半导体物理省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
《半导体物理省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《半导体物理省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx(91页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、 第第5 5章章 载流子输运现象载流子输运现象本章学习关键点:本章学习关键点:1.1.掌握载流子掌握载流子漂移运动漂移运动机理及其电流密度;机理及其电流密度;掌握掌握迁移率、电导率、电阻率概念及影响原因;迁移率、电导率、电阻率概念及影响原因;2.2.掌握载流子掌握载流子扩散运动扩散运动机理及其电流密度机理及其电流密度;掌握扩散系数概念;掌握扩散系数概念;3.3.掌握爱因斯坦关系;了解半导体材料中非均匀掺杂掌握爱因斯坦关系;了解半导体材料中非均匀掺杂 带来影响;带来影响;4.4.了解半导体材料中霍尔效应基本原理及其分析方了解半导体材料中霍尔效应基本原理及其分析方 法;法;第1页 在第在第4 4章
2、中,学习了热平衡状态下半导体材料章中,学习了热平衡状态下半导体材料中导带电子和价带空穴浓度。这些载流子假如发生中导带电子和价带空穴浓度。这些载流子假如发生净定向流动,就会形成电流。净定向流动,就会形成电流。通常把载流子定向流动过程称为通常把载流子定向流动过程称为载流子输运过载流子输运过程。程。半导体中载流子输运机理有两种:半导体中载流子输运机理有两种:漂移运动;漂移运动;扩散运动;扩散运动;第2页 5.1 5.1 载流子漂移运动载流子漂移运动概念概念漂移运动漂移运动:载流子在外加电场作用下定向运动。载流子在外加电场作用下定向运动。外加电场给半导体材料中载流子施加一外加电场给半导体材料中载流子施
3、加一 个电场力。个电场力。漂移电流:漂移电流:载流子进行漂移运动所形成电流。载流子进行漂移运动所形成电流。第3页载流子运动过程(以电子为例):载流子运动过程(以电子为例):无外加电场无外加电场:在没有外加电场情况下,电子在半导体晶体材料在没有外加电场情况下,电子在半导体晶体材料中进行中进行无规则无规则热运动。热运动。因为电子与晶格原子之间碰撞作用,这种无规则因为电子与晶格原子之间碰撞作用,这种无规则热运动将不停地改变电子运动方向。温度越高,电子热运动将不停地改变电子运动方向。温度越高,电子在发生两次碰撞之间自由运动时间也就越短。在发生两次碰撞之间自由运动时间也就越短。第4页在在没有没有外加电场
4、情况下,电子在半导体晶体材料中外加电场情况下,电子在半导体晶体材料中运动轨迹。运动轨迹。第5页存在外加电场:存在外加电场:在在有外加电场存在有外加电场存在情况下,电子除了无规则热运动之情况下,电子除了无规则热运动之外,还将在外加电场作用下做外,还将在外加电场作用下做定向定向加速运动。加速运动。不过电子速度不会无限制地增加下去,而是会因为碰不过电子速度不会无限制地增加下去,而是会因为碰撞作用不停地失去定向运动速度,然后再重新开始加撞作用不停地失去定向运动速度,然后再重新开始加速,最终等效来看,电子在外加电场作用下将会取得速,最终等效来看,电子在外加电场作用下将会取得一个平均定向运动速度。一个平均
5、定向运动速度。第6页存在外加电场,电子在半导体晶体材料中运动轨迹:存在外加电场,电子在半导体晶体材料中运动轨迹:第7页结论:结论:在半导体晶体材料中,因为晶格原子碰撞作用,载流子在半导体晶体材料中,因为晶格原子碰撞作用,载流子运动方向会不停地发生改变:运动方向会不停地发生改变:没有外加电场时,载流子总平均定向运动速度为零;没有外加电场时,载流子总平均定向运动速度为零;有外加电场时,载流子将在原来热运动基础上,叠加一有外加电场时,载流子将在原来热运动基础上,叠加一个定向漂移运动。个定向漂移运动。第8页5.1.1 5.1.1 漂移电流密度漂移电流密度电流密度电流密度 J J(A/cmA/cm2 2
