半导体漂移与电场强度的关系分析

漂移

现在让我们考虑一段没有外加电场的半导体，空穴和电子在所有方向上都有随机的“热”运动。然而，平均地看来，这些电荷的随机运动互相抵消，因此不会产生净电流。如果加上电场（例如把这段半导体的两端连上一个电池），则该电场将施加作用力于带电粒子。于是沿着场强线方向将有一个净运动，这种定向运动在宏观上被观察为电流。这一现象称为漂移；如果粒子未带电，那么漂移是不会发生的。

在漂移过程中，电子和空穴的运动是很复杂的，因为电子和空穴沿着相反的方向加速，它们和热运动的晶格原子以及电离了的杂质原子碰撞，从而失去部分能量，然后又加速，等等。由于上述原因，又因为靠这些载流子输送的电荷量是离散的，所以在外部观察到的电流中存在着微小的“噪声”涨落。目前我们将忽略这种涨落，而把注意力集中在平均电流I上，这个I值不会等于零，因为非零电场引起了载流子的漂移运动。这一电流值可根据载流子的平均速度来计算，这一平均速度称为漂移速度，用υ_d表示，在本书中，υ_d的单位是μm/ns。对于给定的电场，υ_d决定于半导体的种类、掺杂的类型和浓度、温度以及载流子的类型^［1］。对于硅来说，源移速度值决定于电场的值，定性地如图1.4所示。在强电场情况下，载流子与晶格碰撞而损失能量变得更有影响了，随着电场增强，最终将达到速度饱和，如图1.4所示。速度的最大值实质上与掺杂浓度无关，对硅来说，在室温下电子和空穴的最大速度为100μm/ns数量级。达到饱和时的电场强度，粗略地说，对电子为3V/μm，对空穴为图1.4温你速度与电场强度的关系10V/μm。

现在我们来考虑一条均匀掺杂的n型半导体棒，它的三维尺寸分别为a，b，c，它的两端加有电压V，如图1.5所示。在下面的讨论中，我们将忽略空穴运动对电流的贡献，因为在这里空穴是少数载流子，比电子要少得多。电子在复杂地运动，具有上述的平均速度υ_d。我们可以用一种较简单的假想情况来计算所造成的电流，即认为所有电子的速度都是常数且等于υ_d。一个电子越过半导体棒的长度a所需的时间为