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半导体物理基础 4 半导体导电性
第4章 半导体的导电性 (Electrical Conductivity) 2 Mobility(迁移率) 例题 4.5 Hight-Field Effects (强电场效应) 3 Gunn effect (耿氏效应) * 4.1.载流子的漂移(drift)运动 半导体中的载流子在外场的作用下,作定向运动---漂移运动。 相应的运动速度---漂移速度 。漂移运动引起的电流---漂移电流。 1、 drift (漂移) 定性分析:迁移率的大小反映了载流子迁移的难易程度。 可以证明: ------迁移率 单位电场下,载流子的平均漂移速度 3 影响迁移率的因素 不同材料,载流子的有效质量不同;但材料一定,有效质量则确定。 对于一定的材料,迁移率由平均自由时间决定。也就是由载流子被散射的情况来决定的。 半导体的主要散射(scatting)机构: * Phonon (lattice)scattering 声子(晶格)散射 * Ionized impurity scattering 电离杂质散射 * scattering by neutral impurity and defects 中性杂质和缺陷散射 * Carrier-carrier scattering 载流子之间的散射 * Piezoelectric scattering 压电散射 能带边缘非周期性起伏 (1)晶格振动散射 声学波声子散射几率: 光学波声子散射几率: (2)电离杂质散射 电离杂质散射几率: 总的散射几率: P=PS+PO+PI+ ---- 总的迁移率: 主要散射机制 电离杂质的散射: 晶格振动的散射: 温度对散射的影响 轻掺杂时 电离杂质散射可忽略 迁移率 4.2 迁移率与杂质浓度和温度的关系 1. 迁移率~杂质浓度 非轻掺杂时 杂质浓度 电离杂质散射 2. 迁移率与温度的关系 轻掺:忽略电离杂质散射 μ 高温: 晶格振动散射为主 μ T 晶格振动散射 μ 非轻掺: 低温: 电离杂质散射为主 T 电离杂质散射 T 晶格振动散射 4.3 载流子的迁移率与电导率的关系(Mobility~Conductivity) -------殴姆定律的微分形式 1. 殴姆定律的微分形式 2. 电流密度另一表现形式 3.电导率与迁移率的关系 Ez 电导迁移率 电导有效质量 4.4 电阻率与掺杂、温度的关系 1. 电阻率与杂质浓度的关系 轻掺杂:μ~常数;n=ND p=NA 电阻率与杂质浓度成简单反比关系。 非轻掺杂 { μ:杂质浓度 μ ρ n、p:未全电离;杂质浓度 n(p) ρ 杂质浓度增高时,曲线严重偏离直线。 原因 2. 电阻率与温度的关系 μ: T 电离杂质散射 μ ρ *低温 n(未全电离):T n ρ ρ μ: T 晶格振动散射 μ ρ *中温 n(全电离): n=ND 饱和 ρ μ: T 晶格振动散射 μ ρ *高温 n(本征激发开始):T n ρ ρ 例. 室温下,本征锗的电阻率为47Ω·㎝,(1)试求本征载流子浓度。(2)若掺入锑杂质,使每106个锗中有一个杂质原子,计算室温下电子浓度和空穴浓度。(3)计算该半导体材料的电阻率。设杂质全部电离。锗原子浓度为4.4×/㎝3,μn=3600/V·s且不随掺杂而变化. 解: 1 欧姆定律的偏离 电场不太强时: μ与电场无关,欧姆定律成立。 电场强到一定程度(103 V/cm)后: μ与电场有关,欧姆定律不成立。 平均漂移速度随外电场的增加而加快的速度变得比较慢。 饱和漂移速度/极限漂移速度。 电场很强时: 平均漂移速度趋于饱和 解释: * 载流子与晶格振动散射交换能量过程 * 平均自由时间与载流子运动速度有关 加弱电场时,载流子从电场获得能量,使载流子发射的声子数略多于吸收的声子数。但仍可认为载流子系统与晶格系统保持热平衡状态。 加强电场时,载流子从电场获得很多能量,使载流子的平均能量比热平衡状态时的大,因而载流子系统与晶格系统不再处于热平衡状态。 * 平均自由时间与载流子运动速度有关 无电场时: 平均自由时间与电场无关 低电场时: 平均自由时间与电场基本无关 强电场时: 平均自由时间由两者共同决定。 与光学波声子散射 载流子从电场获得的能量大部分又消失,故平均漂移速度可以达到饱和。 极强电场时: 4.3 Intervalley Carrier Transfer
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