半导体物理与器件第五章1说课讲解.ppt

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1、半导体物理与器件第五章半导体物理与器件第五章1 1第五章第五章 载流子的输运载流子的输运 前面几章基于能带理论，我们学习了半导体中载流子的前面几章基于能带理论，我们学习了半导体中载流子的分布规律，获得了各种半导体的分布规律，获得了各种半导体的n0、p0、EF的表达式。分的表达式。分析了析了n0、p0、EF随杂质浓度和温度的变化规律。随杂质浓度和温度的变化规律。载流子的净流动将产生电流，我们称之为载流子的输运载流子的净流动将产生电流，我们称之为载流子的输运本章将讨论，两种输运机制本章将讨论，两种输运机制n在外加电场的条件下，载流子的在外加电场的条件下，载流子的漂移运动漂移运动n在浓度梯度条件下，

2、载流子的在浓度梯度条件下，载流子的扩散运动扩散运动本章主要内容本章主要内容n5.1 载流子的载流子的漂移运动漂移运动 n漂移电流密度漂移电流密度n迁移率迁移率n载流子的载流子的散射散射n迁移率与杂质浓度和温度的关系迁移率与杂质浓度和温度的关系n电导率电导率n电导率（电阻率）杂质浓度和温度的关系电导率（电阻率）杂质浓度和温度的关系n速度饱和效应速度饱和效应n耿氏效应耿氏效应 多能谷散射多能谷散射 负微分电导效应负微分电导效应n5.2 载流子载流子扩散运动扩散运动n扩散电流密度扩散电流密度n扩散定律扩散定律n扩散系数扩散系数n总的电流密度方程总的电流密度方程n5.3 杂质的不均匀分布杂质的不均匀分

3、布n感生电场感生电场 n爱因斯坦关系爱因斯坦关系5.1 5.1 载流子的漂移运动欧姆定律欧姆定律一般形式一般形式：为了反映导电体内电流分布为了反映导电体内电流分布的不均匀定义的不均匀定义电流密度电流密度 J（A/m2):通过垂直于电流通过垂直于电流方向的单位面积的电流。方向的单位面积的电流。欧姆定律改写为其微分形式欧姆定律改写为其微分形式 微分形式把通过导体中某一点的电流密微分形式把通过导体中某一点的电流密度与该处的电导率和电场强度联系起来。度与该处的电导率和电场强度联系起来。E为电场强度为电场强度半导体电阻率半导体电阻率半导体电导率半导体电导率漂移电流密度漂移电流密度推导电流密度推导电流密度

4、J与载流子平均漂移速度与载流子平均漂移速度vdn的关系：的关系：若若vdn为电子的平均漂移速度，则为电子的平均漂移速度，则1秒钟内，秒钟内，O/A界面界面间长度为间长度为vdnx1体积内的电子均通过了界面体积内的电子均通过了界面AdSAOEdIJ漂移电流密度：载流子在外加漂移电流密度：载流子在外加电场电场作用下的作用下的定向定向运动运动称为漂移运动，由载流子的称为漂移运动，由载流子的漂移运动漂移运动所形成所形成的电流密度称为漂移电流密度。的电流密度称为漂移电流密度。n则通过截面积为则通过截面积为s的的A处的电流强度为：处的电流强度为：则电流密度为：则电流密度为：其中其中 n 是电子浓度，是电子

5、浓度，e 是电子电荷是电子电荷 根据欧姆定律微分形式：根据欧姆定律微分形式：不断变大，不断变大，J不断变大不断变大电场恒定，则电场恒定，则J应恒定应恒定两者结论矛盾：两者结论矛盾：称为电子称为电子迁移率迁移率，表示单位电场下电子获得的平均表示单位电场下电子获得的平均漂移速度，该参数反应了电子在晶体中受到散射的强度。漂移速度，该参数反应了电子在晶体中受到散射的强度。n说明电子的平均漂移速度并不能无限变大。说明电子的平均漂移速度并不能无限变大。n电子在受外电场力时，还受到晶体原子的散射或电子在受外电场力时，还受到晶体原子的散射或碰撞作用影响。散射导致了增加的速度被部分损碰撞作用影响。散射导致了增加

