo)體材料與器件mgf質(zhì)量較大的物領(lǐng)會(huì)以更質(zhì)量較大的物領(lǐng)會(huì)以更高的速度下落高的速度下落 假設(shè)有一個(gè)斜坡足夠長(zhǎng)，假設(shè)有一個(gè)斜坡足夠長(zhǎng)，一塊石頭圓的，不思索摩擦作一塊石頭圓的，不思索摩擦作用，從坡頂滾下，那么石頭將作勻用，從坡頂滾下，那么石頭將作勻加速運(yùn)動(dòng)直至坡底。加速運(yùn)動(dòng)直至坡底。但假設(shè)坡上生長(zhǎng)了很多樹(shù)木，但假設(shè)坡上生長(zhǎng)了很多樹(shù)木，石頭在滾落過(guò)程中不時(shí)地會(huì)與這些石頭在滾落過(guò)程中不時(shí)地會(huì)與這些樹(shù)木相碰撞。碰撞改動(dòng)了石頭的速樹(shù)木相碰撞。碰撞改動(dòng)了石頭的速度大小和運(yùn)動(dòng)方向。那么最終石頭度大小和運(yùn)動(dòng)方向。那么最終石頭以

6、平均的速度滾落山坡。以平均的速度滾落山坡。沒(méi)有思索到石頭本身運(yùn)動(dòng)的影響。沒(méi)有思索到石頭本身運(yùn)動(dòng)的影響。碰撞方式不同碰撞方式不同 化合物半導(dǎo)體材料與器件m載流子散射的概念載流子散射的概念m 載流子在半導(dǎo)體中運(yùn)動(dòng)時(shí)，不斷地與熱振動(dòng)著載流子在半導(dǎo)體中運(yùn)動(dòng)時(shí)，不斷地與熱振動(dòng)著的晶格原子或電離了的雜質(zhì)離子發(fā)生碰撞。用波的概的晶格原子或電離了的雜質(zhì)離子發(fā)生碰撞。用波的概念，即電子波在半導(dǎo)體中傳播時(shí)遭到了散射。念，即電子波在半導(dǎo)體中傳播時(shí)遭到了散射。m 在實(shí)踐晶體中，存在各種晶格缺陷，晶格本身也在實(shí)踐晶體中，存在各種晶格缺陷，晶格本身也不斷進(jìn)展著熱振動(dòng)，它們使實(shí)踐晶格勢(shì)場(chǎng)偏離理想的不斷進(jìn)展著熱振動(dòng)，它們使實(shí)

7、踐晶格勢(shì)場(chǎng)偏離理想的周期勢(shì)，這相當(dāng)于在嚴(yán)厲的周期勢(shì)場(chǎng)上疊加了附加的周期勢(shì)，這相當(dāng)于在嚴(yán)厲的周期勢(shì)場(chǎng)上疊加了附加的勢(shì)。這個(gè)附加的勢(shì)場(chǎng)作用于載流子，將改動(dòng)載流子的勢(shì)。這個(gè)附加的勢(shì)場(chǎng)作用于載流子，將改動(dòng)載流子的運(yùn)動(dòng)形狀，即引起載流子的運(yùn)動(dòng)形狀，即引起載流子的“散射。散射?；衔锇雽?dǎo)體材料與器件碰撞：載流子的散射；即載流子速度的改動(dòng)。碰撞：載流子的散射；即載流子速度的改動(dòng)。經(jīng)典碰撞。實(shí)踐的接觸為碰撞。經(jīng)典碰撞。實(shí)踐的接觸為碰撞。類比：堵車時(shí)，汽車的挪動(dòng)速度和方向，不斷由于其它汽類比：堵車時(shí)，汽車的挪動(dòng)速度和方向，不斷由于其它汽車的位置變化而變化。雖然沒(méi)有實(shí)踐接觸，但由于妨礙車車的位置變化而變化。雖然沒(méi)

8、有實(shí)踐接觸，但由于妨礙車的存在，呵斥了汽車本身速度大小和方向的改動(dòng)。這類似的存在，呵斥了汽車本身速度大小和方向的改動(dòng)。這類似于載流子的散射，也即碰撞。于載流子的散射，也即碰撞。 化合物半導(dǎo)體材料與器件m半導(dǎo)體中電子和空穴的運(yùn)動(dòng)半導(dǎo)體中電子和空穴的運(yùn)動(dòng)12341234電場(chǎng)電場(chǎng)E E1234無(wú)外場(chǎng)條件下載流子的無(wú)規(guī)那么熱運(yùn)無(wú)外場(chǎng)條件下載流子的無(wú)規(guī)那么熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)外場(chǎng)條件下空穴的熱運(yùn)動(dòng)和定向運(yùn)動(dòng)外場(chǎng)條件下空穴的熱運(yùn)動(dòng)和定向運(yùn)動(dòng)外場(chǎng)條件下電子的熱運(yùn)動(dòng)和定向運(yùn)動(dòng)外場(chǎng)條件下電子的熱運(yùn)動(dòng)和定向運(yùn)動(dòng)化合物半導(dǎo)體材料與器件m晶格散射晶格散射m 晶格原子振動(dòng)以格波來(lái)描畫(huà)。格波能量量子化，格波晶格原子振動(dòng)以格波來(lái)描畫(huà)。

9、格波能量量子化，格波能量變化以聲子為單位。電子和晶格之間的作用相當(dāng)能量變化以聲子為單位。電子和晶格之間的作用相當(dāng)于電子和聲子的碰撞。于電子和聲子的碰撞。EcEv晶格原子熱振動(dòng)導(dǎo)致勢(shì)場(chǎng)的周期性遭晶格原子熱振動(dòng)導(dǎo)致勢(shì)場(chǎng)的周期性遭到破壞，相當(dāng)于添加了一個(gè)附加勢(shì)到破壞，相當(dāng)于添加了一個(gè)附加勢(shì)理想晶格原子陳列理想晶格原子陳列以一定方式振動(dòng)的晶格原子以一定方式振動(dòng)的晶格原子化合物半導(dǎo)體材料與器件m電離雜質(zhì)散射電離雜質(zhì)散射化合物半導(dǎo)體材料與器件散射的影響散射的影響 熱平衡情況熱平衡情況散射使載流子的運(yùn)動(dòng)紊亂化。例如，假設(shè)某一時(shí)散射使載流子的運(yùn)動(dòng)紊亂化。例如，假設(shè)某一時(shí)辰晶體中的某些載流子的速度具有某一一樣的

