半导体传导过程中的散射!

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 楼主| xukun977 发表于 2020-3-22 10:40 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 xukun977 于 2020-3-22 10:52 编辑


半导体上不施加任何外力(无光照、无电场、无磁场。。。),虽然半导体中有较大的各个电流,但是在整个群中做平均后,各个电流就会相互抵消,所以没有净电流。
那么为何会相互抵消呢?其机理就是本贴主题--散射!


如果靠“经验”来猜测半导体中载流子的行为,结果可能是经常失手!也就是说经验不可靠。

例如此时半导体上施加不太的电场,那么载流子将如何运动?如果此时用牛二定律F=ma,认为载流子会稳定的加速,那就错了。
此时的环境,非常类似于黏性摩擦,速度越大,摩擦力越大,所以对于较轻的载流子,可以认为是直接在外力的作用下,产生【漂移速度】,而非稳定的加速!
(在物理学上叫终端速度,类似于自由沉降。)
 楼主| xukun977 发表于 2020-3-22 11:05 | 显示全部楼层

第一个散射机理:声子散射。


声子散射影响高温下的迁移率,如下图所示,声子散射与温度T成反比,而杂质散射与T成正比。
所以在高温下,晶格振荡起主要作用。

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声子是什么意思?
因为大多数材料中,声速是200m/s,而晶格中驻波波长大约是120埃,这和声子波长接近同一个量级,于是这种波,美其名曰声波,根据波粒二象性,如果把波视作粒子,就叫声子!




 楼主| xukun977 发表于 2020-3-22 20:43 | 显示全部楼层


这里要注意概念的适用范围。
例如温度,温度是大量分子热运动的集体表现,具有统计意义!!对个别分子而言,温度是没有意义的。

同样道理,电流是大量电荷运动结果,对于某个电荷的运动,谈电流分量,是没有意义的。

也就是说,温度和电流等概念,只具有宏观意义。

所以讨论金属时,单位体积内的传导电子数n是非常大的,而且在较宽的温度范围内,与温度无关。
而金属中的迁移率,近似是反比于温度T的,原因为:①震动原子的平均势能正比于kT,所以它是以球的形式扩散而出的,球的有效截面积正比于T;②电子移动单位距离过程中的碰撞数,正比于上面①中的截面积!所以两次碰撞之间的平均自由程正比于1/T;③上面说了,自由电子的动能与温度无关!




上面的文字是把专业书籍《固体物理》中的概念,由复杂变的简单化,便于非物理专业的学习。
电工一般没时间,也没必要研究这些东西,了解即可。
感兴趣的可参考固体物理。



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 楼主| xukun977 发表于 2020-3-22 20:52 | 显示全部楼层


半导体中的五种散射机理:

①传导电子和晶格原子的热散射或晶体散射;
②晶体中带电掺杂原子,例如离子化施主或受主;
③电中性掺杂原子,也会导致散射;
④电子和空穴相互经过时可能会导致散射;
⑤电子之间相互经过时,也可能会导致散射。


其中第⑤点,对于同种类型的载流子碰面时引起的散射,一般是不用考虑的,因为电流正比于整个载流子群的动量,而总动量是守恒的!!!所以对于这种散射过程,净效应对电流的影响是0

 楼主| xukun977 发表于 2020-3-23 20:51 | 显示全部楼层
本帖最后由 xukun977 于 2020-3-23 22:01 编辑

很多教科书上的迁移率推导,貌似是有有问题的,起码是不正规的。

例如某书上直接说:


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强调:虽然结果(迁移率的表达式)是对的,但过程是错的!!!


首先,我们上面强调过了,迁移率研究的是统计意义上的单位电场下的平均速度,只研究一个粒子是不对的!!好比说某个分子的温度是27℃,这是毫无意义的。




应该研究n个粒子群,这个n数要足够大,大到所有的随机效应都被抵消掉;同时粒子数n要足够小,小到允许整个群中的粒子能量在E和E+dE之间,这里的dE允许非常小。

所以说这里有个前提条件,就是这群粒子的能量近似相等,之所以如此,是因为施加弱的作用力F时,尽管粒子的能量增量和速度增量非常小,但是由于粒子数目多,热能和速度变化较大,于是粒子和晶格原子之间的碰撞程度和频率大不同,所以要对整个群中的粒子就行分类,总动能相同的 分在一组,然后分别求解响应,最后相加。

所以严格意义上的推导应该是:

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每个粒子上受力为F,n个粒子上受力nF,总质量m*n,a是系数,aV表示正比于速度的阻力!

根据上式可得:

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上式中a/m具有弛豫时间的意义,叫做平均自由时间!这里又有一个重要的假设:默认所有能量群下的粒子,所有的电子弛豫时间都是相同的!!!这种情况是所有情形中最简单的!!!




 楼主| xukun977 发表于 2020-3-24 13:32 | 显示全部楼层


学习器件原理的原因:

要想应用器件,有两种途径:一种是直接测量器件的端口特征,而把器件视作黑匣子,不再关心内部结构和特性。
这种方法的特点是对于特定情况下(如温度、工作点等)的特征曲线的获取,特别容易,很多仪器基本上实现自动化测量了。
缺点是特定情况一变,必须再次重复测量,才能知道新条件下的特征曲线。
所以这种方法的特点是似快实慢!

