半導(dǎo)體中電子的運動

半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的傳導(dǎo)電子并不與任何特殊晶格或施主位置結(jié)合，因此基本上它們是屬于自由粒子。在熱平衡下，一個傳導(dǎo)電子存在熱運動(速度vth)。在室溫下，硅及砷化鎵中的電子熱運動速度約為10E7cm/s。

半導(dǎo)體中的電子會在所有的方向作快速移動，如下圖所示。

當(dāng)一個小電場E施加于半導(dǎo)體樣品上時，每一個電子會從電場上受到一個qE的作用力，碰撞時，沿電場的反方向加速。因此，一個額外的速度成分將再加到熱運動的電子上，此額外速度成分稱為漂移速度(drift velocity)。

一個電子由于隨機熱運動及漂移成分兩者所造成的位移如下圖所示。

需要注意的是，電子的凈位移與施加的電場方向相反（因為電子帶負(fù)電荷）。

這種在外電場作用下載流子的定向運動稱為漂移運動。

下圖(a)為一n型半導(dǎo)體及其在熱平衡狀態(tài)下的能帶圖。圖(b)為一電壓施加在右端時所對應(yīng)的能帶圖。

假設(shè)左端及右端的接觸面均為歐姆接觸，在外加電場的影響下，載流子的運輸會產(chǎn)生電流，稱為漂移電流(drift current)。

(7)霍耳效應(yīng)

在一個半導(dǎo)體中，載流子的濃度可能不同于雜質(zhì)的濃度，因為電離的雜質(zhì)濃度與溫度以及雜質(zhì)能級有關(guān)。而直接測量載流子濃度的方法為霍耳效應(yīng)。霍耳測量也是能夠展現(xiàn)出空穴以帶電載流子方式存在的最令人信服的方法之一，因為測量本身即可直接判別出載流子的型態(tài)。

測量方法：考慮對一個p型半導(dǎo)體樣品施加沿x軸方向的電場及沿z軸方向的磁場，如圖所示。

由于磁場作用產(chǎn)生的洛倫茲力qv×B(=qvxBz)將會對在x軸方向流動的空穴施以一個向上的力，這將造成空穴在樣品上方堆積，并因而產(chǎn)生一個向下的電場Ey 。

一旦電場Ey變得與vxBz相等，空穴在x軸方向漂移時就不會受到一個沿y軸方向的凈力。此電場的建立即為霍耳效應(yīng)。上式中的電場稱之為霍耳電場，兩端電壓VH=EyW稱為霍耳電壓。

(8)雪崩過程 (avalanche process)：

當(dāng)半導(dǎo)體中的電場增加到超過某一定值時，載流子將得到足夠的動能來通過雪崩過程產(chǎn)生電子–空穴對，如下圖所示。

考慮一個在導(dǎo)帶中的電子1，假設(shè)電場足夠高，此電子可在晶格碰撞之前獲得動能。當(dāng)與晶格碰撞時，電子消耗大部分動能使化學(xué)鍵斷裂，也就是將一個價電子從價帶電離至導(dǎo)帶，因而產(chǎn)生一個電子–空穴對2與2′。產(chǎn)生的電子–空穴對在電場中開始被加速并與晶格發(fā)生碰撞，它們將產(chǎn)生其他電子–空穴對，如3與3′和4與4′，依此類推，這個過程稱為雪崩過程，亦稱碰撞電離(impact ionization)過程，它將導(dǎo)致p–n結(jié)的結(jié)擊穿(junction breakdown)。

結(jié)擊穿后，半導(dǎo)體導(dǎo)電性將發(fā)生改變，不再具有半導(dǎo)體相關(guān)特性，器件失效。

關(guān)于半導(dǎo)體的知識這一節(jié)先介紹這么多，更多的知識會在后面的章節(jié)中進一步講解！