10、方向，在辰晶體中的某些載流子的速度具有某一一樣的方向，在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間以后，由于碰撞，將使這些載流子的速度經(jīng)過(guò)一段時(shí)間以后，由于碰撞，將使這些載流子的速度時(shí)機(jī)均等地分布在各個(gè)方向上。這里時(shí)機(jī)均等地分布在各個(gè)方向上。這里“紊亂化是相對(duì)紊亂化是相對(duì)于于“定向而言的，與這些載流子具有沿某一方向的初定向而言的，與這些載流子具有沿某一方向的初始動(dòng)量相比，散射使它們失去原有的定向運(yùn)動(dòng)動(dòng)量，這始動(dòng)量相比，散射使它們失去原有的定向運(yùn)動(dòng)動(dòng)量，這種景象稱為種景象稱為“動(dòng)量馳豫。在晶體中，載流子和晶格、動(dòng)量馳豫。在晶體中，載流子和晶格、缺陷之間的碰撞，進(jìn)展得非常頻繁，每秒大約發(fā)生缺陷之間的碰撞，進(jìn)展得非常頻繁，每秒大

11、約發(fā)生10121013 次，因此這種馳豫過(guò)程所需的時(shí)間僅約次，因此這種馳豫過(guò)程所需的時(shí)間僅約10-1210-13 秒，正是上述散射過(guò)程導(dǎo)致平衡分布確秒，正是上述散射過(guò)程導(dǎo)致平衡分布確實(shí)定，在平衡分布中，載流子的總動(dòng)量為零，在晶體中實(shí)定，在平衡分布中，載流子的總動(dòng)量為零，在晶體中不存在電流。不存在電流?；衔锇雽?dǎo)體材料與器件有外場(chǎng)的情況有外場(chǎng)的情況在晶體中存在電場(chǎng)時(shí)，電場(chǎng)的作用在于在晶體中存在電場(chǎng)時(shí)，電場(chǎng)的作用在于使載流子獲得沿電場(chǎng)方向的動(dòng)量定向運(yùn)動(dòng)動(dòng)量，使載流子獲得沿電場(chǎng)方向的動(dòng)量定向運(yùn)動(dòng)動(dòng)量，每個(gè)載流子單位時(shí)間內(nèi)由電場(chǎng)獲得的定向運(yùn)動(dòng)動(dòng)量每個(gè)載流子單位時(shí)間內(nèi)由電場(chǎng)獲得的定向運(yùn)動(dòng)動(dòng)量為為eE，但

12、是由于散射，載流子的動(dòng)量不會(huì)像在理想，但是由于散射，載流子的動(dòng)量不會(huì)像在理想晶體中那樣不斷添加；它們一方面由電場(chǎng)獲得定向晶體中那樣不斷添加；它們一方面由電場(chǎng)獲得定向運(yùn)動(dòng)動(dòng)量，但另一方面又經(jīng)過(guò)碰撞失去定向運(yùn)動(dòng)動(dòng)運(yùn)動(dòng)動(dòng)量，但另一方面又經(jīng)過(guò)碰撞失去定向運(yùn)動(dòng)動(dòng)量，在一定的電場(chǎng)強(qiáng)度下，平均來(lái)說(shuō)，最終載流子量，在一定的電場(chǎng)強(qiáng)度下，平均來(lái)說(shuō)，最終載流子只能堅(jiān)持確定的定向運(yùn)動(dòng)動(dòng)量，這時(shí)，載流子由電只能堅(jiān)持確定的定向運(yùn)動(dòng)動(dòng)量，這時(shí)，載流子由電場(chǎng)獲得定向運(yùn)動(dòng)動(dòng)量的速率與經(jīng)過(guò)碰撞失去定向運(yùn)場(chǎng)獲得定向運(yùn)動(dòng)動(dòng)量的速率與經(jīng)過(guò)碰撞失去定向運(yùn)動(dòng)動(dòng)量的速度堅(jiān)持平衡。動(dòng)動(dòng)量的速度堅(jiān)持平衡。此時(shí)晶體中的載流子將在無(wú)規(guī)那么熱運(yùn)此時(shí)晶

13、體中的載流子將在無(wú)規(guī)那么熱運(yùn)動(dòng)的根底上疊加一定的定向運(yùn)動(dòng)。動(dòng)的根底上疊加一定的定向運(yùn)動(dòng)?；衔锇雽?dǎo)體材料與器件m我們用有效質(zhì)量來(lái)描畫(huà)空穴的加速度與外力電場(chǎng)力我們用有效質(zhì)量來(lái)描畫(huà)空穴的加速度與外力電場(chǎng)力之間的關(guān)系之間的關(guān)系m v表示電場(chǎng)作用下的粒子速度漂移速度，不包括熱表示電場(chǎng)作用下的粒子速度漂移速度，不包括熱運(yùn)動(dòng)速度。假設(shè)粒子的初始速度為運(yùn)動(dòng)速度。假設(shè)粒子的初始速度為0，那么可以積分，那么可以積分得到：得到：*pdvFmeEdt*peEtvm化合物半導(dǎo)體材料與器件m用用cp來(lái)表示在兩次碰撞之間的平均漂移時(shí)間。來(lái)表示在兩次碰撞之間的平均漂移時(shí)間。mm 那么在弱場(chǎng)下，電場(chǎng)所導(dǎo)致的定向漂移速度和熱運(yùn)

14、動(dòng)那么在弱場(chǎng)下，電場(chǎng)所導(dǎo)致的定向漂移速度和熱運(yùn)動(dòng)速度相比很小速度相比很小1%，因此加外場(chǎng)后空穴的平均漂，因此加外場(chǎng)后空穴的平均漂移時(shí)間并沒(méi)有明顯變化。利用用平均漂移時(shí)間，可求移時(shí)間并沒(méi)有明顯變化。利用用平均漂移時(shí)間，可求得平均最大漂移速度為：得平均最大漂移速度為：1234電場(chǎng)電場(chǎng)E E1234*cppeEvm化合物半導(dǎo)體材料與器件因此空穴遷移率可表示為：因此空穴遷移率可表示為：*cpppemm同理，電子的平均漂移速度為：同理，電子的平均漂移速度為：*cndnpevEm 化合物半導(dǎo)體材料與器件m根據(jù)遷移率和速度以及電場(chǎng)的關(guān)系，知道：根據(jù)遷移率和速度以及電場(chǎng)的關(guān)系，知道：*cnnnem可以看到遷移

15、率與有效質(zhì)量有關(guān)。有效質(zhì)量小，在一樣的平可以看到遷移率與有效質(zhì)量有關(guān)。有效質(zhì)量小，在一樣的平均漂移時(shí)間內(nèi)獲得的漂移速度就大。均漂移時(shí)間內(nèi)獲得的漂移速度就大。遷移率還和平均漂移時(shí)間有關(guān)，平均漂移時(shí)間越大，那么載遷移率還和平均漂移時(shí)間有關(guān)，平均漂移時(shí)間越大，那么載流子獲得的加速時(shí)間就越長(zhǎng)，因此漂移速度越大。流子獲得的加速時(shí)間就越長(zhǎng)，因此漂移速度越大。平均漂移時(shí)間與散射幾率有關(guān)。平均漂移時(shí)間與散射幾率有關(guān)。化合物半導(dǎo)體材料與器件m典型半導(dǎo)體的載流子遷移率典型半導(dǎo)體的載流子遷移率空穴和電子的遷移率不同來(lái)源于其有效質(zhì)量不同空穴和電子的遷移率不同來(lái)源于其有效質(zhì)量不同化合物半導(dǎo)體材料與器件m在弱場(chǎng)下，主要的