6、的速度被部分损耗耗n经多次加速和散射损耗后，电子平均漂移速度为经多次加速和散射损耗后，电子平均漂移速度为:n因为电子带负电，所以因为电子带负电，所以 一般应和一般应和 E 反向，习惯反向，习惯上迁移率只取正值，即：上迁移率只取正值，即：则电流密度的大小可改写为：则电流密度的大小可改写为：单位：单位：m2/v.s 或者是或者是cm2/v.s同理：同理：称为空穴称为空穴迁移率迁移率，表示单位电场下空穴获得的平均漂移速度表示单位电场下空穴获得的平均漂移速度该参数反映了空穴在晶体中受到散射的强度。该参数反映了空穴在晶体中受到散射的强度。对比，欧姆定律微分形式：对比，欧姆定律微分形式：得得电导率和迁移率

7、的关系：电导率和迁移率的关系：总漂移电流密度：总漂移电流密度：迁移率迁移率载流子的迁移率迁移率n迁移率一方面反映了半导体中电子的微观散射作用的强弱。迁移率一方面反映了半导体中电子的微观散射作用的强弱。n另一方面与半导体的宏观电流密度相联系。因而是研究和另一方面与半导体的宏观电流密度相联系。因而是研究和描述半导体导电机理和散射特性的重要物理量。描述半导体导电机理和散射特性的重要物理量。迁移率迁移率n散射的概念：载流子在半导体中运动时，不断地散射的概念：载流子在半导体中运动时，不断地与热振动着的晶格原子或电离了的杂质离子发生与热振动着的晶格原子或电离了的杂质离子发生碰撞。用波的概念，即电子波在半导

8、体中传播时碰撞。用波的概念，即电子波在半导体中传播时遭到了遭到了散射散射。散射使电子时刻做无规则的热散射使电子时刻做无规则的热运动。运动。在无电场时在无电场时，宏观上没有沿着，宏观上没有沿着一定方向流动，所以未构成电流。一定方向流动，所以未构成电流。散射概念的引入散射概念的引入n在有外电场时：在有外电场时：电子运动电子运动另一方面作定向漂移运动另一方面作定向漂移运动一方面作无规则的热运动一方面作无规则的热运动(遭到散射遭到散射)电子仅在两次散射之间被加速，而散射电子仅在两次散射之间被加速，而散射使漂移速度被损失，所以电子的漂移速度不使漂移速度被损失，所以电子的漂移速度不能无限积累。能无限积累。

9、在外电场力和散射的双重作用下，在外电场力和散射的双重作用下，稳定后载流子以一定的平均速度进行稳定后载流子以一定的平均速度进行定向漂移，该漂移速度与电场关系即：定向漂移，该漂移速度与电场关系即：n首先分析迁移率与散射强弱的关系首先分析迁移率与散射强弱的关系n1 平均自由时间平均自由时间和散射几率和散射几率P的关系的关系n2 迁移率与迁移率与平均自由时间平均自由时间的关系的关系n最后综合多个散射机构，分析迁移率与半导体杂最后综合多个散射机构，分析迁移率与半导体杂质和温度的关系。质和温度的关系。平均自由时间平均自由时间电导有效质量电导有效质量可以证明：可以证明：1 平均自由时间和散射几率的关系平均自

10、由时间和散射几率的关系n平均自由时间平均自由时间：外电场：外电场|E|作用下载流子作定向漂移运动作用下载流子作定向漂移运动仅在连续两次散射间的时间内载流子被加速，这段时间称仅在连续两次散射间的时间内载流子被加速，这段时间称为自由时间。有极多个电子，自由时间长短不一，求其平为自由时间。有极多个电子，自由时间长短不一，求其平均值则成为载流子的均值则成为载流子的平均自由时间平均自由时间。n平均自由程平均自由程：连续两次散射之间的自由运动的平：连续两次散射之间的自由运动的平均路程均路程 在在t时刻，有时刻，有N(t)个电子没有遭到散射个电子没有遭到散射,在在 t内被散射的电子数内被散射的电子数:整理为

