4.半导体的导电性.ppt

电场不是很强时： 载流子 声学波散射 电场进一步增强后： 载流子 发射光学波声子 载流子获得的能量大部分又消失，平均漂移 速度可以达到饱和 自由时间：载流子在两次散射之间的时间间隔。 自由路程：载流子在两次散射之间所经过的距离。 平均自由时间：多次自由时间的平均值。 平均自由程l：大量载流子自由路程的平均值。 散射几率 P : 单位时间内一个载流子受到散射的次数。 4.3 迁移率与杂质浓度和温度的关系 4.3.1.平均自由时间和散射概率的关系 设有N个电子以速度v沿某方向运动，N(t)表示在t时刻未被散射电子数，则t～(t+Δt)时间内被散射的电子数为： Δt很小时，有 其解为： 则在t～(t+dt)时间内被散射的电子数为： 则平均自由时间为： 4.3.2.电导率、迁移率与平均自由时间的关系 1， 平均漂移速度 设沿x方向有电场E，电子在各个方向上的有效质量都为mn* t=0时，某个电子恰好被散射，设散射后沿x方向的速度为vx0，时间t后又被散射，则再次被散射前其x方向的速度为： 若每次散射后v0方向无规则，则多次散射后， v0在x方向分量的平均值为零。 而在t～(t+dt)时间内被散射的电子数为： 每个电子获得的速度为： 则平均漂移速度为： 另一方法求平均漂移速度 设电子的热运动速度为Vo 在dt时间内，所有遭到散射的电子的速度总和为： 在0→∞内，所有电子运动速度总和为： 而每次散射后V0方向完全无规则，多次散射后V0的平均值为0 电子平均漂移速度为： 迁移率的定义为： 故电子、空穴的迁移率分别为： 2，迁移率和电导率与平均自由时间的关系 （1）单极值的半导体材料 电子电导率 空穴电导率 （2）多极值的半导体材料 以硅为例：导带极值有6个，等能面为旋转椭球面，即有 6个能谷或6个旋转椭球等能面 长轴和短轴方向的有效质量分别为：ml、mt z x y E [100]方向能谷中电子沿x方向的迁移率 其余能谷中电子沿x方向的迁移率 [100] [010] [001] 设电子浓度为n，则每个能谷单位 体积中电子数为n/6 电流密度Jx为： 令 故 将 写为： 将 代人有： mc为电导有效质量 4.3.3. 迁移率与杂质和温度的关系 1，不同散射机构迁移率的表达式 电离杂质的散射 纵声学波 纵光学波 2，实际材料迁移率的表达式 总的散射概率P为： 平均自由时间为： 除以 有 对于硅、锗等原子半导体，主要散射机构为纵声学波散射和电离杂质散射 纵声学波散射 电离杂质散射 而 所以，有 讨论（1）： 低掺杂样品：迁移率随温度升高迅速减小 因为若Ni很小， 可以忽略，晶格散射起主要作用T↑，μ↓ 高掺杂样品：低温范围，杂质散射占优 ，T↑， μ 缓慢上升； 直到较高温度，μ才稍下降，说明晶格散射比较显著。 μ与T有关，T↑，晶格散射越强， μ↓。 讨论（2）（少子和多子迁移率）： 低掺杂时，少子与多子迁移率相同； 高掺杂时，少子迁移率大于多子迁移率。 掺杂浓度较低时，多子和少子电子迁移率趋于相同 掺杂浓度较低时，多子和少子空穴迁移率趋于相同 杂质浓度增大时，电子与空穴的多子少子迁移率都单调下降 杂质浓度一定时，电子与空穴少子迁移率都大于多子迁移率 由于重掺杂时杂质能级扩展为杂质能带导致 或由于杂质原子轨道重叠，使多子在杂质原子间运动，漂移速度减小 对于补偿材料，杂质全部电离时，载流子浓度决定于两种杂质浓度之差，而迁移率则由两种杂质浓度之和决定Ni=NA+ND 4.4 电阻率及其与杂质浓度和温度的关系 故电阻率为： 因为电导率为： n型 ： p型 ： 本征 ： 4.4.1. 电阻率与杂质浓度的关系 硅、锗、砷化镓300K时电阻率与杂质浓度关系 特征如何 说明： 轻掺杂时（1016~1018cm-3） n＝ND p＝NA 迁移率为常数 (图4-14) 反比 杂质浓度增加时，曲线严重偏离直线 不能全部电离 迁移率显著下降 对比 变化趋势是怎么样的？ 生产上有何应用价值？ 本征半导体：ni随温度的上升而急剧增加，而迁移率随T升高而下降较慢，所以本征半导体的电阻率随着温度增加而单调下降，这是半导体区别于金属的一个重要特征。 载流子浓度：杂质电离、本征激发 迁移率：电离杂质、晶格散射 有何特征？ 思考题：为什么金属的电阻率随温度的升高而增加？ 杂质半导体： 4.4.2. 电阻率随温度的变化 硅电阻率与温度关系示意图 （一定施主杂质浓度） 低温区（AB段）： ①EFED，本征激发