chapter 3 carrier transport phenomena 載子傳輸現象 ------
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Chapter 3 Carrier Transport Phenomena 載子傳輸現象 ------. 電場及濃度梯度影響下之帶電載子的運動. 傳輸過程包括:. 載子飄移 (carrier drift) 載子擴散 (carrier diffusion) 產生與復合過程 generation and recombination process) 熱離子發射過程 (thermionic emission process) 穿隧過程 (tunneling process) 衝擊游離 (impact ionization). 最主要. 3.1 載子飄移 ( drift ). - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Chapter 3 Carrier Transport Phenomena載子傳輸現象 ------
Chapter 3 Carrier Transport Phenomena載子傳輸現象 ------
電場及濃度梯度影響下之帶電載子的運動
傳輸過程包括:
載子飄移 (carrier drift)載子擴散 (carrier diffusion)產生與復合過程 generation and recombinatio
n process)熱離子發射過程 (thermionic emission proces
s)穿隧過程 (tunneling process)衝擊游離 (impact ionization)
最主要
3.1 載子飄移( drift )
電場 ε=0:
平衡狀態下,自由電子 ( 假設在 n 型半導體中)的移動受熱能的影響
kTvm thn 2
3
2
1 2
平均熱速率
移動快速,但各方向都有,平均速度為零。
( 室溫下約 107cm/s)
電場作用下之電子運動
ε≠0 時,電子整體朝電場反方向運動,此電場所貢獻的速度分量就稱為飄移速度。
飄移速率為何?
nnc vmq )/( ncn mqv
平均動量變化
和電場成正比
c 為平均自由時間( mean free time ),約為 10-12s ,為平均自由徑(約 10-5cm) 除以 vth 。
電場作用下之電子運動 ( 續)
定義 為電子的遷移率 n(mobility)
同理,對電洞而言:
nc mq /
nnv 可得電子飄移速度
ppv 可得電洞飄移速度
pc mq / 為電洞的遷移率 p
Mobility 的討論:與 c 有關
c 受電子碰撞影響,其機制有二:晶格散射:溫度越高,晶格熱震動越劇烈, L越小。
雜質散射:雜質濃度越高, I越小 溫度越高,電子速度越快,越不受離子場
的影響。
2
3
TL
TI NT /2
3
合併二種散射機制:
考慮在 dt 時間內,發生散射的機率為 dt/c:
cIcLc 111
IL 111
cIcLc
dtdtdt
與遷移率定義比較可得:
散射機制越多,遷移率會越小。
對輕摻雜( 1014cm-3 )半導體而言,晶格散射效應較顯著,所以溫度越高,遷移率越小。
對重摻雜半導體而言,在低溫時雜質散射效應較顯著,所以溫度越高,遷移率越大。在高溫區,則為晶格散射效應較顯著,所以溫度越高,遷移率越小。
室溫下的遷移率與摻雜濃度關係圖
摻雜濃度越高,遷移率越低。
n > p
因為電子有較小的有效質量
3.1.2 Resistivity 電場對能帶圖的影響
dx
dEq c
dx
dE
qdx
dE
qic 11
考慮一均勻半導體,加一固定偏壓,能帶圖會改變。電子所受的力為:
(負的電子位能梯度)
即電場正比於能帶圖的梯度(斜率)
又已知:dx
d 比較可得
q
Ei(電位)
由能帶圖的斜率可知電場
若電場為定值,可得一傾斜之能帶圖(斜率固定)。
電子的電位圖為將 Ec 或 EFi 或 Ev 圖對 y軸對稱(即上下
相反)由此能帶圖可看出,電子碰撞損失動能給晶格,然後掉到能量較低的位置。如右圖,如此之能量變化會使電子朝右移動,這些移動之電子所產生的電流就稱為飄移電流( drift current )。電洞亦然,移動方向與電子相反。
• 對電洞而言,右邊的能量較大,左邊較小