11、：整理为：散射几率散射几率1 平均自由时间和散射几率的关系平均自由时间和散射几率的关系 t0，N N0 0 为为 t=0 t=0 时没有遭到散射的电子数时没有遭到散射的电子数 在在t t+dt内，受到散射的电子数改写内，受到散射的电子数改写为：为：这些电子的自由时间均为这些电子的自由时间均为t t，dtdt内电子自由时间总和为：内电子自由时间总和为：1 平均自由时间和散射几率的关系平均自由时间和散射几率的关系n平均自由时间的数值等于散射几率的倒数平均自由时间的数值等于散射几率的倒数则平均自由时间：则平均自由时间：散射作用的强弱用散射作用的强弱用散射几率散射几率P描述，它表示单位时间内载流子受到

12、散射的次数。描述，它表示单位时间内载流子受到散射的次数。2迁移率与平均自由时间的关系迁移率与平均自由时间的关系 设沿设沿x方向加一电场方向加一电场|E|，电子的有效质量各向同性，电子的有效质量各向同性，若若t0时，恰好某个电子被散射，散射后其时，恰好某个电子被散射，散射后其x方向速度分方向速度分量量Vx0，然后又被加速，直到下次散射前的速度为，然后又被加速，直到下次散射前的速度为Vx。X方向电场力加速度方向电场力加速度则则t时刻电子时刻电子x方向速度：方向速度：推导迁移率与平均自由时间的关系：推导迁移率与平均自由时间的关系：散射导致的热运动速度散射导致的热运动速度外电场导致的漂移速度外电场导致

13、的漂移速度对大量电子无限长时间对大量电子无限长时间后求其统计平均值后求其统计平均值2 迁移率与平均自由时间的关系迁移率与平均自由时间的关系求上式第二项的统计平均值：求上式第二项的统计平均值：在在t t+dt内，受到散射的电子数为：内，受到散射的电子数为：这些电子获得的漂移速度均为这些电子获得的漂移速度均为v vxExE，dtdt内电子漂移速度总和为：内电子漂移速度总和为：2 迁移率与平均自由时间的关系迁移率与平均自由时间的关系所以电子迁移率为所以电子迁移率为所以空穴迁移率为所以空穴迁移率为 对各向异性且存在多个能带极值处的半导对各向异性且存在多个能带极值处的半导体，如硅锗等，其电导有效质量与各

14、方向有体，如硅锗等，其电导有效质量与各方向有效质量的关系：效质量的关系：100010001 以硅为例，导带极以硅为例，导带极值有六个，电子分布在值有六个，电子分布在六个能谷处，等能面为六个能谷处，等能面为旋转椭球面，长轴方向旋转椭球面，长轴方向有效质量为有效质量为ml，短轴方，短轴方向为向为mt。1000100012 电导率、迁移率与平均自由时间的关系电导率、迁移率与平均自由时间的关系X X方向迁移率方向迁移率100100轴极值：轴极值：其它轴：其它轴：则在电场则在电场E下下x方向的电流密度为：方向的电流密度为：令令则：则：称为电导有效质量称为电导有效质量如果将如果将改写为：改写为：那么：那么

15、：半导体的主要散射机构半导体的主要散射机构n散射机构的本质是破坏晶体周期性势场的附加势散射机构的本质是破坏晶体周期性势场的附加势场。场。1.1.电离杂质的散射电离杂质的散射 2.2.晶格振动的散射晶格振动的散射3.3.其它散射其它散射（等能谷散射，中性杂质散射，位错散射）（等能谷散射，中性杂质散射，位错散射）散射作用的强弱用散射作用的强弱用散射几率散射几率P P描述，描述，它表示单位时间内载流子受到散它表示单位时间内载流子受到散射的次数。射的次数。半导体主要散射机构：半导体主要散射机构：2 半导体的主要散射机构半导体的主要散射机构n电离的杂质会在其附近形成一个库伦势场，经过其附近的电离的杂质会

