西安电子科技大学半导体物理第4章.ppt

School of Microelectronics 半导体物理 SEMICONDUCTOR PHYSICS 西安电子科技大学 微电子学院 School of Microelectronics 第四章 半导体中载流子的输运现象 4.1 载流子的漂移运动与迁移率 4.2 半导体中的主要散射机构 迁移率与平均自由时间的关系 4.3 半导体的迁移率、电阻率与杂质浓度和温度的关系 4.4 载流子的扩散运动 爱因斯坦关系 4.5 连续性方程 School of Microelectronics 4.1 载流子的漂移运动与迁移率 一、漂移速度与迁移率 在外场 |E|的作用下，半导体中载流子要逆 (顺 )电场方 向作定向运动，这种运动称为漂移运动。 定向运动速度称为漂移速度，它大小不一，取其平均值 称作平均漂移速度。 d School of Microelectronics 图中截面积为 s的均匀样品， 内部电场为 |E| ，电子浓度为 n。 在其中取相距为 的 A和 B两 个截面，这两个截面间所围成 的体积中总电子数为 ， 这 N个电子经过 t时间后都将通过 A面，因此按照电流强度的定义 与电流方向垂直的单位面积上所通过的电流强度定义为电流密 度，用 J表示，那么 td 图 4.1 平均漂移速度分析模型 tnsN d dd n q st tn q s t qN t QI dnqs IJ School of Microelectronics 已知欧姆定律微分形式为 为电导率，单位 S/cm。 令 ，称 n为电子迁移率，单位为 cm2/Vs。因为电子逆 电场方向运动， 为负，而习惯上迁移率只取正值，即 迁移率 n也就是单位电场强度下电子的平均漂移速度，它的大小 反映了电子在电场作用下运动能力的强弱。 经计算比较可以得到 上式就是电导率与迁移率的关系。电阻率 和电导率 互为倒数， 即 1/， 的单位是 cm。 E nd d E d n nn nq EJ School of Microelectronics 二、半导体的电导率和迁移率 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， 但所形成的漂移电流密度都是与电场方 向一致的，因此总漂移电流密度是两者 之和。 由于电子在半导体中作“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的运动，所以两者在外电场作用下的平 均漂移速度显然不同，用 n和 p分别表示电子和空穴的迁移率。 图 4.2 电子和空穴漂移电流密度 School of Microelectronics 通常用 (Jn)drf和 (Jp)drf分别表示电子和空穴漂移电流密度，那 么半导体中的总漂移电流密度为 n型半导体 np p型半导体 pn 本征半导体 n=p=ni E)pqnq(JJJ pnd r fpd r fnd r f EnqJJ nd r fnd r f nn nq n n nq 1 EpqJJ pd r fpd r f pp pq p p pq 1 E)(qnJ pnid r f )(qn pnii )(qn 1 pni i School of Microelectronics 4.2 半导体中的主要散射机构 迁移率 与平均自由时间的关系 一、概念 半导体中的载流子在没有外电场作用时，做无规则热运动，与 格点原子、杂质原子 (离子 )和其它载流子发生碰撞，用波的概 念就是电子波在传播过程中遭到散射。 当外电场作用于半导体时，载流子一方面作定向漂移运动，另 一方面又要遭到散射，因此运动速度大小和方向不断改变，漂 移速度不能无限积累，也就是说，电场对载流子的加速作用只 存在于连续的两次散射之间。 School of Microelectronics 因此上述的平均漂移速度 是指在外力和散射的双重作用下， 载流子是以一定的平均速度作漂移运动的。 而“自由”载流子也只是在连续的两次散射之间才是“自由” 的。 半导体中载流子遭到散射的根本原因在于晶格周期性势场遭到 破坏而存在有附加势场。 因此凡是能够导致晶格周期性势场遭到破坏的因素都会引发载 流子的散射。 d School of Microelectronics 二、半导体中载流子的主要散射机构 1. 电离杂质散射 施主杂质在半导体中未电离时是中性的，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，因此离化的 杂质原子周围就会形成库仑势场，载流子因运动靠近后其速度 大小和方向均会发生改变，也就是发生了散射，这种散射机构 就称作电离杂质散射。 School of Microelectronics 为描述散射作用强弱，引入散射几率 P，它定义为单位时间内 一个载流子受到散射的次数。 