6、):):经过垂直于电流方向单位面经过垂直于电流方向单位面 积电流。积电流。漂移电流密度表示方法:漂移电流密度表示方法:J Jdrfdrf 以下列图所表示一块半导体材料,当在其两端外加电以下列图所表示一块半导体材料,当在其两端外加电压压V V之后,所形成电流密度为:之后,所形成电流密度为:第9页式中,式中,N N:导电载流子密度;:导电载流子密度;V V:载流子平均定向漂移速度;:载流子平均定向漂移速度;第10页在低电场情况下在低电场情况下,载流子定向漂移速度与外加电场成,载流子定向漂移速度与外加电场成正比,即:正比,即:-载流子载流子迁移率迁移率,单位:,单位:cm2/V-s。载流子漂移电流密
7、度可表示为:载流子漂移电流密度可表示为:第11页第12页对于半导体材料中空穴,其漂移电流密度可表示为:对于半导体材料中空穴,其漂移电流密度可表示为:一样,对于半导体材料中电子,其漂移电流密度可表一样,对于半导体材料中电子,其漂移电流密度可表示为:示为:n n、p p分别为电子和空穴迁移率。分别为电子和空穴迁移率。第13页在半导体材料中,总漂移电流密度可表示为:在半导体材料中,总漂移电流密度可表示为:第14页5.1.2 5.1.2 迁移率迁移率 迁移率是半导体主要参数,反应了载流子漂移特迁移率是半导体主要参数,反应了载流子漂移特征。征。定义定义:弱电场情况下:弱电场情况下 对于空穴而言,则有:对
8、于空穴而言,则有:第15页假设空穴初始速度为零,对上式积分则有假设空穴初始速度为零,对上式积分则有自由运动时间:自由运动时间:连续两次散射之间载流子自由运动连续两次散射之间载流子自由运动 平均时间。平均时间。第16页设空穴其自由运动时间为设空穴其自由运动时间为cpcp。则空穴在一次自由运动时间内所取得定向漂移运动速则空穴在一次自由运动时间内所取得定向漂移运动速度为度为:则空穴迁移率为则空穴迁移率为第17页一样,对电子来说,设其自由运动时间为一样,对电子来说,设其自由运动时间为cncn,则有:,则有:迁移率与有效质量相关。迁移率与有效质量相关。有效质量小,在相同平均漂移时间内取得有效质量小,在相
9、同平均漂移时间内取得 漂移速度就大。漂移速度就大。迁移率与平均自由运动时间相关。迁移率与平均自由运动时间相关。平均自由运动时间越长,则载流子取得加速时平均自由运动时间越长,则载流子取得加速时 间就越长,因而漂移速度越大。间就越长,因而漂移速度越大。平均自由运动时间与散射几率相关。平均自由运动时间与散射几率相关。第18页散射机制(即碰撞机制)散射机制(即碰撞机制)对于载流子在半导体晶体材料中定向运动来说,存在对于载流子在半导体晶体材料中定向运动来说,存在着两种主要散射机理:着两种主要散射机理:晶格原子振动散射晶格原子振动散射(声子散射)(声子散射)电离杂质散射电离杂质散射它们共同决定载流子平均自
10、由运动时间。它们共同决定载流子平均自由运动时间。第19页1 1)晶格振动散射)晶格振动散射 当温度高于绝对零度时,半导体晶体中原子含有当温度高于绝对零度时,半导体晶体中原子含有一定热能,在其晶格位置上作无规则热振动。破坏了一定热能,在其晶格位置上作无规则热振动。破坏了理想周期性势场理想周期性势场 ,造成载流子与振动晶格原子发生碰,造成载流子与振动晶格原子发生碰撞,引发载流子散射。撞,引发载流子散射。由晶格振动散射所决定载流子迁移率随温度由晶格振动散射所决定载流子迁移率随温度改变关系为:改变关系为:伴随温度升高,晶格振动越为猛烈,因而对载流伴随温度升高,晶格振动越为猛烈,因而对载流子散射作用也越
11、强,从而造成迁移率越低子散射作用也越强,从而造成迁移率越低第20页硅单晶材料中电子迁移率随温度改变。硅单晶材料中电子迁移率随温度改变。从图中能够看出,从图中能够看出,在掺杂浓度比较在掺杂浓度比较低低时,电子迁移率随时,电子迁移率随温度改变十分显著。温度改变十分显著。这表明在低掺杂浓这表明在低掺杂浓度条件下,电子迁度条件下,电子迁移率主要受晶格振移率主要受晶格振动散射影响。动散射影响。第21页从图中能够出,在掺杂从图中能够出,在掺杂浓度较低时,空穴迁移浓度较低时,空穴迁移率一样随温度改变十分率一样随温度改变十分显著。显著。这表明在低掺杂浓度这表明在低掺杂浓度条件下,空穴迁条件下,空穴迁移率也是主
12、要受晶格移率也是主要受晶格振动散射影响。振动散射影响。硅单晶材料中空穴迁移率随温度改变。硅单晶材料中空穴迁移率随温度改变。第22页2 2)电离杂质散射)电离杂质散射电离杂质在它周围邻近地域形成库仑场,库仑作用引电离杂质在它周围邻近地域形成库仑场,库仑作用引发散射会改变载流子速度。发散射会改变载流子速度。第23页载载流子散射(流子散射(碰撞碰撞):):载载流子速度改流子速度改变变。经经典碰撞:典碰撞:实际实际接触接触为为碰撞。碰撞。类类比比:堵:堵车时车时,汽,汽车车移移动动速度和方向,不停因速度和方向,不停因为为其其它汽它汽车车位置改位置改变变而改而改变变。尽管没有。尽管没有实际实际接触,但因