16、在其附近形成一个库伦势场，经过其附近的载流子将在库伦作用下而改变其运动方向，该作用过程就载流子将在库伦作用下而改变其运动方向，该作用过程就是电离杂质对载流子的散射作用是电离杂质对载流子的散射作用电离杂质散射电离杂质散射n T，载流子的运动速度，载流子的运动速度，散射几率，散射几率 n 杂质浓度杂质浓度，电离杂质数，电离杂质数，散射中心，散射中心，散射几率，散射几率。电离杂质的散射几率电离杂质的散射几率Pi与温度与温度T和杂质浓度和杂质浓度Ni的关系：的关系：Ni是掺入的所有杂质浓度的总和是掺入的所有杂质浓度的总和n晶体振动以格波形式存在，格波又分为声学波和光学波，晶体振动以格波形式存在，格波又

17、分为声学波和光学波，声学波代表原胞质心振动，频率低；而光学波代表原胞内声学波代表原胞质心振动，频率低；而光学波代表原胞内原子间的相对振动，频率高；原子间的相对振动，频率高；晶格振动散射晶格振动散射n晶格振动的能量是量子化的，晶格振动的能量子称为声子。晶格振动的能量是量子化的，晶格振动的能量子称为声子。晶格振动对载流子的散射可看作是载流子与声子的碰撞；晶格振动对载流子的散射可看作是载流子与声子的碰撞；n电子和声子的碰撞也遵循准动量守恒和能量守恒定律。电子和声子的碰撞也遵循准动量守恒和能量守恒定律。n以声学波为例：以声学波为例：n因长声学波与电子波长近似，起主要散射作用的是长因长声学波与电子波长近

18、似，起主要散射作用的是长声学波，即长声学波声子与电子的碰撞。声学波，即长声学波声子与电子的碰撞。n因纵声学波导致原子分布发生疏密变化，造成能带宽因纵声学波导致原子分布发生疏密变化，造成能带宽度起伏，相当于破坏了周期性势场，电子运动波矢随度起伏，相当于破坏了周期性势场，电子运动波矢随之改变，所以纵波对电子的散射较明显。之改变，所以纵波对电子的散射较明显。平衡时平衡时 纵波振动时纵波振动时导致能带起伏：导致能带起伏：声学波散射几率声学波散射几率光学波散射几率光学波散射几率n 随温度的上升，晶格散射的几率增加随温度的上升，晶格散射的几率增加散射机理总结散射机理总结n对硅锗等原子晶体：主要是纵、长声学

19、波散射；对硅锗等原子晶体：主要是纵、长声学波散射；n对化合物半导体：主要是纵长光学波散射；对化合物半导体：主要是纵长光学波散射；n高温时，主要是晶格散射。高温时，主要是晶格散射。n低温时，主要是电离杂质的散射；低温时，主要是电离杂质的散射；迁移率与杂质和温度的关系迁移率与杂质和温度的关系 迁移率与杂质和温度的关系迁移率与杂质和温度的关系n根据平均自由时间与散射几率的关系：根据平均自由时间与散射几率的关系：n各种散射机构的迁移率与温度的关系为：各种散射机构的迁移率与温度的关系为：电离杂质散射：电离杂质散射：迁移率与杂质和温度的关系迁移率与杂质和温度的关系n上述每一个散射机构单独起作用时，相应的迁

20、移率都与温上述每一个散射机构单独起作用时，相应的迁移率都与温度密切相关，而由于电离杂质散射作用，迁移率还与杂质度密切相关，而由于电离杂质散射作用，迁移率还与杂质浓度密切相关。浓度密切相关。晶格声学波散射晶格声学波散射：晶格光学波散射晶格光学波散射：迁移率与杂质和温度的关系迁移率与杂质和温度的关系n半导体同时存在多个散射机构半导体同时存在多个散射机构总散射几率为各种散射机构散射几率之和：总散射几率为各种散射机构散射几率之和：则总平均自由时间：则总平均自由时间：除以除以得：得：迁移率与杂质和温度的关系迁移率与杂质和温度的关系n对于掺杂的硅、锗等原子半导体，主要的散射机对于掺杂的硅、锗等原子半导体，

