第16章 半导体的导电性.ppt

第16章 半导体的导电性 16.1 载流子散射 16.2 载流子漂移的基本规律 16.3 霍尔效应 电子科技大学光电信息学院陈德军 * 16.1 载流子散射 漂移运动→载流子在电场的作用下作定向运动 事实上，存在欧姆定理： E 匀加速运动？ 电子 半导体样片 电流强度:单位时间通过截面的电量 电流密度:单位时间通过单位截面的电量 貌似载流子做的是匀速运动？为什么？ 载流子在漂移运动的过程中要遭遇散射机构的散射，而使其改变运动速度 空穴 16.1 载流子散射 载流子散射→载流子在半导体中的运动不是完全自由的，要遭遇“散射” 每一次速度的改变，即是遭遇一次散射，从而使得漂移速度不可能无限地积累起来 而散射的随机性→将漂移速度修正为平均漂移速度 16.1 载流子散射 两个概念 自由程→两次散射之间载流子是自由的，其距离即自由程 自由时间→两次散射之间的时间间隔 我们更关心的是平均自由程和平均自由时间 16.1 载流子散射 载流子散射的能带论解释 散射机构 周期性势场的破坏者 在严格周期结构（势场）下运动的载流子不会遭遇散射 严格的周期场 散射机构引入的附加势场 附加势场的引入而使得载流子在不同K状态之间跃迁 散射发生 16.1载流子散射 半导体主要的散射机构 什么因素会带来周期性势场的破坏？ 1、电离杂质散射 2、晶格振动散射 3、其他：中性杂质散射、位错散射、载流子间散射等 主要散射机构 电离施主或者电离受主所带的库仑势场会在局部破坏周期性势场，而引入附加势场ΔV 光学波和声学波振动会使得原子偏离平衡位置，从而使严格周期结构受到破坏，继而引入附加势场ΔV 16.1载流子散射 半导体主要的散射机构→电离杂质散射 附加势场 库仑场 散射几率 由于库仑场的存在而使得载流子的运动速度发生了改变 离子浓度 温度高，载流子平均速度大，使得带电离子“捕捉”它的能力减弱 →在低温下更显著 16.1载流子散射 半导体主要的散射机构→晶格振动散射 长纵声学波和长纵光学波在散射中起主要作用 解释 1、室温下，电子的运动速度约为105m/s，可估计其波长约为10-8m，声子和电子满足准动量守恒，故其波长应该在同一数量级→格波波长≈10-8m，远大于原子间距≈10-10m,→长波 2、横波不会引起原子间距的疏密变化，故对能带的影响不大，而纵波引入的原子间距疏密变化会对能带结构带来较大的影响继而引入附加势场 16.1 载流子散射 半导体主要的散射机构→晶格振动散射→长纵声学波 运动特点:原胞内相邻原子位移方向相同 Ec Ev Eg 16.1载流子散射 半导体主要的散射机构→晶格振动散射→长纵声学波 周期场被破坏 附加场被引入，能带变化 载流子速度改变 电子热运动速度→正比于T1/2 晶格疏密相间 散射几率 16.1载流子散射 半导体主要的散射机构→晶格振动散射→长纵光学波 运动特点:原胞内相邻正负离子位移方向相反 + + + - - - + + + - - - + + + - - - + + + - - - + + + - - - + + + - - - + + + - - - + + + - - - 16.1载流子散射 半导体主要的散射机构→晶格振动散射→长纵光学波 引入附加电场ΔV 破坏周期场 载流子速度改变 正负离子疏密区相互间隔 散射几率 该函数随温度变化缓慢 该部分随温度升高指数增加 16.1载流子散射 半导体主要的散射机构→晶格振动散射 晶格振动引入的散射几率 长纵声学波→低温下显著 长纵光学波→高温下显著 共价键结合晶体的主要散射机构 离子性晶体的主要散射机构 16.1载流子散射 平均自由时间和散射几率→τ P t时刻尚未被散射的载流子数 t时刻将被散射的载流子数 0时刻尚未被散射的载流子数 16.1载流子散射 平均自由时间和散射几率→τ P t→t+dt时间内被散射的载流子数目 t时刻被散射的载流子自由时间之和 被散射之前载流子是自由的，故该时刻被散射的载流子自由时间都为t 所有自由时间对时间积分除以N0→平均自由时间 平均自由时间τ和散射几率P互为倒数关系 16.2 载流子漂移运动的基本规律 漂移运动和散射机构共同决定了半导体的电学参数 下面介绍一些半导体的一些重要的参数： 迁移率→μ 电导率→σ 电流强度→I 电流密度→J 电阻率→ρ 16.2 载流子漂移运动的基本规律 迁移率→μn μp 迁移率：描述载流子在电场中漂移运动难易程度的物理量 E 我们从电子的运动速度开始讨论…… t=0，某载流子被散射后的速度 t时刻，该载流子再次被散射后的速度 两次散射间，载流子自由，仅受电场影响 x方向为电场方向