如果离化的杂质浓度为 Ni，电离杂质散射的散射几率 Pi与 Ni及 其温度的关系为 上式表明： Ni越高，载流子受电离杂质散射的几率越大； 温度升高导致载流子的热运动速度增大，从而更容易掠过电离 杂质周围的库仑势场，遭电离杂质散射的几率反而越小。 23N iTPi School of Microelectronics 说明： 对于经过杂质补偿的 n型半导体，在杂质充分电离时，补偿 后的有效施主浓度为 ND-NA ，导带电子浓度 n0=ND-NA； 而电离杂质散射几率 Pi中的 Ni应为 ND+NA，因为此时施主和 受主杂质全部电离，分别形成了正电中心和负电中心及其相 应的库仑势场，它们都对载流子的散射作出了贡献，这一点 与杂质补偿作用是不同的。 School of Microelectronics 2. 晶格振动散射 一定温度下的晶体其格点原子 (或离子 )在各自平衡位置附近振 动。半导体中格点原子的振动同样要引起载流子的散射，称为 晶格振动散射 。 格点原子的振动都是由被称作格波的若干个不同基本波动按照 波的迭加原理迭加而成。 常用格波波矢 |q|=1/表示格波波长以及格波传播方向。 晶体中一个格波波矢 q对应了不止一个格波，对于 Ge、 Si、 GaAs等常用半导体，一个原胞含二个原子，则一个 q对应六个 不同的格波。 School of Microelectronics 由 N个原胞组成的一块半导体，共有 6N个格波，分成六支。 其中频率低的三支称为声学波，三支声学波中包含一支纵声 学波和二支横声学波，声学波相邻原子做相位一致的振动。 六支格波中频率高的三支称为光学波，三支光学波中也包括 一支纵光学波和二支横光学波，光学波相邻原子之间做相位 相反的振动。 波长在几十个原子间距以上的所谓长声学波对散射起主要作 用，而长纵声学波散射更重要。 School of Microelectronics 纵声学波相邻原子振动相位一致，结果导致晶格原子分布疏密改 变，产生了原子稀疏处体积膨胀、原子紧密处体积压缩的体变。 原子间距的改变会导致禁带宽度产生起伏，使晶格周期性势场被 破坏，如图所示。 长纵声学波对导带电子的散射几率 Ps与温度的关系为 23TPs (a) 纵声学波 (b) 纵声学波引起的能带改变 图 4.3 纵声学波及其所引起的附加势场 School of Microelectronics 在 GaAs等化合物半导体中，组成晶体的两种原子由于负电性不 同，价电子在不同原子间有一定转移， As原子带一些负电， Ga 原子带一些正电，晶体呈现一定的离子性。 纵光学波是相邻原子相位相反的振动，在 GaAs中也就是正负离 子的振动位移相反，引起电极化现象，从而产生附加势场。 (a) 纵光学波 (b) 纵光学波的电极化 图 4.4 纵光学波及其所引起的附加势场 School of Microelectronics 离子晶体中光学波对载流子的散射几率 P0为 式中 为纵光学波频率， 是随 变化的函数， 其值为 0.61。 P0与温度的关系主要取决于方括号项，低温下 P0 较小，温度升高方括号项增大， P0增大。 Tk h f 11 Tk h exp )Tk( )h( P 0 l 1 0 l 2 1 0 2 3 l o l )Tk/h(f 0l )Tk/h( 0l School of Microelectronics 3. 其它因素引起的散射 Ge、 Si晶体因具有多能谷的导带结构，载流子可以从一个能谷 散射到另一个能谷，称为等同的能谷间散射，高温时谷间散射 较重要。 低温下的重掺杂半导体，大量杂质未电离而呈中性，而低温下 的晶格振动散射较弱，这时中性杂质散射不可忽视。 强简并半导体中载流子浓度很高，载流子之间也会发生散射。 如果晶体位错密度较高，位错散射也应考虑。 通常情况下， Si， Ge元素半导体的主要散射机构是电离杂质散 射和长声学波散射；而 GaAs的主要散射机构是电离杂质散射、 长声学波散射和光学波散射。 School of Microelectronics 三、散射几率 P与平均自由时间 间的关系 由于存在散射作用，外电场 E作用下定向漂移的载流子只在连 续两次散射之间才被加速，这期间所经历的时间称为自由时间， 其长短不一，它的平均值 称为平均自由时间， 和散射几率 P 都与载流子的散射有关， 和 P之间存在着互为倒数的关系。 如果 N(t)是在 t时刻还未被散射的电子数，则 N(t+t)就是 t+t 时刻还没有被散射的电子数，因此 t很小时， tt+ t时间内被散 射的电子数为 tP)t(N)t(N)tt(N)t(N School of Microelectronics t=0时所有 N0个电子都未遭散射，由上式得到 t时刻尚未遭散射的 电子数 在 dt时间内遭到散射的电子数等于 N(t)Pdt=N0e-PtPdt，若电子的自 由时间为 t，则 即 和 P互为倒数。 