21、主要的散射机构是构是声学波散射声学波散射和和电离杂质散射电离杂质散射：两种机构同时存在：两种机构同时存在：所以：所以：声学波散射声学波散射电离杂质散射电离杂质散射迁移率与杂质和温度的关系迁移率与杂质和温度的关系n总体上随温度的升高迁移率下降总体上随温度的升高迁移率下降n在低温范围，杂质散射作用较明显，在低温范围，杂质散射作用较明显，所以杂质浓度对迁移率的影响较明所以杂质浓度对迁移率的影响较明显，不同的掺杂浓度，迁移率分的显，不同的掺杂浓度，迁移率分的很开，而且在高掺杂时，随温度上很开，而且在高掺杂时，随温度上升，迁移率略有上升；升，迁移率略有上升；n在高温范围，晶格散射作用较明显在高温范围，晶

22、格散射作用较明显，所以曲线发生汇聚，且随温度上升所以曲线发生汇聚，且随温度上升而下降。而下降。如图所示为不同掺杂浓度下，硅单晶材料中如图所示为不同掺杂浓度下，硅单晶材料中电子的迁移率随温度的变化关系示意图。电子的迁移率随温度的变化关系示意图。电子电子n右图为右图为300K时锗、硅、时锗、硅、砷化镓迁移率与杂质浓度砷化镓迁移率与杂质浓度的关系。的关系。n在较低掺杂浓度，迁移率在较低掺杂浓度，迁移率基本不变，基本不变，n当掺杂浓度较大时，杂质当掺杂浓度较大时，杂质越多，散射越强，迁移率越多，散射越强，迁移率越小。越小。n对于补偿半导体：对于补偿半导体：载流子载流子浓度决定于施主和受主浓浓度决定于施

23、主和受主浓度之差，但是迁移率决定度之差，但是迁移率决定于两种杂质浓度之和。于两种杂质浓度之和。高频半导体材料做原位掺杂高频半导体材料做原位掺杂例：例：n 长为长为2cm 的具有矩形截面的的具有矩形截面的Ge 样品，截面线度样品，截面线度分别为分别为1 和和2mm，掺有，掺有1022m3受主，试求室温受主，试求室温时电阻的电导率和电阻。再掺入时电阻的电导率和电阻。再掺入51022m3 施施主后，求室温下样品的电导率和电阻。主后，求室温下样品的电导率和电阻。解：解：只掺入受主杂质为只掺入受主杂质为1016/cm3，查图表，查图表5.3此时锗中空此时锗中空穴迁移率为大约穴迁移率为大约1200 190

24、0 cm2/Vs再掺入施主杂质，补偿后多数载流子为电子，浓度再掺入施主杂质，补偿后多数载流子为电子，浓度4x1016/cm3，而，而总的杂质浓度为总的杂质浓度为6x1016/cm3，由总杂质浓度，由总杂质浓度查查5.3曲线可得此时电子迁移率大概为曲线可得此时电子迁移率大概为2900 3900 cm2/Vs通过掺杂可以显著改变载流子的迁移率，进而改变其导电特性通过掺杂可以显著改变载流子的迁移率，进而改变其导电特性半导体电导率半导体电导率n半导体材料的电导率与载流子的浓度及迁移率有关半导体材料的电导率与载流子的浓度及迁移率有关所以对于半导体的电导率所以对于半导体的电导率对对n型半导体型半导体则：则

25、：对对p p型半导体型半导体对本征半导体对本征半导体则：则：则：则：对比，欧姆定律微分形式：对比，欧姆定律微分形式：在器件工作的非本征区：在器件工作的非本征区：n n 型，单一杂质：型，单一杂质：补偿型：补偿型：补偿型：补偿型：P P 型，单一杂质：型，单一杂质：可以通过测量电导率监控掺杂工艺可以通过测量电导率监控掺杂工艺n例：室温下，本征锗的电阻率为例：室温下，本征锗的电阻率为47cm，试试求本征求本征载载流流子子浓浓度度。若。若掺掺入入锑杂质锑杂质，使，使杂质浓杂质浓度度为为4.4x1016，计计算算室温下室温下电电子子浓浓度和空穴度和空穴浓浓度，以及度，以及该掺杂该掺杂下下锗锗的的电电阻

