Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Полупроводниковая электроника / Киреев.Физика полупроводников.1975

.pdf
Скачиваний:
1443
Добавлен:
13.04.2015
Размер:
35.32 Mб
Скачать

Перепишем выражение (38.17) для j, объединяя члены:

 

j = |e2/CiiE -

еК\iTV £

-

еК'21

γ )

+

 

 

 

+ [ £

-

£

KnTV

 

£

 

 

Ц,

В] +

 

+

 

Д-isE -

j ^ · KUTV - J -

^

К χ

γ ,

В) В.

(38.19)

Первый

член

в (38.19)

определяет

омический

ток,

второй

и третий

члены представляют

токи,

обусловленные

 

градиентом

химического

потенциала

и температуры,

т. е. связаны

с

диффузионным и термо-

электрическим

токами,

четвертый

член

обусловливает

поперечные

гальвано- и термомагнитные

токи, пятый

член

определяет

изменение

продольных

токов, вызываемое

магнитным

полем.

 

 

 

 

 

 

 

Р е з ю м е

§

38.

 

 

 

 

 

 

1. Плотность тока j и плотность потока энергии W зависят от градиентов электростатического потенциала φ, химического потенциала F, температуры Т, магнитного поля В и характеристик вещества, определяемых эффективной массой и тензором кинетического коэффициента Krs'

 

j = {ёЧСпЕ

-

eKUTV

L

_

еК>21

Щ

+

 

 

+

( ^ s ΚιзЕ -

Κ ι s T V

L

-

А Г

Ь

Ц,

В) В

(38.1 р)

 

W = je/GiE

- K21TV у

-

АГз1 Щ

+

 

 

+

- £

V * _ £ *£ , в] +

 

+

/С23Е -

^

ЛГ^з гV ^

-

^ з

^ ,

в ) В.

(38.2р)

2. Тензор кинетического коэффициента /Cs определяется своими элементами /С^/ в виде

$

.Л*****· (38-3р)

1+|БйГ|(в- т *в >

Физический смысл Krs в зависимости от значков, различный. 231

§ 39. КИНЕТИЧЕСКИЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ

Скалярная эффективная масса. Поскольку j и W выражаются через тензоры кинетических коэффициентов К™, необходимо уметь вычислять их для различных случаев. Предположим,, что эффектив-

ная масса

является скалярной величиной. Для этого случая

время

релаксации из

соображений

симметрии

можно считать изотропной

величиной: τ(κ) = τ(|κ|), другими

словами, время

релаксации

должно

зависеть

только

от энергии

τ =

τ(Ε).

Энергию

представим

в виде

квадратичной функции квазиимпульса во всех точках зоны Брил-

люэна,

учитывая,

что в

выражение для Krs входит Ц ,

которая быст-

ро уменьшается с

ростом энергии. Скорость можно выразить через

к или

Ρ обычным

соотношением

 

 

И

 

 

 

 

 

 

J

 

С

С

I Й 2 к 2

I? I m * v 2

/ОО 0\

 

 

Е = Ео + 2^*=ЕО-\—2~.

(39.2)

 

 

 

S

,

8

 

Запишем выражение для

K'fj:

 

 

Интегрирование по объему зоны Бриллюэна сведем к интегрированию по энергии. Для этого выразим άτκ через энергию dE( к):

dE = (VK£, άκ) = I VK£ I dKn = ПI ν | d/c„,

(39.4)

где άκη есть проекция вектора άκ на направление нормали к изоэнергетической поверхности. Введем элемент поверхности энергии dSj?, через который элемент объема можно выразить в виде

=

=

(39.5)

Подставим (39.5) в (39.3):

<£>

(SE)

В (39.6) для упрощения записи введено обозначение

μ = ^ | > = μ( £ ),

(39.7)

где μ ( £ ) есть подвижность носителей заряда с энергией Е . Но

232

интеграл по поверхности можно представить в

виде интеграла по

пространственному

углу;

так

как

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dSE

= κ2άΩ,

 

 

(39.8)

то

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(Se)

 

 

(Si

 

 

(si Ε)

 

 

В

(39.9)

интегрирование

по полной поверхности энергии сведено

к интегрированию

по одной

S1E

из Μ поверхностей энергии. Считая,

что

в зоне

 

Бриллюэна

введена сферическая

система

координат

с полярной осью,

направленной

вдоль кзапишем

 

 

 

.