Pt0 eN)t(N P 1P d tetN N 1 0 Pt 0 0 P)t(Ndt )t(dNt )t(N)tt(Nlimt )t(Nlim 0t0t School of Microelectronics 四、迁移率、电导率与平均自由时间的关系 如果电子 mn*各向同性，电场 |E|沿 x方向，在 t=0时刻某电子遭 散射，散射后该电子在 x方向速度分量为 vx0，此后又被加速，直至 下一次被散射时的速度 vx 两边求平均，因为每次散射后 v0完全没有规则，多次散射后 v0在 x方向分量的平均值 为零，而 就是电子的平均自由时间 n， 因此 根据迁移率的定义，得到电子迁移率 如果 p为空穴的平均自由时间，同理空穴迁移率 tm Eq * n 0 xx 0 x t n* n*n 0 xx m Eqt m Eq *n n n m q * p p p m q School of Microelectronics Si的导带底附近 E(k)k关系是长轴沿 方向的 6个旋转椭球等能 面，而 Ge的导带底则由 4个长轴沿 方向的旋转椭球等能面构 成。若令 ，那么对于 Si、 Ge晶体 称 c为电导迁移率， mc称为电导有效质量。半导体中电导率与平均自由 时间的关系为 n型半导体 p型半导体 tltlc*n m2mmm3mm c n cn m q *p p2 *n n2 pn m pq m nqpqnq *n n2 n m nqnq *p p2 p m pqnq School of Microelectronics 4.3 半导体的迁移率、电阻率与 杂质浓度和温度的关系 一、迁移率与杂质浓度和温度的关系 半导体中几种散射机构同时存在，总散射几率为几种散射机构 对应的散射几率之和 平均自由时间 和散射几率 P之间互为倒数，所以 给上式两端同乘以 得到 所以总迁移率的倒数等于各种散射机构所决定的迁移率的倒数之和。 321 PPPP 321 321 111PPPP1 )mq(1 n 321 1111 School of Microelectronics 多种散射机构同时存在时，起主要作用的散射机构所决定的平 均自由时间最短，散射几率最大，迁移率主要由这种散射机构决定。 电离杂质散射 声学波散射 光学波散射 Si、 Ge元素半导体中电离杂质散射和纵声学波散射起主导作用，因此 GaAs中电离杂质散射、声学波散射和光学波散射均起主要作用，所以 23N iTPi 231 i TNi 231i TNi 23s TP 23s T 23s T 1 0 l o 1Tk he x pP 1 Tk he x p 0 l o 1 Tk hexp 0 l o si 111 0si 1111 School of Microelectronics 二、电阻率与杂质浓度和温度的关系 电阻率和电导率互为倒数，因此半导体中 ， 取决于载流子浓度和迁移率，而载流子浓度和迁移率都与掺杂 情况和温度有关。因此半导体的电阻率 既与温度有关，也与杂 质浓度有关。 图 4.5中曲线随温度的变化规律 可以根据不同温度区间因杂质电离 和本征激发的作用使载流子浓度发 生变化以及相应的散射机制作用强 弱不同加以解释。 1pn )pqnq( 图 4.5 掺杂 Si样品的电阻率与温度关系 School of Microelectronics 4.4 载流子的扩散运动 爱因斯坦关系 一、载流子的扩散运动 扩散是因为无规则热运动而引起的粒子从浓度高处向浓度低处 的有规则的输运，扩散运动起源于粒子浓度分布的不均匀。 均匀掺杂的 n型半导体中，因为不存在浓度梯度，也就不产生扩 散运动，其载流子分布也是均匀的。 如果以适当波长的光照射该样品的一侧，同时假定在照射面的 薄层内光被全部吸收，那么在表面薄层内就产生了非平衡载流 子，而内部没有光注入，这样由于表面和体内存在了浓度梯度， 从而引起非平衡载流子由表面向内部扩散。 School of Microelectronics 一维情况下非平衡载流子浓度为 p(x)，在 x方向上的浓度梯度 为 dp(x)/dx。如果定义扩散流密度为 S单位时间垂直通过单位面积 的粒子数，那么 S与非平衡载流子的浓度梯度成正比。 设空穴的扩散流密度为 Sp，则有下面所示的菲克第一定律 Dp为空穴扩散系数，它反映了存在浓度梯度时扩散能力的强弱， 单位是 cm2/s，负号表示扩散由高浓度向低浓度方向进行。 如果光照恒定，则表面非平衡载流子浓度恒为 (p)0，因表面 不断注入，样品内部各处空穴浓度不随时间变化，形成稳定分布， 称为稳态扩散。 dx xpdDS pp School of Microelectronics 通常扩散流密度 Sp是位置 x的函数 Sp(x)，则 稳态下 dSp(x)/dx就等于单位时间、单位体积内因复合而消失的 空穴数 p/p 此 式 就是一维稳态扩散方程，通解是 ， 其中 ，系数 A和 B要根据特定的边界条件加以确定。 