13、接触,但因为为妨碍妨碍车车存在,造成了汽存在,造成了汽车车本身速度大小和方向改本身速度大小和方向改变变。这类这类似于似于载载流子散射,也即碰撞。流子散射,也即碰撞。第24页由电离杂质散射所决定载流子迁移率随温度和总电离由电离杂质散射所决定载流子迁移率随温度和总电离杂质浓度改变关系为:杂质浓度改变关系为:其中其中N NI IN ND DN NA A ,N NI I为总离化杂质浓度。为总离化杂质浓度。结论:结论:离化杂质散射所决定载流子迁移率:离化杂质散射所决定载流子迁移率:随温度升高而增大;随温度升高而增大;随离化杂质浓度增加而减小;随离化杂质浓度增加而减小;第25页 原因:原因:温度越高温度越
14、高,载流子热运动程度就会越猛烈,载流,载流子热运动程度就会越猛烈,载流子经过离化杂质电荷中心附近所需时间就会越短,子经过离化杂质电荷中心附近所需时间就会越短,离化杂质散射所起作用也就越小,迁移率越大。离化杂质散射所起作用也就越小,迁移率越大。离化杂质浓度越高离化杂质浓度越高,散射中心增多,载流子遭受,散射中心增多,载流子遭受散射机会越多,迁移率越小。散射机会越多,迁移率越小。第26页室温条件(室温条件(300K300K)下,硅单晶材料中电子和空穴迁)下,硅单晶材料中电子和空穴迁移率随总掺杂浓度改变关系曲线。移率随总掺杂浓度改变关系曲线。由图可知,伴随掺杂浓度提升,载流子迁移率发生由图可知,伴随
15、掺杂浓度提升,载流子迁移率发生显著下降。显著下降。第27页室温(室温(300K300K)条件下,锗单晶材料中电子和空穴迁)条件下,锗单晶材料中电子和空穴迁移率随总掺杂浓度改变关系曲线。移率随总掺杂浓度改变关系曲线。由图可知,伴随掺杂浓度提升,锗材料中载流子迁由图可知,伴随掺杂浓度提升,锗材料中载流子迁移率也发生显著下降。移率也发生显著下降。第28页室温(室温(300K300K)条件下砷化镓单晶材料中电子和空穴迁)条件下砷化镓单晶材料中电子和空穴迁移率随总掺杂浓度改变关系曲线。移率随总掺杂浓度改变关系曲线。由图可知,伴随掺杂浓度提升,砷化镓材料中载流子由图可知,伴随掺杂浓度提升,砷化镓材料中载流
16、子迁移率一样也发生显著下降。迁移率一样也发生显著下降。第29页3 3)存在两种散射机制时载流子迁移率)存在两种散射机制时载流子迁移率假设假设L L是因为晶格振动散射所造成载流子自由运动时是因为晶格振动散射所造成载流子自由运动时间,则载流子在间,则载流子在dtdt时间内发生晶格振动散射几率为时间内发生晶格振动散射几率为dt dt/L L;假设假设I I是因为离化杂质散射所造成载流子自由运动时是因为离化杂质散射所造成载流子自由运动时间,则载流子在间,则载流子在dtdt时间内发生离化杂质散射几率为时间内发生离化杂质散射几率为dt dt/I I;假如两种散射机制相互独立,则在假如两种散射机制相互独立,
17、则在dtdt时间内载流子发时间内载流子发生散射总几率为:生散射总几率为:第30页 其中其中是载流子发生连续两次任意散射过程之是载流子发生连续两次任意散射过程之间自由运动时间。间自由运动时间。物理意义:物理意义:载流子在半导体晶体材料中所受到载流子在半导体晶体材料中所受到总散射几率等于各个不一样散射机制散射几率之和,总散射几率等于各个不一样散射机制散射几率之和,这对于各种散射机制同时存在情况也是成立。这对于各种散射机制同时存在情况也是成立。利用迁移率公式:利用迁移率公式:第31页上式中:上式中:I I:只有离化杂质散射存在时载流子迁移率;:只有离化杂质散射存在时载流子迁移率;L L:只有晶格振动
18、散射存在时载流子迁移率;:只有晶格振动散射存在时载流子迁移率;:总载流子迁移率。:总载流子迁移率。当有多个独立散射机制同时存在时,上式依然成立,当有多个独立散射机制同时存在时,上式依然成立,这也意味着因为各种散射机制影响,载流子总迁移率这也意味着因为各种散射机制影响,载流子总迁移率将会更低。将会更低。第32页:半导体晶体材料电导率,单位:半导体晶体材料电导率,单位(cm)cm)-1-1。5.1.3 5.1.3 半导体材料电导率和电阻率半导体材料电导率和电阻率 有外加电场作用情况下,半导体材料中载流子漂有外加电场作用情况下,半导体材料中载流子漂移电流密度为:移电流密度为:第33页电导率倒数就是电