16、散射機(jī)制：在弱場(chǎng)下，主要的散射機(jī)制：m晶格散射，電離雜質(zhì)散射晶格散射，電離雜質(zhì)散射單純由晶格振動(dòng)散射所決議的載流子遷移率隨溫單純由晶格振動(dòng)散射所決議的載流子遷移率隨溫度的變化關(guān)系為：度的變化關(guān)系為：3/2LT隨著溫度的升高，晶格振動(dòng)越為猛烈，因此對(duì)載流子的散射隨著溫度的升高，晶格振動(dòng)越為猛烈，因此對(duì)載流子的散射作用也越強(qiáng)，從而導(dǎo)致遷移率越低作用也越強(qiáng)，從而導(dǎo)致遷移率越低化合物半導(dǎo)體材料與器件如下圖為不同摻雜濃度如下圖為不同摻雜濃度下，硅單晶資料中電子下，硅單晶資料中電子的遷移率隨溫度的變化的遷移率隨溫度的變化關(guān)系表示圖。從圖中可關(guān)系表示圖。從圖中可見(jiàn)，在比較低的摻雜濃見(jiàn)，在比較低的摻雜濃度下，

17、電子的遷移率隨度下，電子的遷移率隨溫度的改動(dòng)發(fā)生了十溫度的改動(dòng)發(fā)生了十清楚顯的變化，這闡明清楚顯的變化，這闡明在低摻雜濃度的條件下，在低摻雜濃度的條件下，電子的遷移率主要受晶電子的遷移率主要受晶格振動(dòng)散射的影響。格振動(dòng)散射的影響?；衔锇雽?dǎo)體材料與器件右圖所示為不同摻雜濃右圖所示為不同摻雜濃度下，硅單晶資料中空度下，硅單晶資料中空穴的遷移率隨溫度的變穴的遷移率隨溫度的變化關(guān)系表示圖。從圖中化關(guān)系表示圖。從圖中可見(jiàn)，在比較低的摻雜可見(jiàn)，在比較低的摻雜濃度下，空穴的遷移率濃度下，空穴的遷移率同樣隨溫度的改動(dòng)發(fā)生同樣隨溫度的改動(dòng)發(fā)生了十清楚顯的變化，這了十清楚顯的變化，這闡明在低摻雜濃度的條闡明在低

18、摻雜濃度的條件下，空穴的遷移率也件下，空穴的遷移率也是主要受晶格振動(dòng)散射是主要受晶格振動(dòng)散射的影響。的影響?；衔锇雽?dǎo)體材料與器件載流子在半導(dǎo)體晶體資料中運(yùn)動(dòng)時(shí)所遭到的第二類散載流子在半導(dǎo)體晶體資料中運(yùn)動(dòng)時(shí)所遭到的第二類散射機(jī)制是所謂的離化雜質(zhì)電荷中心的庫(kù)侖散射作用。射機(jī)制是所謂的離化雜質(zhì)電荷中心的庫(kù)侖散射作用。單純由離化雜質(zhì)散射所決議的載流子遷移率隨溫度和單純由離化雜質(zhì)散射所決議的載流子遷移率隨溫度和總的摻雜濃度的變化關(guān)系為：總的摻雜濃度的變化關(guān)系為：其中其中NINDNA ，為總的離化雜質(zhì)濃度。從上式，為總的離化雜質(zhì)濃度。從上式中可見(jiàn)，離化雜質(zhì)散射所決議的載流子遷移率隨溫度的中可見(jiàn)，離化雜質(zhì)

19、散射所決議的載流子遷移率隨溫度的升高而增大，這是由于溫度越高，載流子熱運(yùn)動(dòng)的程度升高而增大，這是由于溫度越高，載流子熱運(yùn)動(dòng)的程度就會(huì)越猛烈，載流子經(jīng)過(guò)離化雜質(zhì)電荷中心附近所需的就會(huì)越猛烈，載流子經(jīng)過(guò)離化雜質(zhì)電荷中心附近所需的時(shí)間就會(huì)越短，因此離化雜質(zhì)散射所起的作用也就越小。時(shí)間就會(huì)越短，因此離化雜質(zhì)散射所起的作用也就越小。化合物半導(dǎo)體材料與器件以下圖所示為室溫以下圖所示為室溫300K300K條件下硅單晶資料中電子和空穴條件下硅單晶資料中電子和空穴的遷移率隨總的摻雜濃度的變化關(guān)系曲線。從圖中可見(jiàn)，隨的遷移率隨總的摻雜濃度的變化關(guān)系曲線。從圖中可見(jiàn)，隨著摻雜濃度的提高，載流子的遷移率發(fā)生明顯的下降

20、。著摻雜濃度的提高，載流子的遷移率發(fā)生明顯的下降?；衔锇雽?dǎo)體材料與器件以下圖所示為室溫以下圖所示為室溫300K300K條件下鍺單晶資料中電子和空穴條件下鍺單晶資料中電子和空穴的遷移率隨總的摻雜濃度的變化關(guān)系曲線。從圖中可見(jiàn)，隨的遷移率隨總的摻雜濃度的變化關(guān)系曲線。從圖中可見(jiàn)，隨著摻雜濃度的提高，鍺資料中載流子的遷移率也發(fā)生明顯的著摻雜濃度的提高，鍺資料中載流子的遷移率也發(fā)生明顯的下降。下降?；衔锇雽?dǎo)體材料與器件以下圖所示為室溫以下圖所示為室溫300K300K條件下砷化鎵單晶資料中電子和空條件下砷化鎵單晶資料中電子和空穴的遷移率隨總的摻雜濃度的變化關(guān)系曲線。從圖中可見(jiàn)，隨穴的遷移率隨總的摻雜