反過來畫 斜率表示電場
飄移電流
tqnAvtAvQ nn
nnn
n qnqnvtA
tqnAv
tA
QJ
電荷密度
體積
電子所產生的飄移電流
同理,電洞所產生的飄移電流
半導體中的總電流:
令 可得: EJ 導電率 (conductivity)
半導體的電阻率
ndn qNqn 11
考慮非本質半導體:
N 型: n >> p
P 型: p >> npap qNqp
11
與摻雜濃度和遷移率有關
電阻率與摻雜濃度關係
摻雜濃度越高,電阻率越小
N 型的電阻率小於 P 型的電阻率(因為電子的遷移率大於電洞的)
導電率與溫度之關係
在中溫區,幾乎完全解離,電子濃度為定值,所以導電率受遷移率的影響,所以溫度越大,遷移率越小,導電率越小。在高溫區, ni 大增,影響
顯著,所以溫度越高,導電率越大。在低溫區,冷凝現象發生,
溫度越低,雜質解離率越低,ni 越低,故導電率也越低。
Si
半導體試片電阻率的量測
A
LR 此法不適合半導體晶圓及薄膜
使用四點探針法
cmCFwI
V
CF 為修正因子,由 d/s 決定(例如 d/s > 20 時, CF=4.54 )
3.1.3 霍爾效應( Hall Effect )
可測得試片為 n型或 p型、載子濃度以及遷移率。
量測裝置如左圖:試片中的電子及電洞為運動中的帶電粒子,在z 方向磁場的作用下,會受到如圖所示之磁力。
以 p 型半導體為例,在y=0 的面上會有正電荷堆積,形成一感應電場。
電流 Ix 、磁場 Bz 、試片幾何形狀為已知, VH 為需量測值。
霍爾效應(續) 穩定狀態時,磁力與電力應達平衡。
0)( BvEqF
zxy BqvqE
此電場會產生一電壓,即為霍爾電壓 VH 。
WBJRWBqp
JWBvWEV zpHz
pzxyH
即為電洞的飄移速度
z
Hx WB
Vv
))(( Wdqp
I
qp
Jv xxx
故可得
又 z
Hx
WB
V
Wdep
I
))((合併可得
其中 qpRH
1
稱為霍爾係數
利用霍爾電壓求主要載子濃度
qpA
WBIV zx
H
qnd
BIV zx
H
H
zx
qAV
WBIp
H
zx
qdV
BIn
整理可得
即由已知值及測量所得之霍爾電壓便可求得電洞濃度
同理, n型半導體所量得的霍爾電壓為負值,其電子濃度亦可求。
利用霍爾電壓求遷移率
L
VE
Wdqp
I
qp
Jv H
pxpxx
dx ))((
WdqpV
LI
x
xp
又由
可得
WdqnV
LI
x
xn
同理, n 型半導體之電子遷移率(低電場下)為
載子擴散 載子會由濃度高處往濃度低處移動。
考慮單位時間單位面積通過 x = 0 平面之淨電子流
F1
F2
左邊流過來
右邊流過來
故淨電子流為
dp/dx dn/dx
擴散電流 用泰勒展開式展開 n(-l) 與 n(l) ,取前二項:
lvD thn 其中定義擴散係數 (熱速率乘以平均自由徑)
所以電子的擴散電流為dx
dnqDqFJ nn
dx
dpqDqFJ pp 同理,電洞的擴散電流為
總電流密度方程式(低電場時)
pqDnqDpqnqJ pnpn
3-D
dx
dnqDnqJ nnn
dx
dpqDpqJ ppp
pn JJJ
1-D
若在高電場作用下,公式中的 nε 及 pε 要修正成電子及電洞的飽和電流。
Einstein Relation
考慮一維情況,利用平均分配能量理論:
將此關係式代入擴散係數定義,可得:
kTvm thn 2
1
2
1
nth m
kTv 2
))(()( 2
q
m
m
kTlvvvlvD nn
nhcthththn
nn q
kTD )( Einstein 關係式
Einstein 關係式
q同理,對電洞的參數也有此關係
3.3 產生與復合過程(非平衡狀態)
熱平衡狀態下, np=ni2 。
非平衡狀態下,
非平衡狀態包括:照光,加偏壓等。非平衡狀態會朝向平衡狀態進行,所以電子電洞,會藉由產生( generation)及復合( recombination)過程恢復至平衡狀態的電子電洞濃度。
2innp
產生與復合過程(續)
同時發生的兩個過程。平衡狀態下兩者的生成率相同,故 np 可維持等於 ni
2 ;非平衡狀態下兩者的生成率不同,故 np 不等於 ni
2 。產生( generation )過程是產生新的電子電洞對。復合過程是產生過程的相反,電子電洞對會同時消失。