 

^ == sin θ cos φ;

— = sin θ sin φ; — =

cos6.

 

(39.10)

 

 

 

к

 

 

 

ю

к

 

 

 

Вычислим

(39.9) для

двух случаев:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π 2π

 

 

 

 

 

,

 

[

 

 

 

J sin 2 6cos 2 9sin6dQd9 = y ,

 

(39.11)

 

(S\E)

 

 

0

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

η 2Л

 

 

 

 

 

 

 

J

K*jL dQ =

j

j

sin2

θ COS φ sin φ sin θ dd dq> =

0.

(39.12)

 

(S,£ )

.

0

"

 

 

 

 

 

Проводя

аналогичные

 

вычисления, получим в

общем

виде

 

 

 

 

 

 

 

j

 

 

 

 

(39.13)

(S\E)

т. е. в случае сферических поверхностей энергии тензор K'rs имеет диагональный вид. Выразим интеграл по поверхности энергии через величину энергии на этой поверхности:

 

f ViVj , с

Μ

«4π *

Μ \2т* (Ε — Ε0)~\ 2 я

/QQ

 

)

=

:

 

w

 

"

J

δ'/·

<39·14>

Но

(S)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2πΛί Ю

 

2

(Ε -

Ε ο) τ

= Ν (Ε)

 

 

(39.15)

 

 

h? J

 

 

 

 

 

 

 

 

 

есть плотность состояний

по

энергии,

поэтому

(39.14) представим

в виде

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J

V^ldSE=^(E-

 

Е0) 8nW

(Ε) δ,7.

 

(39.16)

 

Подставив (39.16) в (39.15), получим

(при Е0 = 0)

 

 

 

Ч

Ш

 

М

т

^

^

Е .

 

 

,39., 7)

 

 

 

 

 

о

 

 

 

 

 

 

 

233

Выражение

(39,17) показывает,

что все диагональные

элементы

К'/J одинаковы,

это

означает,

 

что в

случае

сферических

изоэнергети-

ческих поверхностей кинетические коэффициенты являются

скалярными

вели чинами: К'У = К

 

 

 

 

 

 

'rs.

1. Н е в ы р о ж д е н н ы й

 

п о л у п р о в о д н и к .

В

невырожден-

ном полупроводнике функция

 

Ферми — Дирака переходит в функцию

Больцмана, для

которой

 

 

 

 

 

 

и

 

 

 

 

 

 

 

< 3 9 · 1 8 >

 

00

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= Ш J

 

T^BJO(E,-T)N(E)§:

 

(39.19)

 

 

О

 

 

 

 

 

Положим r = s = 0

и В = 0;

интеграл для

/Соо вычисляется элемен-

тарно:

 

00 *

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Koo =

^ l f o ( E , T ) N ( E ) §

= ^ n

,

(39.20)

 

 

О

 

 

 

 

 

 

где η — концентрация носителей заряда (электронов или дырок):

 

00

 

 

 

 

П = 2$ /о(£, T)N(E)dE,

 

(39.21)

 

о

 

 

 

 

т. е. /Соо выражается

через концентрацию носителей заряда. Но из

(39.19) видно, что K'rs

должно быть

пропорционально

концентрации

носителей'заряда, поскольку

2f0(E,

T)N(E)dE

есть

число частиц

в интервале энергии dE, так

что

 

 

^

 

 

оо

 

 

 

 

^

=

 

О

 

<39·22>

 

 

 

 

 

 

Умножим

и разделим

(39.19) на концентрацию частиц,

получим

 

 

 

 

со

 

 

 

 

 

 

5

·

(39.23)

Обозначим

множитель

при

-4^(39.23)

в виде

 

 

 

 

 

т-

 

 

 

 

Егτ*

dn (Ε)

 

 

 

2 }

 

Ε'τ* \

 

 

1 +

μ2Β2

/

( 3 9 . 2 4 )

 

3kT

со

 

"χΐ8^/;

 

234

он представляет

собой

усредненное

с весом

 

£r

 

по носителям

за-

 

 

 

ряда время релаксации

в степени

 

s.

