第08讲 半导体中载流子的漂移运动D

半导体物理学中载流子的输运特性分析半导体物理学是研究半导体材料中电荷载流子的性质和运动的学科。

对于这些半导体材料电流输送特性的研究，对于现代电子设备和信息技术的发展起着至关重要的作用。

本文将探讨半导体物理学中载流子的输运特性分析。

一、载流子的定义和类型在半导体物理学中，载流子是指携带电荷的粒子，它们在半导体材料中负责电流的输送。

根据带电荷性质的不同，载流子分为正电荷的空穴和负电荷的电子。

空穴是电子跳出离子晶格位置后在其原处留下的带正电荷的空位，而电子则是负电荷的粒子。

二、载流子的产生和输运载流子的产生主要通过固体材料的激发过程来实现。

当外界施加电场、光照或温度变化等激励时，电子会从价带跃迁到导带形成电子-空穴对。

这些电子和空穴会受到电场力的作用向着电场方向运动，从而形成了电流。

在半导体中，电子由于能级差距小，其导电性能强于绝缘体材料。

三、载流子的输运特性在半导体材料中，载流子的输运特性决定了材料的电导率和电流的传输效率。

其中，电流主要通过两种方式传输：漂移和扩散。

1. 漂移：漂移是指由于外加电场的作用，携带电荷的载流子在晶体中受到电场力的驱动而移动。

漂移速度与电场强度成正比，与载流子迁移率成正比。

而载流子的迁移率受到材料中杂质、晶格缺陷等因素的影响。

因此，提高半导体材料的纯度和结晶度可以提高载流子的迁移率，进而提高电导率。

2. 扩散：扩散是指由于载流子浓度差异引起的材料中的载流子传输。

当载流子浓度不均匀时，通过自由运动的载流子将会发生扩散，以实现浓度均匀分布。

扩散速度与浓度梯度成正比，与扩散系数成正比。

扩散系数受到温度、材料的缺陷和掺杂等因素的影响。

四、载流子输运的限制因素在实际的半导体器件中，载流子的输运过程会受到一些因素的限制，主要包括散射、载流子密度限制和表面反射等。

1. 散射：散射是指载流子在晶体中与杂质、晶格缺陷或声子等相互作用后改变原始运动状态的过程。

散射会使得载流子的迁移率降低，影响载流子的输运效率。

半导体中的载流子输运半导体是一种特殊的材料，其电子能带结构使其具有半导体特性，即既不完全导电也不完全绝缘。

在半导体中，载流子的输运是至关重要的。

载流子是指在材料中参与电导的带电粒子，包括带负电荷的电子和带正电荷的空穴。

了解并掌握半导体中的载流子输运机制对于研究和应用半导体技术具有重要意义。

在半导体中，载流子的输运主要包括两个过程：漂移和扩散。

漂移是指在外加电场作用下，带电粒子受力移动的过程。

外加电场使得正负载流子分别向电场方向进行漂移，从而形成电流。

扩散是指由于浓度梯度的存在，带电粒子自发地从浓度高区域向浓度低区域扩散的过程。

扩散使得正负载流子重新组合并导致电流的流动。

在半导体材料中，载流子的输运与材料的特性、结构、掺杂以及温度等因素密切相关。

以硅（Si）为例，由于其晶格结构具有四面体对称性，硅材料中的电子和空穴密度均可达到相对较高的数值。

半导体材料通过掺杂可以引入杂质能级，从而改变其导电性能。

掺杂浓度的增加会导致更多的载流子生成，进而增大电导率。

在载流子输运中，杂质能级起到了重要的作用。

对于掺杂的P型半导体，通常采用三价杂质（如硼）来取代四面体结构中的硅原子，形成硅晶格中的空穴。

这些空穴可以被电子激发进入价带，从而产生正电荷。

而N型半导体则采用五价杂质（如磷）取代硅原子，形成额外的电子。

这些额外的电子使半导体具有了更高的导电性。

此外，温度也对半导体中的载流子输运起到重要影响。

随着温度的升高，材料中的原子振动加剧，导致更多的载流子被激发。

这进一步增加了电导率。

然而，过高的温度也会破坏材料的晶体结构，从而降低电导率。

近年来，随着半导体技术的快速发展，对载流子输运的研究也越发深入。

纳米级半导体结构的出现为探索新的载流子输运机制提供了新的平台。

例如，量子效应引起的载流子波函数重叠对于电导率具有重要影响。

此外，载流子输运还与材料的表面态和边界条件等因素密切相关。

综上所述，半导体中的载流子输运是现代电子技术和信息处理的基础，对于理解和应用半导体材料和器件具有重要意义。

载流子的漂移运动2010-03-12 20:08:37| 分类：微电子物理| 标签：|字号大中小订阅（什么是漂移速度？什么是迁移率？）作者：Xie M. X. (UESTC，成都市)（1）热运动和漂移运动：载流子在没有受到任何驱动（即无浓度梯度，也无电场）时，它就进行着无规的热运动。