過多載子注入時,復合率大於產生率,使恢復平衡;反之,產生率大於復合率,使恢復平衡。
過多載子注入( carrier injection ) 半導體材料照光或 pn接面接順向偏壓時,就會使得電子
電洞濃度比平衡態時大,這些多出來的載子稱為過多載子( excess carriers )
當過多載子遠小於熱平衡主要載子時,稱為低階注入( low injection),即主要載子濃度仍不變。若非以上所述,過多載子已使主要載子濃度增加,稱為高階注入。
產生與復合過程的分類
直接復合 (direct recombination) :較易發生在直接能帶隙之半導體,例如砷化鎵。
間接復合 (in direct recombination) :較易發生在間接能帶隙之半導體,例如矽。
表面復合 (Surface recombination)歐傑復合 (Auger recombination)
3.3.1直接產生與復合 - 較易發生在直接能帶之半導體
直接產生:電子吸收熱能或光能,直接由價電帶躍升至導電帶,使得電子電洞對產生。
直接復合:電子直接由導電帶落至價電帶,消滅了電子電洞對。
熱平衡, Gth=Rth 照光時,產生率大於復合率
Gth :平衡時每秒產生的電子電洞對濃度 Rth :平衡時每秒消失的電子電洞對濃度
直接能帶隙與間接能帶隙
導電帶能量最低點和價電帶能量最高點之 p不同
導電帶能量最低點和價電帶能量最高點之 p相同
Direct Bandgap & Indirect Bandgap
直接能帶隙 :如 GaAs,電子在價電帶與導電帶中躍遷,不需要改變動量。所以光電子產生的效率高,適合作為半導體雷射或其他發光元件的材料
間接能帶隙:如 Si,電子在價電帶與導電帶中躍遷,需要遵守動量守恆。所以躍遷發生除了所需能量外,還包括與晶格的交互作用。
直接產生與復合率 復合率 R 和電子電洞濃度成正比:
npR 為比例常數
平衡時: 00 nnthth pnRG
))(( 00 ppnnpnR pnnn 非平衡時: thL GGG
過多載子濃度 pn
電洞濃度改變率: RGGRGdt
dpthL
n
光所造成之產生率
RGGRGdt
dpthL
n
考慮穩態, 可得:0dt
dpn UGRG thL
pppnpnppnnU nnnnonn )())(( 00000
U 表示淨復合率
若為低階注入, p 、 pn0<<nn0 ,故上式可簡化為
0
00 1
n
nnn
n
pppnU
p
nn
0
1令 少數載子的生
命期
p
nn ppU
0
少數載子生命期的測量
利用一照光之半導體,照光後少數載子會增加,在 t=0時將光源移去,少數載子會因復合過程而減少,直至恢復平衡狀態。
RsvL
假設為低階注入情形, /dar<<1 ,選擇適當阻值使 RSd=RL ,則可得近似
3.3.2 間接產生與復合 間接能帶隙之半導體材料
電子由價電帶躍遷至導電帶的機率較小,所以主要的產生與復合過程為間接的,即需借助能帶隙中之局部性的能態(好像踏腳石),稱為產生復合中心(recombination centers)或陷阱 (trap) 。
局部性的能態由雜質或缺陷造成,位置約在能隙的中央。
共有四種過程。
間接產生與復合過程— Shockley-Read-Hall 復合理論電子捕捉:傳導帶中之電子被一原為中性的空陷阱捕獲
電子發射:電子捕獲的逆過程。電洞捕捉:陷阱中的電子落至價電帶中,好似價電帶的電洞被移至陷阱
電洞發射:電洞捕捉的逆過程。
間接產生與復合率 (見附錄 I)
電子捕捉速率 Ra與電子濃度陷阱濃度及 1-F(E) 成正比。
所以設
電子發射速率 Rb與陷阱濃度及 F(E) 成正比。 所以設
)1( FnNvR tntha
捕獲截面積,表示陷阱捕獲電子的效率
陷阱為空的機率
FNeR tnb 比例常數 en 為放射機率
熱平衡時 Ra = Rb ,故 )1( FnNv tnth FNe tn=
代入 n與費米機率的公式 kTEEinthn
itenve /)(
間接產生與復合率(續)kTEE
inthnitenve /)(
FpNvR tpthc
表示若陷阱靠近 Ec, en 越大
同理,
)1( FNeR tpd
電洞捕捉速率
電洞發射速率
陷阱要填滿
陷阱要空
均勻照光下
設產生率為 GL,穩態時
0 baLn RRG
dt
dn0 dcL
n RRGdt