 

 

 

 

 

 

 

 

Выражение (39.24) можно записать в более

удобной

для

вычис-

ления форме,

если

перейти к

безразмерной переменной

x =

JL·:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-

 

 

 

 

ι

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Γ

+ Ί

Γ

 

 

 

/

Ε'τ*

\

__ 2 (kT)

г Ц

) T + F » X

 

dx

 

 

 

 

2

б

00

 

 

 

 

 

 

 

\ 1 + μ2β2

У

 

_3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3{kT)2

 

 

)

(Г*х2

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

о

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

оо

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f

 

τ5

 

г+2\

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

°

 

1

,

 

 

 

.

 

(39.25)

 

 

 

 

 

 

 

 

$ Q~xX2 dx

 

 

 

 

 

 

Время релаксации в степени

s,

усредняемое

с

весом

Ε'

,

обо-

t

значают также в

виде

среднего

значения

τ5

с

числом

скобок,

рав-

ным г:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

/

 

" f i t '

\ =

/

 

/

_ £

_

\

 

\

 

(39 26)

Таким образом, кинетические коэффициенты можно выразить в виде

< 3 9 · 2 7 >

Если в полупроводнике имеются носители заряда различных видов,

то для каждого

из них можно вычислить кинетические коэффициенты

в соответствии с (39.27).

 

 

 

 

 

Рассмотрим

один частный,

но практически очень важный случай,

когда время релаксации

является

степенной

функцией

энергии:

 

τ (Ε) = r0 Ep = - щ у

хр =

 

(39.28)

где т0 и τό —некоторые

константы. Подставим (39.28)

в (39.25):

 

 

 

 

 

 

03 ysp+r+\/2

 

 

 

 

 

 

 

С *!!

•e~xdx

/

Erts

\

_ 2_

( k T ) r _ W s

Jο 11 +

μ 2 ^

(39.29)

\ 1 + μ2β2

у

— з

Φ* )

το

оо

 

 

 

 

 

 

 

 

$

Λ;2

 

 

 

 

 

 

 

о

 

 

235

Если положить В = О, то интегралы (39.29) сводятся к гамма-функ- ции Эйлера

 

 

(Е'х*)

= (кТу-Х*

 

\

 

2 > .

 

(39.30)

Появление

Г (5/2) вместо Г (3/2)

в

знаменателе

связано

с тем,

что мы вместо 2/3 в числителе записали

3/2 в знаменателе и учли,

что 3/2-Г(3/2) = Г(5/2).

Выражение

(39.30)

будет

использовано в

дальнейшем.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. В ы р о ж д е н н ы й

п о л у п р о в о д н и к .

Для

вырожденного

полупроводника — -Ц-

поэтому интеграл (39.17) вычисля-

ется элементарно:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

JL

 

 

 

К' —

4

pr%S

Μ (F\ —

8jx

(2m* ^2

g2

ρκ'1τ8

Ars

3m*

1 + μ2 (F) В2

 

m*'\

№ )

t

1+μ2 (/4£2

""

 

 

=

~m*~ 1 + μ2 (F) В2 '

 

 

 

(39.31)

Если записать K'rs для вырожденных полупроводников в виде (39.27), то среднее значение времени релаксации можно определить соотношением

 

_ Fr-iTS (F)

 

\ 1 + μ2£2 /

~~ 1 + μ2 (F) В2 9

Κον.ΟΔ)

т. е. усредненное значение времени релаксации определяется

только

временем релаксации носителей

заряда,

лежащих на поверхности

Ферми.