26、率阻率。设杂质设杂质全部全部电电离，且迁移率不随离，且迁移率不随掺杂掺杂而而变变化。化。解：解：由由可得：可得：且完全电离。所以：且完全电离。所以：电阻率及其与杂质浓度和温度的关系电阻率及其与杂质浓度和温度的关系n电阻率是电导率的倒数，在工程中更常用到电阻率是电导率的倒数，在工程中更常用到N型半导体型半导体P型半导体型半导体本征半导体本征半导体 由于载流子浓度和迁移率均由于载流子浓度和迁移率均与杂质浓度和温度有关，半导体与杂质浓度和温度有关，半导体的电阻率随杂质浓度和温度而变的电阻率随杂质浓度和温度而变化。化。n300k时本征半导体电阻率：时本征半导体电阻率：硅：硅：2.3x105锗：锗：47

27、砷化镓：砷化镓：107半绝缘半导体半绝缘半导体，以此为衬，以此为衬底，与硅锗等材料，相比，底，与硅锗等材料，相比，可以减少信号的损耗，因可以减少信号的损耗，因而在射频微波集成电路中而在射频微波集成电路中得到应用得到应用半导体：半导体：10-4 1010 1 电阻率和杂质浓度的关系电阻率和杂质浓度的关系n在轻掺杂时（在轻掺杂时（1017/cm3)，室温下杂质不完室温下杂质不完全电离，在重掺杂的简并半导体中更加严重，全电离，在重掺杂的简并半导体中更加严重，迁移率随杂质浓度的增加，显著下降。电阻率与迁移率随杂质浓度的增加，显著下降。电阻率与杂质关系曲线，在对数坐标中严重偏离直线关系杂质关系曲线，在对

28、数坐标中严重偏离直线关系1 电阻率和杂质浓度的关系电阻率和杂质浓度的关系n由右图可以方由右图可以方便的进行电阻便的进行电阻率和杂质浓度率和杂质浓度换算（部分习换算（部分习题会用到），题会用到），生产上也常用生产上也常用这些曲线检验这些曲线检验材料的纯度。材料的纯度。例：例：n在室温下，为了把电阻率为在室温下，为了把电阻率为0.2（cm），的），的p型硅片型硅片变为变为（1）0.1（cm）的）的p型硅片；型硅片；（2）电电阻率阻率为为0.2（cm）的）的n型硅片，各需型硅片，各需要要掺掺入何种入何种类类型型杂质杂质?，及其，及其浓浓度度应应是多少是多少?仍然查曲线，得到仍然查曲线，得到0.1（c

29、m）的）的p型硅中的受主浓度应为：型硅中的受主浓度应为：解：解：(1)利用电阻率与杂质浓度关系曲线，可查出利用电阻率与杂质浓度关系曲线，可查出0.2（cm）的）的p型硅中受主浓度为型硅中受主浓度为 NA0.2=2.0X1017/cm3NA0.1=5X1017/cm3显然应掺入受主杂质，浓度为：显然应掺入受主杂质，浓度为：NA=NA0.1-NA0.2=3.0X1017/cm3(2)查曲线得到查曲线得到0.2（cm）的）的N型硅中的有效施主浓度应为：型硅中的有效施主浓度应为：Nd0.2=3.3X1016/cm3即：即：ND=NA0.2+ND0.2=3.3x1016/cm3+2.0 x1017/cm

30、3 =2.33X1017/cm3 那么应掺杂施主杂质，先补尝原有的受主杂质，那么应掺杂施主杂质，先补尝原有的受主杂质，然后提供然后提供3.3X1016/cm3的有效杂质浓度。的有效杂质浓度。电阻率随温度的变化电阻率随温度的变化n对本征半导体电阻率主要由本征载流子浓度决定。对本征半导体电阻率主要由本征载流子浓度决定。T，ni，i T，iTiT本征半导体电阻具本征半导体电阻具有负温度系数有负温度系数2 电阻率随温度的变化电阻率随温度的变化n对杂质半导体，电阻率与对杂质半导体，电阻率与杂质电离、杂质电离、本征激本征激发、发、电离杂质散射、电离杂质散射、晶格散射晶格散射等因素相关，等因素相关，曲线大致