dp
dcbaL RRRRG
Ra-Rb=
可得
消去 F ,可解得
(48)
復合速率為:
假設電子電洞的捕獲截面相同為,可得
再考慮低階注入,復合速率可為
為復合生命期
可看出少數載子的生命期與 Nt 成正比,也與陷阱能階的位置有關,可適當調整來獲得所需的生命期。
(49)
(50)和直接復合的公式一樣
3.3.3 表面復合
懸鍵:可形成復合中心
在晶體表面,理想單晶的週期性結構被終止,會在能隙中形成局部的能態或是產生 - 復合中心,稱為表面態階
在表面過多載子的生命期較小,所以在表面的復合速率會較大,故表面的過量少數載子濃度會比較低。
表面復合率
考慮低階注入:單位時間單位面積復合的總數目為
stpthlr NvS 故令 稱為低階表面復合速率
)( 0nsstpths ppNvU
單位正好為速度的單位
Nst 為單位面積的復合中心密度ps 為表面電洞濃度
3.3.4 歐傑復合( Auger recombination )
電子電洞對復合所釋放的能量轉移至第三個電子或電洞。
常發生於高濃度摻雜半導體或是高階注入的情形下。
歐傑復合率和載子濃度成正比:
pBnRAug2
2BnpRAug 或
……能量轉移給第三個電子
……能量轉移給第三個電洞
3.4 連續方程式連續方程式:將電場效應、擴散效應及復合與產生過程等三種傳輸現象整合在一起的方程式。代入適當邊界條件即可解得少數載子的函數。
考慮如右圖之半導體,在dx 的範圍內電子的變化率和流進的電流 Jn(x) 、流出的電流 Jn(x+dx) 以及其中的產生與復合率有關。
故電子數的變化率為
連續方程式(續)
將上式之 Jn(x+dx) 用泰勒展開式表示,並消去 Adx :
dx
dnqDnqJ nnn 可得 其中
……稱為連續方程式
P型半導體中的電子
dxx
JxJdxxJ n
nn )(
連續方程式(續)
此外仍須滿足 Poisson’s 方程式:
同理,在 n型半導體中的電洞的行為為
電場 半導體的空間電荷濃度
半導體的介電係數
常見之連續方程式的簡化
3.4.1 單邊穩態注入 A: ,電場為零,無限長
此情形下之連續方程式可簡化為:
邊界條件為 pn(x=0)=pn(0)
pn(xB B∞)=pn0
0t
pn
(常數)
解此偏為分方程式之邊界條件問題可得
其中令ppp LD 稱為擴散長度
N 型半導體
B: ,電場為零,長為 W)0t
pn
若改成邊界條件為 pn(x=0)=pn(0) pn(xB B=w)=pn0
解此偏為分方程式之邊界條件問題可得
求在 x=w 處之電流為
3.4.2 表面的少數載子假設表面照光,則由內部往表面流動之電洞電流密度為 qUs 。又已知表面因表面復合,表面處的電洞濃度會減少,故此處的濃度梯度應等於前述之電洞電流密度,即可得邊界條件如下:
Lpnn Gpxp 0)(
穩態時之連續方程式為
帶入邊界條件解之可得當 Slr0 時
Slr∞ 時,
Lpnn Gpxp 0)(
)1()( 0pL
x
Lpnn eGpxp
3.4.3 海尼斯 -蕭克利實驗 一個可以測量及 D 的著名實驗。 裝置如右圖, V1提供半導體穩定
的電場,接點 1 的脈波提供過多載子,經電場作用飄移至接點 2可測得此過量載子所產生的輸出電壓 V2。
經過一個脈波後,連續方程式中的 Gp= 0 及 ∂ ε/∂x = 0 (電場為定值),故連續方程式為:
p
nnnp
np
n pp
x
pD
x
p
t
p
0
2
2
海尼斯 -蕭克利實驗(續)
在無電場情形下連續方程式的解為: 0
2
)4
exp(4
),( nppp
n pt
tD
x
tD
Ntxp
單位時間產生的電子電洞數
無外加電場 (V1=0) 時,隨時間增加可看到載子擴散。
V1 不等於零時,除了載子擴散,還會飄移。
在有外加電場情形下,連續方程式的解為:將無電場解中的 x 以 x - pε 取代
海尼斯 -蕭克利實驗(續)
0
2
]4
)(exp[
4),( n
pp
p
p
n pt
tD
tx
tD
Ntxp
0tL p量測在峰值在接點2 (x = L) 出現的時間 t0 ,可得
0t
Lp
擴散係數可由左圖求得:找出輸出電壓 V 的值使得
14
)( 2
tD
tL
p
p 求出的 t 的兩個解 t1 及 t2 ,設 t2 - t1 = t
0
22
16
)()(
t
tD p
p
整理可得
少數載子生命期的估算
