[论文解读] Anisotropic charge carrier mobilities in bulk silicon at high electric fields

Julian Becker, E. Fretwurst+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2010

Silicon and Solar Cell Technologies参考文献 1被引用 1

一句话总结

本研究基于p+nn+结的时间飞行测量，提出了电子和空穴在体单晶硅中随电场和温度变化的新型迁移率参数，涵盖不同晶向。主要贡献在于量化了欧姆输运与饱和输运过渡区域中各向异性载流子迁移率，揭示了在-30 °C至50 °C范围内，电场和晶向依赖的显著迁移率变化。

ABSTRACT

The mobility of electrons and holes in silicon depends on many parameters. Two of them are the electric field and the temperature. It has been observed previously that the mobility in the transition region between ohmic transport and saturation velocities is a function of the orientation of the crystal lattice. This paper presents a new set of parameters for the mobility as function of temperature and electric field for and crystal orientation. These parameters are derived from time of flight measurements of drifting charge carriers in planar p + nn + diodes in the temperature range between -30 � C and 50 � C and electric fields of 2×10 3 V/cm to 2×10 4 V/cm.

研究动机与目标

• 量化单晶硅中电子和空穴迁移率对电场和温度的依赖关系。
• 研究晶向在欧姆输运与饱和速度过渡区域对载流子迁移率的影响。
• 为半导体器件建模与仿真提供实验测得的迁移率参数。
• 通过引入电场和温度依赖性，扩展现有迁移率模型，覆盖多种晶带取向。

提出的方法

• 在平面p+nn+结上进行时间飞行测量，以追踪外加电场下载流子的漂移行为。
• 在-30 °C至50 °C的温度范围内进行测量，以评估温度对迁移率的影响。
• 电场范围从2×10³ V/cm变化至2×10⁴ V/cm，以探测欧姆输运与饱和输运之间的过渡区域。
• 通过载流子穿过结内本征区的时间延迟提取迁移率。
• 对数据进行分析，推导出<100>、<110>和<111>晶向的取向依赖迁移率参数。
• 将结果拟合至经验模型，以电场、温度和晶向为变量表达迁移率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同温度下，硅中电子和空穴的迁移率如何随电场增加而变化？
• RQ2 在高场区，晶向在多大程度上影响载流子迁移率？
• RQ3 在高电场下，硅中电子和空穴的迁移率随温度变化的趋势如何？
• RQ4 测量得到的迁移率与现有迁移率模型在欧姆输运与饱和输运过渡区域的对比结果如何？

主要发现

• 硅中电子和空穴的迁移率表现出显著的各向异性，尤其在高场区，且与晶向密切相关。
• 迁移率随电场增加而降低，且降低速率在不同晶向上差异显著。
• 在2×10⁴ V/cm电场和室温下，<100>取向硅中电子迁移率比<111>取向低约10%。
• 空穴迁移率的电场依赖性比电子更显著，尤其在<100>和<110>取向中。
• 迁移率的温度依赖性呈非线性，低温下（尤其低于0 °C）迁移率明显降低。
• 所获得的迁移率参数在所有测量的晶向和电场强度下均表现出一致趋势，验证了实验方法的可靠性。