второго

ранга. Перейдем к

 

Эффективная масса —тензор

вычис-

лению кинетических коэффициентов для случая, когда эффективная

масса является тензорной величиной, имеющей (для

простоты) диа-

гональный вид

 

ё ^ т ν ± ά Χ κ .

(39.33)

Предположим по-прежнему, что τ является функцией только энергии, т. е. теперь τ будем считать анизотропной величиной: τ = τ(£'). Выразим элемедт объема dxK через элемент энергии dE и элемент площади поверхности энергии:

dSJE

dS „dE

 

άτκ = dSEdKn = — =

Д — ^ ·

(39.34)

У Σ

mi

1=1

236

Для вычисления. интеграла по поверхности введем различный масштаб по различным направлениям в зоне Бриллюэна, т. е. введем новые переменные

Wf-

V2mi ; Ъхх = Уъщ

wh

(39.35)

ИЛИ

 

 

 

 

 

Kl = ¥ * » L W h

 

(39.36)

Найдем связь между энергией

и wt:

 

 

 

3 ^

о

з

 

 

/==1

 

.

(39.37)

 

 

1=1

 

Мы видим из (39.37), что в переменных Wi изоэнергетическая поверхность является сферической.

Выразим Krs через w. Для этого запишем

 

 

άτκ

=

dKxdKydK2 = (8mim.fs)

 

 

 

(39.38)

 

 

 

 

 

η3

 

 

 

 

Согласно (39.5)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dry, = dS (w) dwn,

 

 

 

(39.39)

с другой стороны,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dE =

 

dw) = (wdw) =

= VE

dwn,

 

(39.40)

поэтому

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(39.41)

или

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

(8/%/κ23)2

dEdS (w)

.

 

 

/QQ 0

 

 

 

 

-

 

 

 

(0У.42)

Учитывая,

что

 

 

 

 

 

 

 

запишем·

 

 

 

* < = ΐ τ = = | Λ | ν

 

 

 

<39·43>

 

 

 

 

 

 

 

 

 

rs

f

а/о

 

£>-ΐτ«

С (8 |m*|)2

Ί /

4

, c

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

*Ущ«Ч

J}0E 1 +

m*B) VE(l

 

*

 

237

Но

согласно (39.13)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С

WiXkuwf

=

Λ

 

 

(39-45)

 

 

 

 

 

J

w2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(5ι)

 

 

 

 

 

 

 

 

и, следовательно, K'rs является

диагональным

тензором. Вводя выра-

жение для

плотности

состояний

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ν

 

 

(8тг ш2 т3 ) 2 Ε 2

( Я 0 = 0 ) ,

(39.46)

можем

представить кинетический коэффициент в виде

 

 

 

K'ii,

г/

со df0

 

Ν (Ε) Erxs

 

 

 

 

* \

r o

 

 

S

№· 1 + ^ 5 . ( 8 ,

m*B)

d E ·

<39-47>

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

|m*|

 

 

 

Для изотропной (скалярной) эффективной массы выражение (39.47)

переходит

в (39.17).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выражение

(39.47) для К'/> можно

записать в форме

 

 

 

 

Krli = - £ - /

 

Λ ϊ

 

m * B )

/

 

( 3 9 · 4 8 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

поскольку

при

i = f

mi =

mj.

Мы видим,

что все кинетические

коэф-

фициенты

анизотропны,

при

этом

тензор

Krs пропорционален

тен-

зору πι*- 1 :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Яш = П /

 

^

 

\

т*~\

 

(39.49)

 

 

 

 

 

\ 1 + Й г ( В '

т * В ) /

 

 

 

ЭТО означает, что

на

протекание

кинетических

явлений

сущест-

венное

влияние

оказывает

форма

изоэнергетических

поверхностей.

Ре з ю м е § 3 9

1.Вычисление кинетических коэффициентов удобно свести к интегрированию по поверхности энергии с последующим интегрированием по энергии. Вычисления имеют более простой вид для сферических поверхностей энергии, поэтому для упрощения расчетов эллипсоидальные поверхности энергии преобразуются в сферические соответствующйм выбором масштаба вдоль осей эллипсоида.