21、濃度的變化關(guān)系曲線。從圖中可見(jiàn)，隨著摻雜濃度的提高，砷化鎵資料中載流子的遷移率同樣也發(fā)生著摻雜濃度的提高，砷化鎵資料中載流子的遷移率同樣也發(fā)生明顯的下降。明顯的下降?；衔锇雽?dǎo)體材料與器件假設(shè)假設(shè)LL是由于晶格振動(dòng)散射所導(dǎo)致的載流子自在運(yùn)動(dòng)時(shí)間，是由于晶格振動(dòng)散射所導(dǎo)致的載流子自在運(yùn)動(dòng)時(shí)間，那么載流子在那么載流子在dtdt時(shí)間內(nèi)發(fā)生晶格振動(dòng)散射的幾率為時(shí)間內(nèi)發(fā)生晶格振動(dòng)散射的幾率為dt /Ldt /L；同樣，假設(shè)同樣，假設(shè)II是由于離化雜質(zhì)散射所導(dǎo)致的載流子自在運(yùn)動(dòng)是由于離化雜質(zhì)散射所導(dǎo)致的載流子自在運(yùn)動(dòng)時(shí)間，那么載流子在時(shí)間，那么載流子在dtdt時(shí)間內(nèi)發(fā)生離化雜質(zhì)散射的幾率為時(shí)間內(nèi)發(fā)生離化雜

22、質(zhì)散射的幾率為dt / dt / II；假設(shè)兩種散射機(jī)制相互獨(dú)立，那么在；假設(shè)兩種散射機(jī)制相互獨(dú)立，那么在dtdt時(shí)間內(nèi)載流子發(fā)時(shí)間內(nèi)載流子發(fā)生散射的總幾率為：生散射的總幾率為：其中其中是載流子發(fā)生延續(xù)兩次恣意散射過(guò)程之間的自在運(yùn)動(dòng)時(shí)是載流子發(fā)生延續(xù)兩次恣意散射過(guò)程之間的自在運(yùn)動(dòng)時(shí)間。上式的物理意義就是載流子在半導(dǎo)體晶體資料中所遭到的間。上式的物理意義就是載流子在半導(dǎo)體晶體資料中所遭到的總散射幾率對(duì)于各個(gè)不同散射機(jī)制的散射幾率之和，這對(duì)于多總散射幾率對(duì)于各個(gè)不同散射機(jī)制的散射幾率之和，這對(duì)于多種散射機(jī)制同時(shí)存在的情況也是成立的。種散射機(jī)制同時(shí)存在的情況也是成立的?；衔锇雽?dǎo)體材料與器件上式中，

23、上式中，II是只需離化雜質(zhì)散射存在時(shí)的載流子遷移率，而是只需離化雜質(zhì)散射存在時(shí)的載流子遷移率，而LL那么是只需晶格振動(dòng)散射存在時(shí)的載流子遷移率，那么是只需晶格振動(dòng)散射存在時(shí)的載流子遷移率，是總是總的載流子遷移率。當(dāng)有多個(gè)獨(dú)立的散射機(jī)制同時(shí)存在時(shí)，上式的載流子遷移率。當(dāng)有多個(gè)獨(dú)立的散射機(jī)制同時(shí)存在時(shí)，上式依然成立，這也意味著由于多種散射機(jī)制的影響，載流子總的依然成立，這也意味著由于多種散射機(jī)制的影響，載流子總的遷移率將會(huì)更低。遷移率將會(huì)更低。因此利用遷移率公式：因此利用遷移率公式：我們不難得到：我們不難得到：*em111LI化合物半導(dǎo)體材料與器件q從兩種散射機(jī)制上來(lái)看：在低溫下，晶格振動(dòng)較從兩種

24、散射機(jī)制上來(lái)看：在低溫下，晶格振動(dòng)較弱，因此晶格散射較弱，遷移率受電離雜質(zhì)散射弱，因此晶格散射較弱，遷移率受電離雜質(zhì)散射作用更為明顯；在高溫下，晶格振動(dòng)較強(qiáng)，載流作用更為明顯；在高溫下，晶格振動(dòng)較強(qiáng)，載流子運(yùn)動(dòng)速度較快，電離雜質(zhì)散射作用減弱。子運(yùn)動(dòng)速度較快，電離雜質(zhì)散射作用減弱。總的來(lái)說(shuō)，遷移率隨著雜質(zhì)的增多而下降，隨著溫度升總的來(lái)說(shuō)，遷移率隨著雜質(zhì)的增多而下降，隨著溫度升高而下降：高而下降：雜質(zhì)濃度低時(shí)，雜質(zhì)濃度低時(shí)， 的起點(diǎn)高、下降快；的起點(diǎn)高、下降快；雜質(zhì)濃度高時(shí)，雜質(zhì)濃度高時(shí)， 的起點(diǎn)低、下降慢。的起點(diǎn)低、下降慢。化合物半導(dǎo)體材料與器件q電導(dǎo)率和電阻率電導(dǎo)率和電阻率q電流密度：電流密度

25、：q對(duì)于一段長(zhǎng)為對(duì)于一段長(zhǎng)為l，截面面積為，截面面積為s，電阻率為，電阻率為的的均勻?qū)w，假設(shè)備加以電壓均勻?qū)w，假設(shè)備加以電壓V，那么導(dǎo)體內(nèi)建立，那么導(dǎo)體內(nèi)建立均勻電場(chǎng)均勻電場(chǎng)E，電場(chǎng)強(qiáng)度大小為：，電場(chǎng)強(qiáng)度大小為：q對(duì)于這一均勻?qū)w，有電流密度：對(duì)于這一均勻?qū)w，有電流密度：IJsIVEl/E lIVJssElsRs將電流密度與該將電流密度與該處的電導(dǎo)率以及處的電導(dǎo)率以及電場(chǎng)強(qiáng)度聯(lián)絡(luò)起電場(chǎng)強(qiáng)度聯(lián)絡(luò)起來(lái)，稱為歐姆定來(lái)，稱為歐姆定律的微分方式律的微分方式化合物半導(dǎo)體材料與器件m半導(dǎo)體的電阻率和電導(dǎo)率半導(dǎo)體的電阻率和電導(dǎo)率11drfnpnpnpIeNAvtJNevvAAtenp EEenpenp顯

26、然：電導(dǎo)率電阻率與載流子顯然：電導(dǎo)率電阻率與載流子濃度摻雜濃度和遷移率有關(guān)濃度摻雜濃度和遷移率有關(guān)化合物半導(dǎo)體材料與器件右圖所示為右圖所示為N N型和型和P P型硅單型硅單晶資料在室晶資料在室溫溫(300K)(300K)條條件下電阻率件下電阻率隨摻雜濃度隨摻雜濃度的變化關(guān)系的變化關(guān)系曲線。曲線。m電阻率和雜質(zhì)濃度的關(guān)系電阻率和雜質(zhì)濃度的關(guān)系化合物半導(dǎo)體材料與器件右圖所示為右圖所示為N N型型和和P P型鍺、砷化型鍺、砷化鎵以及磷化鎵單鎵以及磷化鎵單晶資料在室溫晶資料在室溫(300K)(300K)條件下電條件下電阻率隨摻雜濃度阻率隨摻雜濃度的變化關(guān)系曲線。的變化關(guān)系曲線?；衔锇雽?dǎo)體材料與器件m