31、分为三段：曲线大致分为三段：AB段对应低温电离区：段对应低温电离区：杂质电杂质电离离和和电离杂质散射电离杂质散射为主要因素，电为主要因素，电阻率随温度上升而下降阻率随温度上升而下降 BC段对应非本证区（饱和区）：段对应非本证区（饱和区）：晶格散射晶格散射为主要因素，迁移率随温度为主要因素，迁移率随温度上升而下降，则电阻率随温度上升而上升而下降，则电阻率随温度上升而上升上升 CD段对应本征激发区：段对应本征激发区：本征激本征激发发为主要因素，电阻率随温度上升为主要因素，电阻率随温度上升而下降，与本征半导体情形类似。而下降，与本征半导体情形类似。DT本征半导体本征半导体杂质半导体杂质半导体CBA速

32、度饱和速度饱和n在强电场下，电流密度和电场强度偏离欧姆定律，电子的平均漂移速在强电场下，电流密度和电场强度偏离欧姆定律，电子的平均漂移速度与电场强度不再成正比，迁移率随电场而变化，这就是度与电场强度不再成正比，迁移率随电场而变化，这就是强电场效应强电场效应。该效应导致该效应导致速度饱和速度饱和现象，现象，负微分电导效应负微分电导效应等。等。在低场区，在低场区，vd与与E呈线呈线性关系，性关系，与与E无关。电流无关。电流密度与电场强度符合欧姆密度与电场强度符合欧姆定律。定律。随着电场强度增强，随着电场强度增强，vd增加缓慢，直至最终达增加缓慢，直至最终达到饱和，到饱和，随随E增加而下降。增加而下

33、降。电流密度与电场强度逐渐电流密度与电场强度逐渐偏离欧姆定律。偏离欧姆定律。n载流子在电场下的运动：载流子在电场下的运动：为漂移运动和无规则热为漂移运动和无规则热运动运动强电场效应的定性解释：强电场效应的定性解释：电场导致定向漂移运动，速度为电场导致定向漂移运动，速度为由于电子与晶格和杂质的由于电子与晶格和杂质的散射作用，电子还做无规散射作用，电子还做无规则热运动，速度为则热运动，速度为电子运动总速度为：电子运动总速度为：例题：例题：在室温下，高纯锗的电子迁移率在室温下，高纯锗的电子迁移率设电子的有效质量是设电子的有效质量是（1）求电子的热运动速度）求电子的热运动速度vth（2）在外加电场为）

34、在外加电场为10V/cm时的漂移速度时的漂移速度vd，并讨论（，并讨论（1）（）（2）的结果。）的结果。n(1)电子做热运动的能量为电子做热运动的能量为3kT/2，即为电子的动，即为电子的动能，所以电子的热运动速度可近似为能，所以电子的热运动速度可近似为即电子热运动速度在：即电子热运动速度在：107cm/s 的数量级的数量级n(2)电子外加电场为电子外加电场为10V/cm时的漂移速度时的漂移速度vdn可见在一般电场强度下，定向漂移速度相对热运动速度很可见在一般电场强度下，定向漂移速度相对热运动速度很小，在平均自由程不变的情况下，平均自由时间和迁移率小，在平均自由程不变的情况下，平均自由时间和迁

35、移率几乎不受电场的影响几乎不受电场的影响n在强电场时在强电场时，漂移速度增大到可以与热运动速度比拟时漂移速度增大到可以与热运动速度比拟时，随电场的增大，载流子漂移运动速度变大，平均自由时间随电场的增大，载流子漂移运动速度变大，平均自由时间下降，迁移率下降，导致载流子平均漂移速度出现逐渐饱下降，迁移率下降，导致载流子平均漂移速度出现逐渐饱和的现象。和的现象。EVd，n无电场和低电场时无电场和低电场时，载流子与晶格散射，将吸收声子或发，载流子与晶格散射，将吸收声子或发射声子，与晶格交换动量和能量，射声子，与晶格交换动量和能量，最终达到热平衡最终达到热平衡，载流，载流子的平均能量与晶格相同，两者处于

36、同一温度。子的平均能量与晶格相同，两者处于同一温度。从能量交换的角度分析解释从能量交换的角度分析解释-热载流子概念热载流子概念n在高场情况下在高场情况下，载流子从电场获得很多能量，载流子能量，载流子从电场获得很多能量，载流子能量大于晶格系统的能量，出现载流子温度大于晶格系统的能量，出现载流子温度Te高于晶格温度高于晶格温度T的的非平衡状态非平衡状态，此时载流子又称为，此时载流子又称为热载流子热载流子。外电场载流子晶格EnEnn当电场近一步增强，载流子能量高到与光学声子当电场近一步增强，载流子能量高到与光学声子相比拟时，载流子可以发射光学声子，接下来载相比拟时，载流子可以发射光学声子，接下来载流

