半导体物理学刘恩科第七版第4章导电性课件.ppt

第4章 半导体的导电性 4.1 载流子的漂移运动 外电场E?载流子受力?加速?获得平均速度V?形成电流。 §4.2 载流子的散射 实际半导体中的载流子在外电场作用下，速度不会无限增大，根本原因: 受散射（碰撞）的缘故。 载流子本身在晶格中作无规则热运动，格点原子在格点附近作热振动，半导体中还有杂质原子。 1. 电离杂质的散射 散射几率： Pi＝A×NiT-3/2 特点： 动量变化大，能量变化大。 动量变化小，能量变化小。 动量变化大，能量变化小。(类似于完全弹性碰撞) 格波与电子互作用定律 hq称为声子的准动量，h?a称为声子的能量。 电子和晶格散射时，将吸收或放出一个声子。 长声学波中，纵波对散射起主要作用。通过原子间距发生疏密变化，体变产生附加势场。 特点：能量变化低。 离子晶体中光学波对载流子的散射几率： 3. 其它原因引起的散射 (1)、等同的能谷间散射 等同能谷：硅的导带具有6个旋转椭球等能面，载流子在这些能谷中分布相同，称为等同能谷。 对多能谷半导体，电子可以从一个极值附近散射到另一个极值附近，这种散射称为谷间散射。 （4）合金散射 由二、三种元素(如硅、锗)组成的混合半导体。若两种不同原子随机排列，对周期性势场有微扰作用，对载流子引起散射作用。 导致散射机制很多，根据实际情况，通常只考虑其主要散射机制即可。 对常用半导体(轻、中等掺杂)情况，晶格散射和电离杂质散射是主要的。 散射几率：单位时间内一个载流子受到散射的次数。 自由程：连续两次散射间自由通过的路程。 平均自由程：连续两次散射间自由运动的平均路程。 问题： 电子和空穴的迁移率通常是不同的（电子较大），原因？ 实际晶体中采用的有效质量通常为电导有效质量，原因？ 4.3.3 迁移率与杂质和温度的关系 半导体中，存多种散射机制，一般只考虑其中的主要作用机制即可。 补偿性半导体，载流子的浓度为两种载流子浓度差，但载流子的迁移率与两种杂质浓度之和（增加了碰撞的几率）有关。 §4.4 电阻率随温度变化情况 §4.6 强电场下的效应 (μ) 载流子速度和迁移率关系： 1、电场不太强时，J与E服从欧姆定律 线性关系: J=?E， Vd=?E， ?，? 为常数 Si材料的导带极值共有六个,每极值附近的等能面为旋转椭球面(如右图)，沿旋转轴方向有效质量为ml，垂直方向的为mt。若硅中电子浓度以n表示，求当外加电场E方向沿[100]方向时硅中的电流密度大小。 [100]能谷中，沿x方向的迁移率 [010]和[001]能谷中，沿x方向的迁移率 电流密度J 应该是6个能谷中电流密度之和, 每个能谷单位体积有n/6个电子。 mc称为电导有效质量.电子和空穴的平均自由时间和有效质量不同，电子的迁移率大于空穴的迁移率 可见，影响迁移率的因素（简要分析）： 1、有效质量：?不同方向具有不同有效质量； 2、平均自由时间?（散射几率）： 载流子浓度（差）、迁移率（和） 非补偿半导体： 补偿半导体： 3、温度的影响 （仍从公式分析） 杂质散射 电离杂质散射： 未电离杂质散射（重掺杂时）： 晶格散射 声学波散射： 光学波散射： 散射： 晶格散射＋掺杂＋温度 若存在多种散射机制，显然，τ将发生变化，即迁移率将发生变化（被加速时间变化）。 散射几率： 除以q/mn*, 得到 ?1、?2、?3表示只有一种散射机制存在时载流子的迁移率 对硅、锗半导体，主要受声学波散射和电离杂质散射：分别用?s和?i表示 1)对高纯样品或杂质浓度较低的样品，迁移率随温度升高迅速减小，Ni很小，BNi/T3/2可忽略 2) 杂质浓度高的样品，在低温范围，迁移率随温度升高反而缓慢升高，BNi/T3/2项增大，杂质散射其主要作用，晶格振动影响较小。 高温范围，T增大， BNi/T3/2降低，AT3/2其主要作用，以晶格振动散射为主，故迁移率下降。 对砷化镓，除声学波、电离杂质散射外，光学波散射也起重要作用： 迁移率随杂质浓度、温度的变化情况 图4-13 （a）电子 （b）空穴 迁移率与杂质浓度的关系 图4-14 300K时硅、锗、砷化镓迁移率与浓度的关系 不同半导体，为何相同情况下(掺杂、温度），迁移率不同 2. 少数载流子迁移率与多数载流子迁移率 1）低掺杂浓度时，多子电子与少子电子迁移率相同；空穴的多子与少子迁移率也近似相同； 2）掺杂浓度增大时，电子、空穴的多子与少子迁移率都单调下降； 3）对给定掺杂浓度，电子、空穴的少子迁移率均大于多子迁移率； 4）相同掺杂浓度时，少子