载流子瞬态输运过程.pptx
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1、 在电场E的作用下:导带电子受到的电场力为在F的作用下:导带电子获得的加速度为过冲原因分析:因散射等引起的速度变化为载流子的运动方程 把电子由于附加势的作用而引起的状态改变称为受缺陷、杂质和晶格振动的散射。第1页/共46页 解微分方程得结论:1.场强一定,时间与速度成正比 2.时间一定,定态漂移速度,随电场的增高而增大.3.与定态速度在强电场时将趋于一共同的饱和值矛盾第2页/共46页 经过足够长时间 t,达到稳态以后,电子的速度达到最大值:电子在单位电场作用下的定向运动速度,电子迁移率为第3页/共46页 弛豫时间:例:在强电场下,当漂移速度达到时,电子“温度”升高而成为热电子,电子与格波的散射
2、频繁,使驰豫时间减短.第4页/共46页 设为指数衰减,即,于是有当t m时,vd趋于定态值,(与E无关)第5页/共46页 产生速度过冲这种瞬态效应的实质,可以认为是由于在强电场下电子的动量驰豫时间m很短所造成的。因为m很短即意味着当电子进入高电场区时其波矢将立刻增大,亦立刻获得定向的漂移速度;这时若电子的能量升高较慢(即能量弛豫时间E较长),尚来不及被“加热”,则电子的平均热运动速度仍将停留在与晶格温度相适应的较低数值上从而电子的平均自由时间较长迁移卒较高,漂移速度Vd很高,可以超过定态值,即速度过冲。所以,发生速度过冲的条件应当是:(1)电场很强;(2)m E 半导体中载流子的动量弛豫时间一
3、般不同于能量弛豫时间这是由于在同一温度下,动量弛豫和能量弛豫可以通过不同的散射机构来进行,例如对高掺杂半导体。在较低温度下,动量弛豫主要是通过电离杂质散射进行,但能量弛豫只能通过各种声子散射进行。又如在声学声子散射决定动量弛豫的温度范围内光学声子散射却可以决定着能量弛豫过程,因为光学声子有较大的能量,在能量弛豫中较为有效。第6页/共46页 可以说,速度过冲效应是动量很大、而能量(或电于温度)较低的非热电子在强电场作用下的种瞬态输运过程中的现象。在半导体器件中电了从低电场区进入高电场区的开始瞬间,也会有这种瞬态现象。不仅电子从低电场区进入高电场区时有一瞬态过程而且当电子从高电场区进入低电场区时也
4、同样存在有一瞬态过程速度下冲效应即漂移速度低于相应定态值的现象。第7页/共46页 二、速度过冲效应在器件中的影响蒙特卡罗算法得到的速度过冲效应曲线1.GaAs要经过1PS秒左右,电子速度才稳定到与电场相应的定态值.2.GaAs电子速度可以过冲到其定态稳定值数倍以上.3.Si过冲的速度和达到定态值前所经历的时间小得多。第8页/共46页 1.GaAs要漂移过0.5m左右,电子速度才稳定到与电场相应的定态值.2.GaAs电子速度可以过冲到其定态稳定值数倍以上.3.Si过冲的速度和达到定态值前所漂移过的距离小得多。第9页/共46页 1.亚微米尺寸的GaAs和InP器件中,速度过冲效应是明显的.2.对S
5、i器件,尺寸小至0.1m也几乎不出现速度过冲效应.速度过冲与器件的几何尺寸有关图为不同材料的小尺寸器件第10页/共46页 栅极下有明显的速度过冲效应.GaAs-MESFET沟道中电子速度的分布第11页/共46页 降低工作温度和掺杂浓度,将有利于提高过冲速度.速度过冲与工作温度和材料的掺杂浓度有关第12页/共46页 三、关于计算方法的说明半导体中载流子的输运性质一般可用Bolzmann输运方程来描述Bolzmann输运方程三个假设:1.可以采用有效质量和能带模型;2.碰撞过程在空间和时间上都是短暂瞬时的3.散射与电场无关第13页/共46页 Bolzmann输运方程求解方法近似解析法数值计算法微分
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