2021-2022學(xué)年高二物理競(jìng)賽課件：載流子的漂移運(yùn)動(dòng)

1、載流子的漂移運(yùn)動(dòng)載流子的漂移運(yùn)動(dòng) 有外加電壓時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部的載流子受到電場(chǎng)力的作用，沿著電場(chǎng)作定向運(yùn)動(dòng)形成電流。 均勻半導(dǎo)體中，不加電場(chǎng)時(shí)，載流子的運(yùn)動(dòng)是隨機(jī)的，速度的平均值為零。 電子在電場(chǎng)力作用下的定向運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)，定向運(yùn)動(dòng)的速度稱為漂移速度。4.4.1遷移率 考慮空穴在半導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)。下面討論的空穴的速度矢量是平均值。 在dt時(shí)間內(nèi)空穴的運(yùn)動(dòng)距離為：vpdt 在dt時(shí)間內(nèi)小柱體斷面A、B間流過(guò)的電荷量： 電流密度-單位時(shí)間流過(guò)單位面積的電荷： P:單位體積空穴數(shù)，q：空穴電量 加電場(chǎng)后，空穴速度的平均值不再為零。一般情況下，漂移速度正比于外加電場(chǎng)強(qiáng)度， 所以，對(duì)于空穴，電流密度對(duì)于電子

2、，電流密度 比例系數(shù) 稱為空穴的遷移率； 稱為電子的遷移率。電子的漂移速度與電場(chǎng)強(qiáng)度方向相反，但電子電流與電場(chǎng)相同。 在嚴(yán)格周期性勢(shì)場(chǎng)（理想）中運(yùn)動(dòng)的 載流子在電場(chǎng)力的作用下將獲得加速 度，其漂移速度應(yīng)越來(lái)越大。 實(shí)際晶體中的勢(shì)場(chǎng)偏離嚴(yán)格周期性（雜質(zhì)，晶格缺陷，晶格振動(dòng)），載流子在晶體中運(yùn)動(dòng)受到碰撞（散射）而改變運(yùn)動(dòng)方向。在穩(wěn)定外場(chǎng)下有穩(wěn)定的漂移速度。電場(chǎng)加速不斷碰撞（散射）遷移率的意義：表征了在單位電場(chǎng)下載流子的平均漂移速度。 它是表示半導(dǎo)體電遷移能力的重要參數(shù)。遷移率的決定因素：載流子的有效質(zhì)量（影響電場(chǎng)的加速作用）。散射幾率。不同散射機(jī)構(gòu)對(duì)載流子的散射概率不同：電離雜質(zhì)對(duì)載流子的散射概率

3、。晶格振動(dòng)對(duì)載流子的散射概率。T ，載流子的運(yùn)動(dòng)速度，散射幾率；電離雜質(zhì)的散射幾率Pi與溫度T和雜質(zhì)濃度Ni的關(guān)系：雜質(zhì)濃度，電離雜質(zhì)數(shù)，散射中心，散射幾率。晶格振動(dòng)的聲學(xué)波散射幾率Ps與溫度T的關(guān)系：PsT3/2 T ，晶格振動(dòng)，散射幾率； 光學(xué)波對(duì)載流子散射也隨溫度升高而增強(qiáng)，變化甚至更明顯。較低溫度下占主導(dǎo)較高溫度下占主導(dǎo) 散射越強(qiáng)，遷移率越小。 遷移率與散射概率成反比： 雜質(zhì)濃度Ni較低，遷移率隨溫度上升而下降。 Ni增大，遷移率隨溫度不再快速變化。 Ni很大，遷移率隨溫度增大略有上升。4.4.2 電導(dǎo)率 半導(dǎo)體中同時(shí)存在電子和空穴時(shí)的總電流： 根據(jù)歐姆定律的微分形式： 則：N型半導(dǎo)體

4、：P型半導(dǎo)體：本征半導(dǎo)體：材料的電導(dǎo)率由載流子濃度和遷移率共同決定。較低溫度，電導(dǎo)率隨溫度迅速增加。 雜質(zhì)電離隨溫度升高而增加，載流子數(shù) 目隨之增加。中間溫度區(qū)，電導(dǎo)率隨溫度升高而降低。 雜質(zhì)基本電離，載流子數(shù)目不再增多， 而晶格散射作用增大。 高溫區(qū)，電導(dǎo)率隨溫度升高而增加。 本征激發(fā)占主導(dǎo)，與雜質(zhì)無(wú)關(guān)，載流數(shù) 目隨溫度升高而增大。 載流子數(shù)目的增大占主導(dǎo)，晶格散射作 占次要。簡(jiǎn)并半導(dǎo)體中載流子濃度的一般表達(dá)式 此時(shí)，費(fèi)米分布函數(shù)不能簡(jiǎn)化為玻爾茲曼函數(shù)，同時(shí)積分函數(shù)不能簡(jiǎn)化，將積分上限擴(kuò)充至無(wú)限。則有： 令： 并做積分變換， 則： 令： 則： 被稱為費(fèi)米積分，其值可以數(shù)值積分得到。非簡(jiǎn)并情況弱簡(jiǎn)并情況簡(jiǎn)并情況 同理，可推導(dǎo)簡(jiǎn)并半導(dǎo)體價(jià)帶空穴濃度表達(dá)式：求解簡(jiǎn)并半導(dǎo)體的電子與空穴濃度十分困難。數(shù)值求解-利用電中性條件，列出EF滿足的方程，通過(guò)計(jì)算機(jī)編程求解。電子濃度隨溫度增加而增加，不會(huì)出現(xiàn)飽和溫區(qū)（簡(jiǎn)并時(shí)雜質(zhì)未充分電離）。雜質(zhì)濃度越高，電離率越低。ND越接近或大于NC，或NA接近或大于NV，半導(dǎo)體發(fā)