3.5 熱離子發射過程(Thermionic emission process)
半導體表面的載子若有足夠大的能量,可以直接躍升到真空能階,稱為熱離子發射。
電子親和力 功函數
3.6 穿隧過程( Tunneling process ) 若兩個半導體靠的很近,能階
圖(右圖)中之位障( potential barrier )寬度就很小。左邊半導體中的電子雖然能量小於位障,但仍能穿透至右邊,稱為穿隧現象。
可以解三區(左、位障區、右)之薛丁格方程式(下式),求出電子的行為( (x) ),以求出穿透率。
0)())((2)(
22
2
xxqVEm
dx
xd
電子能量 位障
I II III
穿隧過程(續)
0)()(2)(
022
2
xqVEm
dx
xd
0)(2)(
22
2
xEm
dx
xd
0)()(2)(
22
2
xEm
dx
xd
第 I 區
第 II 區
第 III 區
X ≤ 0
X ≥ d
0 ≤ x ≤d
ikxCex )(xx FeEex )(
ikxikx BeAex )(I
II
III
解為
20
2
/)(2
/2
EqVm
Emk
n
n
穿隧過程(續)代入邊界條件:在 x = o 及 x = d 處要連續以及 d/dx = 0 ,可解得係數關係。
定義穿透率為
當 d>>1 時,穿透率會變得非常小,變為
小的 d ,小的位障 qV0 以及小的電子有效質量可得到較大的穿透率。
3.7 高電場效應 低電場時, vd和電場成正比(因假設平均自由時間與電
場無關) 何謂低電場?當 vd < vth (107cm/s for Si) 時。 當 vd 接近 vth, vd和電場就不成比例。
當電場很大時,飄移速度會達飽和
vs 為飽和速度 (107cm/s for Si)ε 0 為常數 (7×103V/cm for electrons; 2×104V/cm for holes)
高電場效應(續)以矽而言,電場越大,電子和電洞的飄移速度都會達飽和。
以砷化鎵而言,電場越大,電洞的飄移速度會達飽和,但是電子的飄移速度為先上升後下降。
砷化鎵的電子飄移速度 因為砷化鎵的能帶圖中,導電帶的部分有兩個極小值。較
低能谷電子的有效質量為 0.067m0 而較高能谷為 0.55mo 。
電場小時( ε<ε a) ,電子存在較低能谷,有效質量較小,故遷移率較大。電場大時( ε<ε a) ,電子能量增加,部分可散射進入較高能谷,但有較小的遷移率。
ε >ε b
電場越大,散射至高能谷的電子數越多
兩種不同電子質量對整體遷移率的影響
設在低能谷的電子數為 n1,在高能谷的電子數為 n
2:
討論:
其中平均遷移率為
故飄移速度為
兩種不同電子質量對整體遷移率的影響(續)討論:
設 1εa>2εb
所繪之圖如左
會有一段遷移率為負之區域
衝擊游離( Impact ionization ) 在高電場作用下,電子具有很大的動能,在與晶格碰撞時,大量的動能會損失給晶格,晶格所獲得之大能量足以破壞鍵結,也就是說可以使價電帶的電子游離至導電帶產生新的電子電洞對。此電子電洞對受電場加速也會具有高動能,再繼續與晶格碰撞。如此連鎖循環下去,會有大量的電子電洞對被游離出來就稱為衝擊游離(又稱雪崩效應)。
衝擊游離( Impact ionization )(續) 考慮電子 1 撞擊晶格所釋放能量產生電子電洞對 2 與 2’ ,
此過程要遵守動量守恆以及動能守恆,假設電子 1 與電子電洞對 2 及 2’ 的有效質量相同,且作用後三載子的動能與動量相同:
21
21 2
13
2
1fgs vmEvm
fs vmvm 11 3
原電子 1 的動能提供價電帶電子 2躍升至導電帶,並提供所產生的的電子電洞對動能。
gs EvmE 5.12
1 210
vs 為飽和速度, vf 為末速度。
表示電子動能必須相當大於能隙才能夠產生雪崩效應。實際上對矽而言,電子需 3.6eV (3.2Eg) ,電洞需 5.0eV (4.4Eg)
游離率 電子游離率 n是指電子走過單位
程度的距離所產生的電子電洞對數;電洞游離率 p是指電洞走過單位程度的距離所產生的電子電洞對數。
n與 p受到電場強烈的影響。以要達到 104cm-1 這樣大的游離率來說,矽所受的電場要加到大於3×105V/cm ;砷化稼所受的電場要加到大於 4×105V/cm 。
電子電洞對產生率 GA為: