半导体中电流的产生主要是由两种机制进行驱动:漂移和扩散。这些过程对于半导体器件的功能和性能来说是至关重要的。
漂移电流:
电荷载体的漂移是由外部电场(E)进行启动的。电子和空穴等带电粒子在与晶格原子发生碰撞时会产生加速度。电子的漂移速度(v_d)可以由以下公式计算得出:
其中 μ_e 是电子迁移率,E 是电场强度。
由电子(J_n)和空穴(J_p)的漂移所产生的电流密度(J)可以表示为:
其中 q 是基本电荷,n 和 p 分别是电子和空穴的浓度,μ_n 和 μ_p 是电子和空穴的迁移率。 总漂移电流密度(J_total)是电子和空穴的电流密度之和:
电导率(σ)是每种载流子的电荷密度和迁移率的乘积之和:
扩散电流:
扩散是由于载流子从高浓度区域向低浓度区域发生移动时的热运动所产生的。其中的电流密度(J_diffusion)为:
D_n 和 D_p 分别是电子和空穴的扩散系数,dn/dx 和 dp/dx 是电子和空穴的浓度梯度。
爱因斯坦关系能够将电子和空穴的迁移率与扩散系数联系起来:
其中,k 为玻尔兹曼常数,T 为绝对温度。
当电场和浓度梯度同时存在时,总电流密度是漂移分量和扩散分量的总和。在实际应用中,这些现象可以使用半导体方程来对其进行分析,半导体方程是一组用来描述半导体中电荷载流子行为的微分方程。
来自章节 10:
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