27、電阻率電導(dǎo)率同時(shí)受載流子濃度雜質(zhì)濃度和電阻率電導(dǎo)率同時(shí)受載流子濃度雜質(zhì)濃度和遷移率的影響，因此電阻率和雜質(zhì)濃度不是線性關(guān)系。遷移率的影響，因此電阻率和雜質(zhì)濃度不是線性關(guān)系。m對(duì)于非本征半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，資料的電阻率電導(dǎo)率主對(duì)于非本征半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，資料的電阻率電導(dǎo)率主要和多數(shù)載流子濃度以及遷移率有關(guān)。要和多數(shù)載流子濃度以及遷移率有關(guān)。m雜質(zhì)濃度增高時(shí)，曲線嚴(yán)重偏離直線，主要緣由：雜質(zhì)濃度增高時(shí)，曲線嚴(yán)重偏離直線，主要緣由：m雜質(zhì)在室溫下不能完全電離雜質(zhì)在室溫下不能完全電離m遷移率隨雜質(zhì)濃度的添加而顯著下降遷移率隨雜質(zhì)濃度的添加而顯著下降m由于電子和空穴的遷移率不同，因此在一定溫度下，由于電子和空穴的遷移

28、率不同，因此在一定溫度下，不一定本征半導(dǎo)體的電導(dǎo)率最小。不一定本征半導(dǎo)體的電導(dǎo)率最小?；衔锇雽?dǎo)體材料與器件右圖所示為一塊右圖所示為一塊N N型半型半導(dǎo)體資料中，當(dāng)施主導(dǎo)體資料中，當(dāng)施主雜質(zhì)的摻雜濃度雜質(zhì)的摻雜濃度NDND為為1E15cm-31E15cm-3時(shí)，半導(dǎo)體時(shí)，半導(dǎo)體資料中的電子濃度及資料中的電子濃度及其電導(dǎo)率隨溫度的變其電導(dǎo)率隨溫度的變化關(guān)系曲線?；P(guān)系曲線。m電導(dǎo)率和溫度的關(guān)系電導(dǎo)率和溫度的關(guān)系化合物半導(dǎo)體材料與器件 從圖中可見(jiàn)，在非本征激發(fā)為主的中等溫度區(qū)間內(nèi)即大從圖中可見(jiàn)，在非本征激發(fā)為主的中等溫度區(qū)間內(nèi)即大約約200K200K至至450K450K之間，此時(shí)雜質(zhì)完全離化，即電

29、子的濃度根本之間，此時(shí)雜質(zhì)完全離化，即電子的濃度根本堅(jiān)持不變，但是由于在此溫度區(qū)間內(nèi)載流子的遷移率隨著溫度堅(jiān)持不變，但是由于在此溫度區(qū)間內(nèi)載流子的遷移率隨著溫度的升高而下降，因此在此溫度區(qū)間內(nèi)半導(dǎo)體資料的電導(dǎo)率也隨的升高而下降，因此在此溫度區(qū)間內(nèi)半導(dǎo)體資料的電導(dǎo)率也隨著溫度的升高而出現(xiàn)了一段下降的情形。著溫度的升高而出現(xiàn)了一段下降的情形。 當(dāng)溫度進(jìn)一步升高，那么進(jìn)入本征激發(fā)區(qū)，此時(shí)本征載流當(dāng)溫度進(jìn)一步升高，那么進(jìn)入本征激發(fā)區(qū)，此時(shí)本征載流子的濃度隨著溫度的上升而迅速添加，因此電導(dǎo)率也隨著溫度子的濃度隨著溫度的上升而迅速添加，因此電導(dǎo)率也隨著溫度的上升而迅速添加。的上升而迅速添加。 而當(dāng)溫度比較

30、低時(shí)，那么由于雜質(zhì)原子的凍結(jié)效應(yīng)，載流而當(dāng)溫度比較低時(shí)，那么由于雜質(zhì)原子的凍結(jié)效應(yīng)，載流子濃度和半導(dǎo)體資料的電導(dǎo)率都隨著溫度的下降而不斷減小。子濃度和半導(dǎo)體資料的電導(dǎo)率都隨著溫度的下降而不斷減小?；衔锇雽?dǎo)體材料與器件m電阻率和溫度的變化關(guān)系：電阻率和溫度的變化關(guān)系：T T低溫低溫飽和飽和本征本征低溫下晶格振動(dòng)不明顯，本征載流子濃度低。低溫下晶格振動(dòng)不明顯，本征載流子濃度低。電離中心散射隨溫度升高而減弱，遷移率添加電離中心散射隨溫度升高而減弱，遷移率添加雜質(zhì)全部電離，載流子濃度不變；晶格振動(dòng)散雜質(zhì)全部電離，載流子濃度不變；晶格振動(dòng)散射起主要作用，隨溫度升高遷移率下降射起主要作用，隨溫度升高遷移

31、率下降本征區(qū)，載本征區(qū)，載流子濃度隨流子濃度隨溫度升高而溫度升高而迅速升高，迅速升高，化合物半導(dǎo)體材料與器件q載流子的漂移速度飽和效應(yīng)載流子的漂移速度飽和效應(yīng)前邊關(guān)于遷移率的討論不斷建立在一個(gè)根底之上：弱前邊關(guān)于遷移率的討論不斷建立在一個(gè)根底之上：弱場(chǎng)條件。即電場(chǎng)呵斥的漂移速度和熱運(yùn)動(dòng)速度相比較小，從場(chǎng)條件。即電場(chǎng)呵斥的漂移速度和熱運(yùn)動(dòng)速度相比較小，從而不顯著改動(dòng)載流子的平均自在時(shí)間。但在強(qiáng)場(chǎng)下，載流子而不顯著改動(dòng)載流子的平均自在時(shí)間。但在強(qiáng)場(chǎng)下，載流子從電場(chǎng)獲得的能量較多，從而其速度動(dòng)量有較大的改動(dòng)，從電場(chǎng)獲得的能量較多，從而其速度動(dòng)量有較大的改動(dòng)，這時(shí)，會(huì)呵斥平均自在時(shí)間減小，散射加強(qiáng)，最

32、終導(dǎo)致遷移這時(shí)，會(huì)呵斥平均自在時(shí)間減小，散射加強(qiáng)，最終導(dǎo)致遷移率下降，速度飽和。對(duì)于熱運(yùn)動(dòng)的電子：率下降，速度飽和。對(duì)于熱運(yùn)動(dòng)的電子： 上述隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)能量對(duì)應(yīng)于硅資料中電子的平均熱運(yùn)動(dòng)速度上述隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)能量對(duì)應(yīng)于硅資料中電子的平均熱運(yùn)動(dòng)速度為為107cm/s107cm/s；假設(shè)我們假設(shè)在低摻雜濃度下硅資料中電子的遷移；假設(shè)我們假設(shè)在低摻雜濃度下硅資料中電子的遷移率為率為n=0cm2/Vn=0cm2/Vs s，那么當(dāng)外加電場(chǎng)為，那么當(dāng)外加電場(chǎng)為75V/cm75V/cm時(shí)，對(duì)應(yīng)的載流子時(shí)，對(duì)應(yīng)的載流子定向漂移運(yùn)動(dòng)速度僅為定向漂移運(yùn)動(dòng)速度僅為105cm/s105cm/s，只需平均熱運(yùn)動(dòng)速度的百分之，