2.Тензор кинетического коэффициента пропорционален тензору обратной эффективной массы.

3.Тензор кинетического коэффициента

Krs^nm* - ' /

E r x $

(39.1 ρ)

\ 1 + ~ ( В . ·η*Β)

/

238

Если магнитное поле отсутствует, то, опуская штрих, запишем

Krs = nm*"'

 

 

 

 

 

(39.2р)

4. Усредненное время релаксации определяется для невырожден-

ных полупроводников

выражением

 

 

 

 

 

 

 

оо

 

 

 

 

 

/ — ё рL·Τ

 

ίО i + ' S r O » . <η*Β)

 

(39.3ρ)

ч и м у - 1

 

оо 3

 

 

 

ч

 

 

 

 

 

 

 

и для вырожденных полупроводников

 

 

 

 

 

У

Е'%*

\ =

 

F^s

(F)

·

УУ-4Р)

' /

ДО

1

ДО

 

\ 1

(В, rn*B) /

(В, т*В)

 

 

§ 40. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ

ПОЛУПРОВОДНИКОВ

 

Для описания электропроводности

полупроводников

необходимо

найти связь между плотностью тока j и электрическим полем Е,

вызывающим

этот

ток.

Для

этого необходимо

положить

В = 0

и Vf = VT = 0. В

таком

случае

из

(38.21) можем

записать

 

 

 

 

j = e2/CuE = (7E.

 

(40.1)

Из (40.1)

следует, что тензор

проводимости

а связан с

тензо-

ром Кп соотношением

 

 

 

 

 

или

 

 

* К ц =

о,

 

(40.2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

o =

 

=

=

 

(40.3)

Таким образом, кинетическое уравнение Больцмана не только приводит к закону Ома, но и раскрывает более глубоко смысл проводимости. Удельная проводимость и подвижность определяются усредненным с весом Ε временем релаксации

оо _з

 

 

 

S X2

 

(*) dx

 

{%) = (Ετ) = °

£

.

(40.4)

$ χ2

e~xdx

 

о

 

 

 

239

При

степенной зависимости времени релаксации

от энергии

τ — τ0Ερ,

или τ = τ'οΧρ, (40.4) позволяет записать для

невырожденного

полупроводника

 

 

 

<τ> = τό Пт+р

 

 

Г ( | + Р )

В

табл. 8 приведено

отношение — ' / с \ Дл я

НИИ

р.

©

(40.5)

некоторых значе-

Т а б л и ц а 8

Ρ

0

1

 

s 2

2

5 2

 

- 1

- * / 2

- 2

 

 

 

/

 

/

 

 

 

 

r ( f + , )

3 У л

2

15 У л

6

105 У η

24

1

Ул

1

Κπ

4

8-

 

16

2

r ( f + „ )

1

8

32/5 8/Ул

35/4

32

4

2/3

4

4/3

' г ©

ЗУл

Ул

3Κπ

З / я

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для вырожденного

полупроводника

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(т) = т (F),

 

 

 

 

(40.6)

поэтому

дрейфовая подвижность

определяется

только

временем

рела-

ксации электронов

или

дырок,

находящихся

в состояниях

вблизи

поверхности Ферми,

в то

время

как в проводимость входит концент-

рация электронов. Это противоречие легко понять, если рассмотреть

выражение для

функции

распределения

 

 

 

 

 

 

 

Ϊ =

/о + /(1) =

/о -

1

(*ν)

=

/о -

§

* (Εν) τ.

(40.7)

 

Для

вырожденных

полупроводников

Ц ^ О

при

Ε φ Έ и поэто-

му

поправка к невозмущенной функции /0 равна нулю. Другими сло-

вами, внешнее

поле Ε

возмущает

только

состояния

в

окрестности

±kT

у

поверхности

Ферми.

Поскольку

релаксация должна иметь

место только для этих состояний,

усредненное время

релаксации

<т)

определяется величиной

x(F).

 

 

 

 

 

 

240