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载流子迁移率

物理学专业术语

电子迁移率（英语：electron mobility）是固体物理学中用于描述金属或半导体内部电子，在电场作用下移动快慢程度的物理量。在半导体中，另一个类似的物理量称为空穴迁移率（hole mobility）。人们常用载流子迁移率（carrier mobility）来指代半导体内部电子和空穴整体的运动快慢。

概念
电子运动速度等于迁移率乘以电场强度 ，也就是说相同的电场强度下，载流子迁移率越大，运动得越快；迁移率小，运动得慢。同一种半导体材料中，载流子类型不同，迁移率不同，一般是电子的迁移率高于空穴。如室温下，低掺杂硅材料中，电子的迁移率为1350cm2V-1s-1，而空穴的迁移率仅为480cm2V-1s-1。
迁移率主要影响到晶体管的两个性能：
一是和载流子浓度一起决定半导体材料的电导率（电阻率的倒数）的大小。迁移率越大，电阻率越小，通过相同电流时，功耗越小，电流承载能力越大。由于电子的迁移率一般高于空穴的迁移率，因此，功率型MOSFET通常总是采用电子作为载流子的n沟道结构，而不采用空穴作为载流子的p沟道结构。
二是影响器件的工作频率。双极晶体管频率响应特性最主要的限制是少数载流子渡越基区的时间。迁移率越大，需要的渡越时间越短，晶体管的截止频率与基区材料的载流子迁移率成正比，因此提高载流子迁移率，可以降低功耗，提高器件的电流承载能力，同时，提高晶体管的开关转换速度。
一般来说P型半导体的迁移率是N型半导体的1/3到1/2.。
迁移率的相关概念
迁移率是衡量半导体导电性能的重要参数，它决定半导体材料的电导率，影响器件的工作速度。对于载流子迁移率已有诸多文章对载流子迁移率的重要性进行了研究。迁移率的相关概念在半导体材料中，由某种原因产生的载流子处于无规则的热运动，当外加电压时，导体内部的载流子受到电场力作用，做定向运动形成电流，即漂移电流，定向运动的速度成为漂移速度，方向由载流子类型决定。在电场下，载流子的平均漂移速度v 与电场强度E 成正比为：
式中 为载流子的漂移迁移率，简称迁移率，表示单位电场下载流子的平均漂移速度，单位是m2V-1s-1或cm2V-1s-1。
迁移率是反映半导体中载流子导电能力的重要参数，同样的掺杂浓度，载流子的迁移率越大，半导体材料的导电率越高。迁移率的大小不仅关系着导电能力的强弱，而且还直接决定着载流子运动的快慢。它对半导体器件的工作速度有直接的影响。
电导率和迁移率之间的关系为 。也就是在一定的电子浓度n 和电荷量的情况下，电子迁移率和电导率是正相关的。
在恒定电场的作用下，载流子的平均漂移速度只能取一定的数值，这意味着半导体中的载流子并不是不受任何阻力，不断被加速的。事实上，载流子在其热运动的过程中，不断地与晶格、杂质、缺陷等发生碰撞，无规则的改变其运动方向，即发生了散射。无机晶体不是理想晶体，而有机半导体本质上既是非晶态，所以存在着晶格散射、电离杂质散射等，因此载流子迁移率只能有一定的数值。
测量方法
渡越时间法
渡越时间(TOP)法适用于具有较好的光生载流子功能的材料的载流子迁移率的测量，可以测量有机材料的低迁移率。
在样品上加适当直流电压，选侧适当脉冲宽度的脉冲光，通过透明电极激励样品产生薄层的电子一空穴对。空穴被拉到负电极方向，作薄层运动。设薄层状况不变，则运动速度为μE。如假定样品中只有有限的陷阱，且陷阱密度均匀，则电量损失与载流子寿命τ有关，此时下电极上将因载流子运动形成感应电流，且随时间增加。在t时刻有： 。
若式中L为样品厚度电场足够强， ，且渡越时间 。则，
。
在 时刻，电压将产生明显变化，由实验可测得，又有
式中L、V和 皆为实验可测量的物理量，因此值可求。
霍尔效应法
霍尔效应法主要适用于较大的无机半导体载流子迁移率的测量。
将一块通有电流I的半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，则在垂直于电流和磁场的薄片两端产生一个正比于电流和磁感应强度的电势U，这称为霍尔效应。由于空穴、电子电荷符号相反，霍尔效应可直接区分载流子的导电类型，测量到的电场可以表示为
式中R为霍尔系数，由霍尔效应可以计算得出电流密度、电场垂直漂移速度分量等，以求的R，进而确定。
电压衰减法
通过监控电晕充电试样的表面电压衰减来测量载流子的迁移率。充电试样存积的电荷从顶面向接地的底电极泄漏，最初向下流动的电荷具有良好的前沿，可以确定通过厚度为L的样品的时间，进而可确定材料的值。
辐射诱发导电率法
辐射诱发导电率(SIC)法适合于导电机理为空间电荷限制导电性材料。
在此方法中，研究样品上面一半经受连续的电子束激发辐照，产生稳态SIC，下面一半材料起着注入接触作用。然后再把此空间电荷限制电流(SCLC)流向下方电极。根据理论分析SCLC电导电流与迁移率的关系为
测量电子束电流、辐照能量和施加电压函数的信号电流，即可推算出值。
表面波传输法
将被测量的半导体薄膜放在有压电晶体产生的场表面波场范围内，则与场表面波相联系的电场耦合到半导体薄膜中并且驱动载流子沿着声表面波传输方向移动，设置在样品上两个分开的电极检测到声一电流或电压，表达式为
式中P为声功率，L为待测样品两极间距离，为表面声波速。有此式便可推出值。
外加电场极性反转法
在极性完全封闭时加外电场，离子将在电极附近聚集呈薄板状，引起空间电荷效应。当将外电场极性反转时，载流子将以板状向另一电极迁移。由于加在载流子薄层前、后沿的电场影响，因而在极性反转后t时间时，电流达到最大值。t相当于载流子薄层在样品中行走的时间，结合样品的厚度、电场等情况，即可确定值。
电流一电压特性法
本方法主要适用于工作于常温下的MOSFET反型层载流子迁移率的测量。
对于一般的MOSFET工作于高温时，漏源电流Ids等于沟道电流Ich与泄漏电流Ir两者之和，但当其工作于常温时，泄漏电流Ir急剧减小，近似为零，使得漏源电流Ids即为沟道电流Ich。因此，对于一般的MOSFET反型层载流子迁移率，可以根据测量线性区I—V特性求的。
总结
综上共指出了7种载流子迁移率的测量方法，除此之外，还可采用漂移实验、分析离子扩散、分析热释电流极化电荷瞬态响应等方法进行载流子迁移率的测量。
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