37、子从电场获得的能量大部分被损耗，平均漂移流子从电场获得的能量大部分被损耗，平均漂移速度达到饱和，微分迁移率下降为速度达到饱和，微分迁移率下降为0。n当电场再增强，材料将被击穿。当电场再增强，材料将被击穿。JE欧姆定律区欧姆定律区速度饱和区速度饱和区击穿区击穿区多能谷散射负微分迁移率（电导）多能谷散射负微分迁移率（电导）耿氏效应耿氏效应n1963年发现耿氏效应年发现耿氏效应当半导体内部电场当半导体内部电场E 3103 V/cm，电流出现高频振荡。，电流出现高频振荡。强电场效应强电场效应n强电场时强电场时，载流子还可以在不同能谷间进行转移，载流子还可以在不同能谷间进行转移，发生发生多能谷散射多能谷

38、散射，而不同能谷内电子的迁移率不，而不同能谷内电子的迁移率不同，从而导致同，从而导致负微分迁移率（电导）效应负微分迁移率（电导）效应。当外。当外加电压使样品内电场强度处于负微分电导区时，加电压使样品内电场强度处于负微分电导区时，就可以发生就可以发生耿氏效应耿氏效应。多能谷散射多能谷散射耿氏效应耿氏效应负微分迁移率负微分迁移率多能谷散射（砷化镓）多能谷散射（砷化镓）1=60008000 cm2/Vs;2=930 cm2/Vs;LX约约0.31eV1111001 1电场很低电场很低2 2电场增强电场增强3 3电场很强电场很强负微分迁移率负微分迁移率n 在漂移速度下降的区域，电场越强，电子漂移速度越

39、小，电流密度越小，在漂移速度下降的区域，电场越强，电子漂移速度越小，电流密度越小，即出现即出现负微分迁移率负微分迁移率123E高场畴区与耿氏振荡高场畴区与耿氏振荡耿耿氏氏器器件件工工作作示示意意图图_+vd|Ea|Ed|Eb|E|ntt1t2|Eb|Ea|x畴外场畴外场|Ea|畴内场畴内场|Eb|高场畴高场畴稳定的稳定的高场畴高场畴|E|t1t2|Ed|漂移运动小结漂移运动小结n载流子在外电场下的运动载流子在外电场下的运动n漂移运动，产生外电流漂移运动，产生外电流n无规则热运动，与晶格和杂质发生散射无规则热运动，与晶格和杂质发生散射n载流子在外电场下的迁移率载流子在外电场下的迁移率(平均漂移速

40、度与外电平均漂移速度与外电场关系）场关系）n迁移率反映了载流子散射的强弱，在散射作用下，载迁移率反映了载流子散射的强弱，在散射作用下，载流子漂移速度不会无限增大。电场，迁移率，平均漂流子漂移速度不会无限增大。电场，迁移率，平均漂移速度关系如下：移速度关系如下：两个运动两个运动三个关系三个关系n由微分欧姆定律，半导体电导率与载流子迁移率由微分欧姆定律，半导体电导率与载流子迁移率的关系的关系n半导体电导率、载流子迁移率与平均自由时间的半导体电导率、载流子迁移率与平均自由时间的关系的关系关系的关系n载流子迁移率受温度和杂质浓度的影响的规律载流子迁移率受温度和杂质浓度的影响的规律n半导体内的主要散射机构半导体内的主要散射机构n不同散射与温度和杂质浓度的关系不同散射与温度和杂质浓度的关系n半导体电阻率受温度和杂质浓度影响的规律半导体电阻率受温度和杂质浓度影响的规律n本征半导体本征半导体n杂质半导体杂质半导体两个规律两个规律n强电场效应强电场效应n速度饱和速度饱和n负微分迁移率（电导）效应负微分迁移率（电导）效应三个效应三个效应结束结束