另一种方法是:知道器件的电气特征和物理特性之间的关系,据此就可以断定新条件下的物理量是如何变化的,而根本无需反复测量,相比较于上一种方法,这种方法的特点是似慢实快,几乎是一劳永逸。


正是因为这个原因,几乎所有的模电教科书都是从器件模型开始讲起的。
这种方法的根本思想是通过学习一种器件的工作原理,进而可以非常容易地理解其它器件的工作原理!正所谓举一反三!!!
这是本科教育和职业教育的区别,一个是学习原理,一个是学习某项技能。


不过非常遗憾的是:即便是本科教育,受应试教育的影响,基本上也是在背诵结论,更值钱的概念理解,反而是跳过去了。
这可能是所谓的买椟还珠吧!



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 楼主| xukun977 发表于 2020-3-25 10:55 | 显示全部楼层
本帖最后由 xukun977 于 2020-3-25 11:14 编辑

不要死记硬背结论,除非专门用来对付考试,否则学习效果非常差。

如果只想**结论,那么这个楼层的帖子,你只需花1分钟**个质量作用定律:n0*p0=ni^2,就可以撤了。

研究半导体的特性,必须研究其电导率,而电导率不单与上面说的迁移率有关,还与载流子的浓度有关,而且这个浓度是动态过程平衡的平均结果。

一)对于本征晶体
本征导体中的的电子空穴对产生的速率,取决于半导体材料和环境的热活性,热活性以晶格的热震动形式表现出来,或者以热辐射能的形式表现,这些都是温度T的特征。

所以关键点是要理解:在给定材料的本征导体中,产生率G只取决于温度T,并表示成G(T),以示强调!!!!!!!!



二)对于低掺杂浓度的半导体

这里要重点理解,对于低掺杂等级,离子化施主或受主浓度远低于晶体原子的浓度,根据产生率的特点,掺杂一没改变多少待断裂的价键浓度,二没改变环境温度,所以低掺杂半导体中的产生率,和本征半导体几乎是相同的!

而对于复合率,要想复合,首先电子和空穴要碰面,所以取决于电子和空穴浓度n0和p0,其次复合要释放一些电离能以再次进入断裂的价键,所以复合率是电子浓度n0、空穴浓度p0和温度T的函数,表示成R(n0,P0,T)!!

固定温度T不变,对上面的R作泰勒展开式:

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根据产生率的物理意义,不可能只有一种载流子存在就能复合,复合必须同时有电子和空穴,所以上式中的系数a1、a2和a3必然是0!
又因为载流子浓度较小,所以只取第一项a4,就是良好的近似。


根据上面的理解,复合率R=a4 *n0*P0



再根据热平衡状态下的产生率=复合率,可得:



664495e7aca68311a2.png



如果用某些同志的说法,想编辑个【精美】公式,就是:

118845e7acad7cd98b.png

有点慢,而手写更快!所以凑合一下吧。


上式对于一般情况是满足的,对于本征半导体,当然是更满足了。
此时根据上面的分析一)可知,n0=p0,用ni表示本征半导体中传导电子或空穴的浓度,那么n0=p0=ni




据此可得质量作用定律:


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 楼主| xukun977 发表于 2020-3-27 20:21 | 显示全部楼层
本帖最后由 xukun977 于 2020-3-27 20:55 编辑

下面推导带电杂质引起的散射,给出著名的卢瑟福散射公式!


有一电子,带有负电荷-q,离子化施主为+q,电子入射速度为v0,距离+q的垂直距离为b:


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当电子入射速度非常慢时,电子有个指向+q的加速度,大小反比于和施主之间的距离的平方!偏转角度达到最大,如上图所示,最终轨迹渐进线距离+q也是b。


对于更慢的电子,其轨迹的偏转角度是多少?


647585e7df02f24095.png



首先建立坐标,坐标原点位于+q施主处,分别建立x-y平面和极坐标r/_θ



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根据牛顿定律和洛伦兹力方程,有:

878265e7df17e4ecdf.png

式中的u为单位矢量,上面有个箭头。

对x分量使用牛顿定律:


390895e7df26b313f3.png



上式中,已由直角坐标转换为极坐标。



因为x,y轴的选择是任意的,所以上面方程必须与这个选择无关!!!!!
要想满足这个要求,必然有:


517315e7df38f77fa2.png




即一个方程,转换成两个方程了,用模拟版块某些人的话说,可以把"鬼画符"变成“”精美公式“:



169175e7df49b849ee.png


654065e7df5135d0d1.png


(编辑公式没问题,就是有点耗费时间)


下面来看上面两个方程是什么意思。


对于第一个方程,可等价表示成:


850555e7df5ef94649.png


注意括号中项,物理学中定义为角动量!!!

角动量的导数为零,意思是角动量要守恒!!!!!!!


既然角动量要守恒,那么电子的初始角动量是多少?


693135e7df6eb3ee5e.png





把这个初始角动量代入第二个方程,可得:




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 楼主| xukun977 发表于 2020-3-27 21:00 | 显示全部楼层
本帖最后由 xukun977 于 2020-3-27 21:18 编辑

上面方程中有1/r,比较讨厌,代替它。令w=1/r,并根据初始角动量表达式,把独立变量换成θ,得:


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上面微分方程的解,普通高等数学教课书就有,其中最方便的形式为:

142845e7df95bc011f.png


式中的A和Φ由初始条件确定。初始条件是最初电子位于r=-∞,Φ=Π,电子初始速度为v0,根据这些边界条件可得:


381485e7dfa3601484.png


把上面两个式子代入w的表达式,得最终解为:


306685e7dfb11b6e52.png


一般性表达式得到了,求特殊情形就易如反掌了。

回到最初问题,这个角度是多少?

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这个问题相当于问当r=∞,即w=0时的θ为多少?求得:



263645e7dfbe63d9b0.png


上面这个方程,就是著名的卢瑟福散射公式!注意到初始速度越慢,偏转角越大,也就是说粒子越墨迹,散射越厉害!!!!!!!!!!!!!!




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