33、只需平均熱運(yùn)動(dòng)速度的百分之一。一?；衔锇雽?dǎo)體材料與器件在弱場(chǎng)條件下，載流子的平均自在運(yùn)動(dòng)時(shí)間根本上由載流子的在弱場(chǎng)條件下，載流子的平均自在運(yùn)動(dòng)時(shí)間根本上由載流子的熱運(yùn)動(dòng)速度決議，不隨電場(chǎng)的改動(dòng)而發(fā)生變化，因此弱場(chǎng)下載熱運(yùn)動(dòng)速度決議，不隨電場(chǎng)的改動(dòng)而發(fā)生變化，因此弱場(chǎng)下載流子的遷移率可以看成是一個(gè)常數(shù)。流子的遷移率可以看成是一個(gè)常數(shù)。 當(dāng)外加電場(chǎng)加強(qiáng)為當(dāng)外加電場(chǎng)加強(qiáng)為7.5kV/cm7.5kV/cm之后，對(duì)應(yīng)的載流子定向漂移之后，對(duì)應(yīng)的載流子定向漂移運(yùn)動(dòng)速度將到達(dá)運(yùn)動(dòng)速度將到達(dá)107cm/s107cm/s，這與載流子的平均熱運(yùn)動(dòng)速度持平。，這與載流子的平均熱運(yùn)動(dòng)速度持平。此時(shí)，載流子的平均自在

34、運(yùn)動(dòng)時(shí)間將由熱運(yùn)動(dòng)速度和定向漂移此時(shí)，載流子的平均自在運(yùn)動(dòng)時(shí)間將由熱運(yùn)動(dòng)速度和定向漂移運(yùn)動(dòng)速度共同決議，因此載流子的平均自在運(yùn)動(dòng)時(shí)間將隨著外運(yùn)動(dòng)速度共同決議，因此載流子的平均自在運(yùn)動(dòng)時(shí)間將隨著外加電場(chǎng)的加強(qiáng)而不斷下降，由此導(dǎo)致載流子的遷移率隨著外加加電場(chǎng)的加強(qiáng)而不斷下降，由此導(dǎo)致載流子的遷移率隨著外加電場(chǎng)的不斷增大而出現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，最終使得載流子的漂電場(chǎng)的不斷增大而出現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，最終使得載流子的漂移運(yùn)動(dòng)速度出現(xiàn)飽和景象，即載流子的漂移運(yùn)動(dòng)速度不再隨著移運(yùn)動(dòng)速度出現(xiàn)飽和景象，即載流子的漂移運(yùn)動(dòng)速度不再隨著外加電場(chǎng)的添加而繼續(xù)增大。外加電場(chǎng)的添加而繼續(xù)增大。*cpeEvm化合物半導(dǎo)體材料

35、與器件m簡(jiǎn)單模型簡(jiǎn)單模型m 假設(shè)載流子在兩次碰撞之間的自在路程為假設(shè)載流子在兩次碰撞之間的自在路程為l，自在時(shí)，自在時(shí)間為間為t，載流子的運(yùn)動(dòng)速度為，載流子的運(yùn)動(dòng)速度為v：mm 在電場(chǎng)作用下：在電場(chǎng)作用下：m vd為電場(chǎng)中的漂移速度，為電場(chǎng)中的漂移速度，vth為熱運(yùn)動(dòng)速度。為熱運(yùn)動(dòng)速度。ltvdthvvv化合物半導(dǎo)體材料與器件弱場(chǎng)：弱場(chǎng)：310/EV cm710/thvcm s*TdlVemvEE平均漂移速度平均漂移速度 ：化合物半導(dǎo)體材料與器件較強(qiáng)電場(chǎng)：較強(qiáng)電場(chǎng)：強(qiáng)電場(chǎng)：強(qiáng)電場(chǎng)：351010/EV cmdthlvvdE，v，平均漂移速度平均漂移速度VdVd隨電場(chǎng)添加而緩慢增大隨電場(chǎng)添加而緩慢

36、增大510/EV cm12dthdvvlvE化合物半導(dǎo)體材料與器件1,11()dECEEvEC又常數(shù)速度飽和速度飽和化合物半導(dǎo)體材料與器件右圖所示為右圖所示為鍺、硅及砷鍺、硅及砷化鎵單晶資化鎵單晶資料中電子和料中電子和空穴的漂移空穴的漂移運(yùn)動(dòng)速度隨運(yùn)動(dòng)速度隨著外加電場(chǎng)著外加電場(chǎng)強(qiáng)度的變化強(qiáng)度的變化關(guān)系。關(guān)系。m遷移率和電場(chǎng)的關(guān)系遷移率和電場(chǎng)的關(guān)系化合物半導(dǎo)體材料與器件從上述載流子漂移速度隨外加電場(chǎng)的變化關(guān)系曲線中可從上述載流子漂移速度隨外加電場(chǎng)的變化關(guān)系曲線中可以看出，在弱場(chǎng)條件下，漂移速度與外加電場(chǎng)成線性變化關(guān)系，以看出，在弱場(chǎng)條件下，漂移速度與外加電場(chǎng)成線性變化關(guān)系，曲線的斜率就是載流子的

37、遷移率；而在高電場(chǎng)條件下，漂移速曲線的斜率就是載流子的遷移率；而在高電場(chǎng)條件下，漂移速度與電場(chǎng)之間的變化關(guān)系將逐漸偏離低電場(chǎng)條件下的線性變化度與電場(chǎng)之間的變化關(guān)系將逐漸偏離低電場(chǎng)條件下的線性變化關(guān)系。以硅單晶資料中的電子為例，當(dāng)外加電場(chǎng)添加到關(guān)系。以硅單晶資料中的電子為例，當(dāng)外加電場(chǎng)添加到30kV/cm30kV/cm時(shí)，其漂移速度將到達(dá)飽和值，即到達(dá)時(shí)，其漂移速度將到達(dá)飽和值，即到達(dá)107cm/s107cm/s；當(dāng)載；當(dāng)載流子的漂移速度出現(xiàn)飽和時(shí)，漂移電流密度也將出現(xiàn)飽和特性，流子的漂移速度出現(xiàn)飽和時(shí)，漂移電流密度也將出現(xiàn)飽和特性，即漂移電流密度不再隨著外加電場(chǎng)的進(jìn)一步升高而增大。即漂移電流密