热运动的特点：①没有方向性；②不断遭受散射；③具有一定的热运动能量和热运动速度（vth），在温度T时即满足：(1/2)m*vth2=(3/2)kT，其中m*是载流子有效质量。

在室温下，vth≈107cm/s。

在有外电场作用时即发生漂移运动。

漂移运动的特点：①沿着电场的方向运动——定向运动；②漂移运动是叠加在热运动基础之上的一种定向运动，因此漂移运动的速度——漂移速度必然小于热运动速度；③在漂移过程中将不断遭受散射（否则漂移速度将变成∞）。

连续两次散射之间的行走距离称为平均自由程，相应的行走时间称为平均自由时间（t）。

（2）漂移速度和迁移率：若电场强度为E，则由动量平衡关系可以给出平均漂移速度vd为：vd = qt E/m*.可见，漂移速度与电场成正比，其比例系数就是载流子的所谓迁移率μ：μ= vd/E= qt/m*.这就是说，载流子迁移率就是单位电场作用下、所产生的平均漂移速度，单位是[cm2/V-s]。

迁移率即表征着载流子在电场作用下加速运动的快慢。

（3）迁移率与散射的关系：平均自由时间t即为散射几率的倒数。

载流子迁移率的大小与平均自由时间t有关，即载流子在运动过程中遭受散射的情况起着很大的作用。

引起散射载流子的因素称为散射中心。

散射中心浓度越大，载流子的平均自由时间就越短，迁移率也就越低。

半导体中对载流子起散射作用的散射中心主要是声子（晶格振动的能量量子）和电离杂质中心。

温度越高，声子数量就越多。

因此，在室温及其以上的温度下，声子散射起主要作用，则迁移率将随着温度的升高而下降（一般是T-3/2规律）；而在较低温度下，因为声子数量较少，则电离杂质中心散射起主要作用，于是随着温度的升高，载流子速度增大，将导致迁移率随之而上升（一般是T3/2规律）。

半导体物理中的载流子行为与PN结动作半导体物理是现代电子学和信息技术的基础，而载流子行为和PN结动作是半导体器件中最重要的基本概念之一。

本文将从载流子行为的基础开始，逐步介绍PN结的形成和工作原理。

一、载流子行为半导体材料中的载流子主要有电子和空穴两种，它们在半导体中的运动决定了电流的形成和传输。

电子是带负电荷的粒子，而空穴则是带正电荷的“缺电子”。

在半导体中，电子和空穴通过碰撞和散射过程进行运动。

在纯净的半导体中，载流子的浓度非常低，几乎没有自由电子或自由空穴。

但是，当半导体与其他材料接触时，会发生掺杂现象。

掺杂是通过引入杂质原子来改变半导体材料的性质。

掺杂分为两种类型：施主掺杂和受主掺杂。

施主掺杂是引入杂质原子，使半导体获得额外的自由电子，而受主掺杂则是引入杂质原子，使半导体获得额外的自由空穴。

二、PN结的形成PN结是由P型半导体和N型半导体组成的结构。

P型半导体中的载流子主要是空穴，而N型半导体中的载流子主要是电子。

当P型半导体和N型半导体接触时，会发生载流子的扩散现象。

具体来说，N型半导体中的电子会向P型半导体扩散，而P型半导体中的空穴会向N型半导体扩散。

在扩散过程中，电子和空穴会发生复合，形成电荷中性的原子。

同时，扩散过程会导致P型半导体和N型半导体中的杂质离子电荷分布发生变化。

最终，形成了一个电场，阻止进一步的扩散。

这个电场就是PN结的内建电场。

三、PN结的动作PN结的内建电场会导致载流子的漂移运动。

在PN结的P区，空穴会受到内建电场的作用，向N区漂移；在PN结的N区，电子会受到内建电场的作用，向P区漂移。

这种漂移运动形成了PN结的空间电荷区。

当外加电压施加在PN结上时，会改变PN结的空间电荷区的宽度。

具体来说，当外加电压为正值时，会使得空间电荷区变窄，减小内建电场的作用；当外加电压为负值时，会使得空间电荷区变宽，增强内建电场的作用。

当外加电压为正值时，PN结处于正向偏置状态。

此时，载流子可以通过PN结，形成电流。