19、阻率,其表示式为电导率倒数就是电阻率,其表示式为显然:电导率(电阻率)与载流子浓度(掺杂显然:电导率(电阻率)与载流子浓度(掺杂 浓度)和迁移率相关浓度)和迁移率相关第34页硅单晶材料在硅单晶材料在300K300K条件下,电阻率随掺杂浓度改变条件下,电阻率随掺杂浓度改变关系曲线。关系曲线。第35页锗、砷化镓以及磷化镓单晶材料在锗、砷化镓以及磷化镓单晶材料在300K300K条件下,电条件下,电阻率随掺杂浓度改变关系曲线。阻率随掺杂浓度改变关系曲线。第36页半导体材料欧姆定律半导体材料欧姆定律对于如图所表示一块半导体材料,当在其两端外加对于如图所表示一块半导体材料,当在其两端外加电压电压V V时,
20、流过截面时,流过截面A A电流密度为:电流密度为:在半导体材料中形成电在半导体材料中形成电场强度为场强度为第37页上式即为半导体材料中欧姆定律。上式即为半导体材料中欧姆定律。利用利用可得到可得到第38页 假设有一块掺杂浓度为假设有一块掺杂浓度为N NA AP P型半导体材料(型半导体材料(N ND D0 0),且),且N NA Anni i,假设电子和空穴迁移率基本上是在一,假设电子和空穴迁移率基本上是在一个数量级上,则半导体材料电导率为:个数量级上,则半导体材料电导率为:假设杂质完全离化,则有:假设杂质完全离化,则有:第39页结论:结论:非本征半导体材料电导率(或电阻率)主要由多数载非本征半
21、导体材料电导率(或电阻率)主要由多数载流子浓度及其迁移率决定。流子浓度及其迁移率决定。第40页对于本征半导体材料,其电导率能够表示为:对于本征半导体材料,其电导率能够表示为:注意,注意,因为电子和空穴迁移率普通情况下并不相等,所因为电子和空穴迁移率普通情况下并不相等,所以本征电导率并非是在特定温度下半导体材料电导率最以本征电导率并非是在特定温度下半导体材料电导率最小值。小值。第41页小结小结:电阻率(电导率)同时受载流子浓度(杂质浓度)电阻率(电导率)同时受载流子浓度(杂质浓度)和迁移率影响,因而电阻率和杂质浓度不是线性关和迁移率影响,因而电阻率和杂质浓度不是线性关系。系。杂质浓度增高时,曲线
22、严重偏离直线,主要原因:杂质浓度增高时,曲线严重偏离直线,主要原因:迁移率随杂质浓度增加而显著下降。迁移率随杂质浓度增加而显著下降。对于非本征半导体来说,材料电阻率(电导率)主对于非本征半导体来说,材料电阻率(电导率)主要和多数载流子浓度以及迁移率相关。要和多数载流子浓度以及迁移率相关。因为电子和空穴迁移率不一样,因而在一定温度下,因为电子和空穴迁移率不一样,因而在一定温度下,不一定本征半导体电导率最小。不一定本征半导体电导率最小。第42页电导率同温度关系:电导率同温度关系:施主浓度施主浓度N ND D为为1E15cm1E15cm-3-3 ,N N型半导体材料中电子浓度及型半导体材料中电子浓度
23、及其电导率随温度改变关系曲线其电导率随温度改变关系曲线。第43页总结总结:1 1)中等温度区中等温度区(200K200K至至450K450K):在此温度区内载流):在此温度区内载流子以非本征激发为主,杂质完全电离,电子浓度基本子以非本征激发为主,杂质完全电离,电子浓度基本保持不变;但在该温度区内,载流子迁移率随温度升保持不变;但在该温度区内,载流子迁移率随温度升高而下降,所以半导体电导率随温度升高出现了一段高而下降,所以半导体电导率随温度升高出现了一段下降情形。下降情形。2 2)高温区高温区(本征激发区),本征载流子浓度伴随温(本征激发区),本征载流子浓度伴随温度上升而快速增加,所以电导率也伴
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 半导体 物理 公共课 一等奖 全国 获奖 课件
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【精****】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【精****】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。