38、度不再隨著外加電場(chǎng)的進(jìn)一步升高而增大。對(duì)于砷化鎵晶體資料來(lái)說(shuō)，其載流子的漂移速度隨外加對(duì)于砷化鎵晶體資料來(lái)說(shuō)，其載流子的漂移速度隨外加電場(chǎng)的變化關(guān)系要比硅和鍺單晶資料中的情況復(fù)雜得多，這主電場(chǎng)的變化關(guān)系要比硅和鍺單晶資料中的情況復(fù)雜得多，這主要是由砷化鎵資料特殊的能帶構(gòu)造所決議的。要是由砷化鎵資料特殊的能帶構(gòu)造所決議的。化合物半導(dǎo)體材料與器件3.2 載流子分散載流子分散分散定律分散定律當(dāng)載流子在空間存在不均勻分布時(shí)，載流當(dāng)載流子在空間存在不均勻分布時(shí)，載流子將由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)分散。子將由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)分散。分散是經(jīng)過(guò)載流子的熱運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。由于分散是經(jīng)過(guò)載流子的熱運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。由于熱運(yùn)動(dòng)，

39、不同區(qū)域之間不斷進(jìn)展著載流子熱運(yùn)動(dòng)，不同區(qū)域之間不斷進(jìn)展著載流子的交換，假設(shè)載流子的分布不均勻，這種的交換，假設(shè)載流子的分布不均勻，這種交換就會(huì)使得分布均勻化，引起載流子在交換就會(huì)使得分布均勻化，引起載流子在宏觀上的運(yùn)動(dòng)。因此分散流的大小與載流宏觀上的運(yùn)動(dòng)。因此分散流的大小與載流子的不均勻性相關(guān)，而與數(shù)量無(wú)直接關(guān)系。子的不均勻性相關(guān)，而與數(shù)量無(wú)直接關(guān)系。化合物半導(dǎo)體材料與器件m無(wú)規(guī)那么的熱運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致粒子向各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的幾率都一無(wú)規(guī)那么的熱運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致粒子向各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的幾率都一樣。樣。m平衡態(tài)：各處濃度相等，由于熱運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的各區(qū)域內(nèi)粒平衡態(tài)：各處濃度相等，由于熱運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的各區(qū)域內(nèi)粒子交換的數(shù)量一樣，

40、表現(xiàn)為宏觀區(qū)域內(nèi)粒子數(shù)不變，即子交換的數(shù)量一樣，表現(xiàn)為宏觀區(qū)域內(nèi)粒子數(shù)不變，即一致的粒子濃度。一致的粒子濃度。m不均勻時(shí)：高濃度區(qū)域粒子向低濃度區(qū)域運(yùn)動(dòng)的平均粒不均勻時(shí)：高濃度區(qū)域粒子向低濃度區(qū)域運(yùn)動(dòng)的平均粒子數(shù)超越相反的過(guò)程，因此表現(xiàn)為粒子的凈流動(dòng)，從而子數(shù)超越相反的過(guò)程，因此表現(xiàn)為粒子的凈流動(dòng)，從而導(dǎo)致定向分散。導(dǎo)致定向分散。m分散與濃度的不均勻有關(guān)，并且只與不均勻有關(guān)，而與分散與濃度的不均勻有關(guān)，并且只與不均勻有關(guān)，而與總濃度無(wú)關(guān)。總濃度無(wú)關(guān)。m例：例：m類比：勢(shì)能：只與相對(duì)值有關(guān)，而與絕對(duì)值無(wú)關(guān)。類比：勢(shì)能：只與相對(duì)值有關(guān)，而與絕對(duì)值無(wú)關(guān)。水壩勢(shì)能只與落差有關(guān)，而與海拔無(wú)關(guān)。水壩勢(shì)能只

41、與落差有關(guān)，而與海拔無(wú)關(guān)。10:820:18100:9810000:9998化合物半導(dǎo)體材料與器件m粒子的分散粒子的分散m空間分布不均勻濃度梯度空間分布不均勻濃度梯度m無(wú)規(guī)那么的熱運(yùn)動(dòng)無(wú)規(guī)那么的熱運(yùn)動(dòng)m假設(shè)粒子帶電，那么定向的分散構(gòu)成定向的電流：分散假設(shè)粒子帶電，那么定向的分散構(gòu)成定向的電流：分散電流電流光照光照化合物半導(dǎo)體材料與器件q 分散粒子流密度：分散粒子流密度： Fq一維模型：粒子只能在一維方向上一維模型：粒子只能在一維方向上運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)。q在某一截面兩側(cè)粒子的平均自在程在某一截面兩側(cè)粒子的平均自在程ll=vth范圍內(nèi)，由于熱運(yùn)動(dòng)而穿過(guò)范圍內(nèi)，由于熱運(yùn)動(dòng)而穿過(guò)截面的粒子數(shù)為該區(qū)域粒子數(shù)的

42、截面的粒子數(shù)為該區(qū)域粒子數(shù)的1/2。 q分散流密度：?jiǎn)挝粫r(shí)間經(jīng)過(guò)分散的分散流密度：?jiǎn)挝粫r(shí)間經(jīng)過(guò)分散的方式流過(guò)垂直的單位截面積的粒子數(shù)方式流過(guò)垂直的單位截面積的粒子數(shù)111222thththFnl vnl vvnlnlxx+lx-l thdn xFlvdx 化合物半導(dǎo)體材料與器件m分散電流密度：分散電流密度：m對(duì)于帶電粒子來(lái)說(shuō)，粒子的分散運(yùn)動(dòng)構(gòu)成分散電流。對(duì)于帶電粒子來(lái)說(shuō)，粒子的分散運(yùn)動(dòng)構(gòu)成分散電流。 nnthndn xJeFelvdxdn xeDdx ppthpdp xJeFelvdxdp xeDdx n(+l)n(-l)n(0)濃度濃度電子流電子流電子電流電子電流x(-l)x(+l)xn(+

43、l)n(-l)n(0)濃度濃度空穴流空穴流空穴電流空穴電流x(-l)x(+l)x分散分散系數(shù)系數(shù)化合物半導(dǎo)體材料與器件q總電流密度總電流密度q半導(dǎo)體中四種獨(dú)立的電流：電子的漂移及分散電半導(dǎo)體中四種獨(dú)立的電流：電子的漂移及分散電流；空穴的漂移及分散電流。流；空穴的漂移及分散電流。q總電流密度為四者之和：總電流密度為四者之和：nxpxnpdndpJenEepEeDeDdxdx漂移電流：一樣漂移電流：一樣的電場(chǎng)下，電子的電場(chǎng)下，電子電流與空穴電流電流與空穴電流的方向一樣。的方向一樣。分散電流：一樣的分散電流：一樣的濃度梯度下，電子濃度梯度下，電子電流與空穴電流的電流與空穴電流的方向相反。方向相反。在