2 2 p ppp 0 x dx xpdD dx xdS x xSxxSlim p2 2 p xp dx xpdD pp LxLx BeAexp ppp DL School of Microelectronics 如果样品半无穷大，非平衡载流子尚未到达样品另一端就全 部复合消失，即 x 时 p(x)0 ，因而通解中 B=0；在 x=0处， p(x)=(p)0 ，则 A=(p)0，因此 这表明非平衡载流子从表面的 (p)0开始，在体内按照指数规律衰 减。当 x=Lp时，则有 p(Lp)=(p)0 /e，即非平衡载流子因为存在 复合由 (p)0衰减到 (p)0 /e所扩散距离就是 Lp。而非平衡载流子 的平均扩散距离为 因此 Lp反映了非平衡载流子因扩散而深入样品的平均距离，称 Lp为 空穴扩散长度。 pLx0 epxp p 00 Lxdxpdxxpxx School of Microelectronics 如果样品为有限厚度 w，同时设法在样品另一端将非平衡少子全部 抽取干净，那么 由此确定系数 A和 B，得到这种情形的特解为 由于 很小时 sh()，所以当样品厚度 w远小于扩散长度 Lp 时，上式近似为 此时的扩散流密度 为常数，表明由于样 品很薄，非平衡载流子还来不及复合就扩散到了样品的另一端。 0pxp 0 x 0 xp wx pp 0 L wsh L xwshp)x(p w x1p L w L xwpxp 0 pp 0 wDpdxxpdDS p0pp School of Microelectronics 二、爱因斯坦关系 半导体中载流子的扩散运动必然伴随扩散电流的出现。 空穴扩散电流密度 电子扩散电流密度 如果载流子扩散系数是各向同性的，对于三维情况，则 而扩散流密度的散度的负值恰好为单位体积内空穴的积累率 稳态时， - Sp等于单位时间单位体积内因复合而消失的空穴数， 稳态扩散方程为 dx xpdqDqSJ ppD i fp dx xndqDqSJ nnD i fn pDS pp pDS 2pp p 2p ppD School of Microelectronics 空穴的扩散电流密度 电子的扩散电流密度 对均匀掺杂的一维半导体，如果存在外加电场 |E|的同时还存 在非平衡载流子浓度的不均匀，那么平衡和非平衡载流子都要作 漂移运动，非平衡载流子还要作扩散运动，因此 非均匀掺杂的一维半导体在同时存在外加电场 |E|和非平衡载 流子浓度的不均匀时，由于平衡载流子浓度也是位置的函数，平 衡载流子也要扩散，因此 pDqSqJ pD i fp p nqDSqJ nD i fn n dx ndqDEq )nn(JJJ nn0Di fnDr fnn dx p dqDE)q p(pJJJ pp0D i fpD r fpp School of Microelectronics 引起载流子漂移运动和扩散运动的原因虽然不同，但这两种 运动的过程中都要遭到散射的作用， 和 D之间也存在内在联系。 载流子的 和 D之间有如下的爱因斯坦关系 因此由已知的 n、 p就可以得到 Dn和 Dp。 dx n)x(ndqDEq n)x(nJJJ 0nn0D i fnD r fnn dx p( x)pdqDEq p( x)pJJJ 0pp0D i fpD r fpp qTkD 0nn qTkD 0pp School of Microelectronics 非均匀掺杂半导体同时存在扩散运动和漂移运动时，利用爱 因斯坦关系，可将电子和空穴的 电流密度 改写为 半导体中的总电流密度为 dx ndq TkEnq dx ndqDEnq JJJ 0nnnD i fnD r fnn xd pdq TkEpq dx pdqD-Epq JJJ 0pppD i fpD r fpp dx pd q TkEpq dx nd q TkEnq JJJ 0 p 0 npn School of Microelectronics 4.5 连续性方程 以一维 n型半导体为例，更普遍的情况是载流子浓度既与位置 x有关，又与时间 t有关，那么少子空穴的扩散流密度 Sp和扩散电流 密度 (Jp)Dif分别为 单位时间单位体积中因扩散积累的空穴数为 单位时间单位体积中因漂移积累的空穴数为 xpDS pp xpqDJ pD i fp x pD x J q 1 2 p D i fp xEpxpEx J q 1 p D r fp School of Microelectronics 小注入条件下，单位体积中复合消失的空穴数是 p/p，用 gp 表示生产率，则可列出 上式称为空穴的连续性方程。它反映了漂移和扩散运动同时存在 时少子空穴遵守的运动方程，类似可得电子的连续性方程 三维情况下电子和空穴的连续性方程分别是 p pp2 2 p tx,pgtx,p x E x tx,pE x tx,pD t tx,p n nn2 2 n tx,ngtx,n x E x tx,nE x tx,nD t tx,n n n n g tz,y,x,ntz,y,x,J q 1 t tz,y,x,n p p p g tz,y,x,ptz,y,x,J q 1 t tz,y,x,p