半导体物理第4章..ppt

第4章 半导体的导电性 本章重点 探讨载流子在外加电场作用下的漂移运动。 讨论半导体的迁移率、电导率、电阻率随温度和杂质浓度的变化规律。 4.1 载流子的漂移运动和迁移率 电流密度 4.1.2 漂移速度和迁移率 图中截面积为s的均匀样品， 内部电场为|E| ，电子浓度为n。 在其中取相距为 的A和B两 个截面，这两个截面间所围成 的体积中总电子数为 ， 这N个电子经过t时间后都将通过A面，因此按照电流强度的定义 与电流方向垂直的单位面积上所通过的电流强度定义为电流密 度，用J表示，那么 对掺杂浓度一定的半导体，当外加电场恒定时，平均漂移速度应不变，相应的电流密度也恒定；电场增加，电流密度和平均漂移速度也相应增大。即平均漂移速度与电场强度成正比例 4.1.3半导体的电导率和迁移率 在电场强度不是很大的情况下 4.2载流子的散射 4.2.1载流子散射的概念 热运动：无规则的、杂乱无章的运动 半导体中的载流子在没有外电场作用时，做无规则热运动，与格点原子、杂质原子(离子)和其它载流子发生碰撞，用波的概念就是电子波在传播过程中遭到散射。 在电场力作用下的载流子一方面遭受散射，使载流子速度的方向和大小不断改变。 另一方面，载流子受电场力作用，沿电场方向（空穴）或反电场方向（电子）定向运动。 二者作用的结果是载流子以一定的平均漂移速度做定向运动。 电场对载流子的加速作用只存在于连续的两次散射之间。 而“自由”载流子只是在连续的两次散射之间才是“自由”的。 平均自由程：连续两次散射间自由运动的平均路程 平均自由时间：连续两次散射间的平均时间 4.2.2半导体的主要散射机构 半导体中载流子遭到散射的根本原因： 在于晶格周期性势场遭到破坏而存在有附加势场。 因此凡是能够导致晶格周期性势场遭到破坏的因素都会引发载流子的散射。 1. 电离杂质散射 施主杂质在半导体中未电离时是中性的，电离后成为正电中心，而受主杂质电离后接受电子成为负电中心，因此离化的杂质原子周围就会形成库仑势场，载流子因运动靠近后其速度大小和方向均会发生改变，也就是发生了散射，这种散射机构就称作电离杂质散射。 为描述散射作用强弱，引入散射几率P，它定义为单位时间内 一个载流子受到散射的次数。 如果离化的杂质浓度为Ni，电离杂质散射的散射几率Pi与Ni及 其温度的关系为 上式表明： Ni越高，载流子受电离杂质散射的几率越大； 温度升高导致载流子的热运动速度增大，从而更容易掠过电离杂质周围的库仑势场，遭电离杂质散射的几率反而越小。 说明： 对于经过杂质补偿的n型半导体，在杂质充分电离时，补偿后的有效施主浓度为ND-NA ，导带电子浓度n0=ND-NA； 而电离杂质散射几率Pi中的Ni应为ND+NA，因为此时施主和受主杂质全部电离，分别形成了正电中心和负电中心及其相应的库仑势场，它们都对载流子的散射作出了贡献，这一点与杂质补偿作用是不同的。 2. 晶格振动散射 一定温度下的晶体其格点原子(或离子)在各自平衡位置附近振动。半导体中格点原子的振动同样要引起载流子的散射，称为晶格振动散射。 格点原子的振动都是由若干个不同基本波动按照波的迭加原理迭加而成。 基本波动被称作格波 常用格波波矢|q|=1/λ表示格波波长以及格波传播方向 由N个原胞组成的一块半导体，共有6N个格波，分成六支。 其中频率低的三支称为声学波，三支声学波中包含一支纵声学波和二支横声学波。 六支格波中频率高的三支称为光学波，三支光学波中也包括一支纵光学波和二支横光学波。 波长在几十个原子间距以上的所谓长声学波对散射起主要作用，而长纵声学波散射更重要。 纵声学波相邻原子振动相位一致，结果导致晶格原子分布疏密改变，产生了原子稀疏处体积膨胀、原子紧密处体积压缩的体变。 原子间距的改变会导致禁带宽度产生起伏，使晶格周期性势场被破坏，如图所示。 长纵声学波对导带电子的散射几率Ps与温度的关系为 光学波对载流子的散射几率Po为 式中 为纵光学波频率， 是随 变化的函数， 其值为0.6~1。 Po与温度的关系主要取决于方括号项，低温下Po较小，温度升高方括号项增大， Po增大。 3. 其它因素引起的散射 Ge、Si晶体因具有多能谷的导带结构，载流子可以从一个能谷散射到另一个能谷，称为等同的能谷间散射，高温时谷间散射较重要。 低温下的重掺杂半导体，大量杂质未电离而呈中性，而低温下的晶格振动散射较弱，这时中性杂质散射不可忽视。 强简并半导体中载流子浓度很高，载流子之