44、半導(dǎo)體中，電子和空穴的分散系數(shù)分別與其遷移率有關(guān)在半導(dǎo)體中，電子和空穴的分散系數(shù)分別與其遷移率有關(guān)化合物半導(dǎo)體材料與器件3.3 雜質(zhì)濃度分布與愛(ài)因斯坦關(guān)系雜質(zhì)濃度分布與愛(ài)因斯坦關(guān)系前邊討論的都是均勻摻雜的半導(dǎo)體資料，前邊討論的都是均勻摻雜的半導(dǎo)體資料，在實(shí)踐的半導(dǎo)體器件中，經(jīng)常有非均勻摻在實(shí)踐的半導(dǎo)體器件中，經(jīng)常有非均勻摻雜的區(qū)域。雜的區(qū)域。熱平衡形狀下：非均勻摻雜將導(dǎo)致在空間熱平衡形狀下：非均勻摻雜將導(dǎo)致在空間的各個(gè)位置雜質(zhì)濃度不同，從而載流子濃的各個(gè)位置雜質(zhì)濃度不同，從而載流子濃度不同。構(gòu)成的載流子濃度梯度將產(chǎn)生分度不同。構(gòu)成的載流子濃度梯度將產(chǎn)生分散電流。并且由于局域的剩余電荷雜質(zhì)散電流

45、。并且由于局域的剩余電荷雜質(zhì)離子存在而產(chǎn)生內(nèi)建電場(chǎng)。離子存在而產(chǎn)生內(nèi)建電場(chǎng)。內(nèi)建電場(chǎng)構(gòu)成的漂移電流與分散電流方向內(nèi)建電場(chǎng)構(gòu)成的漂移電流與分散電流方向相反，當(dāng)?shù)竭_(dá)動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，兩個(gè)電流相等，相反，當(dāng)?shù)竭_(dá)動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，兩個(gè)電流相等，不表現(xiàn)出宏觀電流，從而呵斥了遷移率和不表現(xiàn)出宏觀電流，從而呵斥了遷移率和分散系數(shù)之間的關(guān)聯(lián)：愛(ài)因斯坦關(guān)系。分散系數(shù)之間的關(guān)聯(lián)：愛(ài)因斯坦關(guān)系?；衔锇雽?dǎo)體材料與器件q 緩變雜質(zhì)分布引起的內(nèi)建電場(chǎng)緩變雜質(zhì)分布引起的內(nèi)建電場(chǎng)熱平衡形狀的半導(dǎo)體資料費(fèi)米能級(jí)堅(jiān)持為一個(gè)常數(shù)，熱平衡形狀的半導(dǎo)體資料費(fèi)米能級(jí)堅(jiān)持為一個(gè)常數(shù)，因此非均勻摻雜半導(dǎo)體不同位置因此非均勻摻雜半導(dǎo)體不同位置E=Ec-

46、EF不同。不同。其能帶構(gòu)造如下圖：其能帶構(gòu)造如下圖：熱平衡形狀下的均勻摻雜半導(dǎo)體熱平衡形狀下的均勻摻雜半導(dǎo)體ExEcEvEFiEFExEcEvEFiEF熱平衡形狀下的不均勻摻雜半導(dǎo)體熱平衡形狀下的不均勻摻雜半導(dǎo)體nxE化合物半導(dǎo)體材料與器件多數(shù)載流子電子從濃度高的位置流向濃度低的位置，即多數(shù)載流子電子從濃度高的位置流向濃度低的位置，即電子沿著電子沿著x的方向流動(dòng)，同時(shí)留下帶正電荷的施主離子，施的方向流動(dòng)，同時(shí)留下帶正電荷的施主離子，施主離子和電子在空間位置上的分別將會(huì)誘生出一個(gè)指向主離子和電子在空間位置上的分別將會(huì)誘生出一個(gè)指向x方方向的內(nèi)建電場(chǎng)，該電場(chǎng)的構(gòu)成會(huì)阻止電子的進(jìn)一步分散。向的內(nèi)建電

47、場(chǎng)，該電場(chǎng)的構(gòu)成會(huì)阻止電子的進(jìn)一步分散。到達(dá)平衡后，空間各處電子的濃度不完全等同于施主雜質(zhì)到達(dá)平衡后，空間各處電子的濃度不完全等同于施主雜質(zhì)的摻雜濃度，但是這種差別并不是很大。準(zhǔn)電中性條件的摻雜濃度，但是這種差別并不是很大。準(zhǔn)電中性條件化合物半導(dǎo)體材料與器件對(duì)于一塊非均勻摻雜的對(duì)于一塊非均勻摻雜的N型半導(dǎo)體資料，我們定義各處電型半導(dǎo)體資料，我們定義各處電勢(shì)電子勢(shì)能除以電子電量勢(shì)電子勢(shì)能除以電子電量-e：eEEFiFdxdEedxdEFix1半導(dǎo)體各處的電場(chǎng)強(qiáng)度為：半導(dǎo)體各處的電場(chǎng)強(qiáng)度為：假設(shè)電子濃度與施主雜質(zhì)濃度根本相等準(zhǔn)電中性條件，假設(shè)電子濃度與施主雜質(zhì)濃度根本相等準(zhǔn)電中性條件，那么有：那么

48、有：)(exp0 xNKTEEnndFiFi留意：電子勢(shì)能負(fù)留意：電子勢(shì)能負(fù)值；電子電量負(fù)值；值；電子電量負(fù)值；電勢(shì)正值；電勢(shì)正值；化合物半導(dǎo)體材料與器件熱平衡時(shí)費(fèi)米能級(jí)熱平衡時(shí)費(fèi)米能級(jí)EF恒定，所以對(duì)恒定，所以對(duì)x求導(dǎo)可得：求導(dǎo)可得：dxxdNxNKTdxdEddFi)()(因此，電場(chǎng)為：因此，電場(chǎng)為：dxxdNxNeKTEddx)()(1)(由上式看出，由于存在非均勻摻雜，將使得半導(dǎo)體中產(chǎn)生由上式看出，由于存在非均勻摻雜，將使得半導(dǎo)體中產(chǎn)生內(nèi)建電場(chǎng)。一旦有了內(nèi)建電場(chǎng)，在非均勻摻雜的半導(dǎo)體資內(nèi)建電場(chǎng)。一旦有了內(nèi)建電場(chǎng)，在非均勻摻雜的半導(dǎo)體資料中就會(huì)相應(yīng)地產(chǎn)生出內(nèi)建電勢(shì)差。料中就會(huì)相應(yīng)地產(chǎn)生出內(nèi)建電勢(shì)差。化合物半導(dǎo)體材料與器件q愛(ài)因斯坦關(guān)系愛(ài)因斯坦關(guān)系依然以前面分