半导体物理课件半导体的导电性.ppt

对于等能面为旋转椭球面的多极值半导体，如电场沿[100]方向，则 令 电导有效质量 所以 mc称为电导有效质量，对于硅mc = 0.26m0 由于电子电导有效质量小于空穴电导有效质量，所以电子迁移率大于空穴迁移率。 4.3.3迁移率与杂质浓度和温度的关系 电离杂质散射 声学波散射 光学波散射 总散射几率 平均自由时间 除以 ，可得 几种因素同时存在时的迁移率 （1）对于掺杂的锗、硅等半导体，散射机构主要为声学波散射和电离杂质散射 所以有 （2）对于本征的锗硅半导体，散射机构仅为声学波散射 （3）对于III-V组化合物，光学波散射也很重要。 定性分析迁移率随杂质浓度和温度的变化关系 结论： 在低杂质浓度（1013~1017/cm3）半导体中以晶格散射为主，迁移率随温度的升高而降低； 在高杂质浓度半导体中，低温时以杂质散射为主，高温时以晶格振动散射为主； 对于补偿半导体，杂质散射应为全部杂质散射之和。 掺杂半导体的电阻率的变化规律 载流子浓度随温度、杂质浓度的变化规律 迁移率随温度、杂质浓度的变化规律 本征半导体的电阻率的变化规律 载流子浓度随温度的变化规律 迁移率随温度的变化规律 4.4电阻率及其与杂质浓度和温度的关系 n型半导体 p型半导体 本征半导体 右图所示为N型和P型锗、砷化镓以及磷化镓单晶材料在室温(300K)条件下电阻率随掺杂浓度的变化关系曲线。 电阻率（电导率）同时受载流子浓度（杂质浓度）和迁移率的影响，因而电阻率和杂质浓度不是线性关系。 对于非本征半导体来说，材料的电阻率（电导率）主要和多数载流子浓度以及迁移率有关。 杂质浓度增高时，曲线严重偏离直线，主要原因： 杂质在室温下不能完全电离 迁移率随杂质浓度的增加而显著下降 由于电子和空穴的迁移率不同，因而在一定温度下，不一定本征半导体的电导率最小。 掺杂半导体的电阻率和温度的变化关系： T ρ 低温 饱和 本征 低温下晶格振动不明显，本征载流子浓度低。电离中心散射随温度升高而减弱，迁移率增加 杂质全部电离，载流子浓度不变；晶格振动散射起主要作用，随温度升高迁移率下降 本征区，载流子浓度随温度升高而迅速升高， 本征 T↑，ni↑ T↑，μ↓ T↑ρi↓ T ρ ρ与T 的关系 问题：本征半导体的导电性（常温下）是否一定比掺杂半导体更差？ 其中σi是本征半导体的电导率，b=μn/μp σSi-min≈0.86σSi-I; σGaAs-min≈0.4σGaAs-I; 第4章 半导体的导电性 本章重点 载流子在外场作用下的漂移运动 载流子散射 迁移率、电导（阻）率随温度和杂质浓度的变化关系 负阻理论 4.1载流子的漂移运动和迁移率4.1.1欧姆定律 对于金属 电流密度：通过垂直于电流方向的单位面积的电流。 欧姆定律的微分形式 欧姆定律适用于金属，但在半导体中电流分布不均匀，流过不同截面的电流强度不一定相等，故需使用“电流密度”这一概念。 对于长为l,截面积为s，电阻率为ρ的均匀导体，若在两端加电压V，则内部场强为通过垂直于电流方向的单位面积的电流。 4.1.2漂移速度和迁移率 迁移率 ：单位场强下载流子的平均漂移速率，量纲为m2/V·s, cm2/V·s 电流强度 电流密度 半导体中的传导电子不是自由电子，晶格的影响需并入传导电子的有效质量 在热平衡状态下，传导电子在三维空间作热运动 由能量的均分理论得到电子的动能为 其中mn为电子的有效质量，而vth为平均热运动速度。 在室温下(300K)，上式中的电子热运动速度在硅锗及砷化镓中约为107cm/s。 半导体晶体中电子的特点 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 对于n型半导体， 对于p型半导体， 对于本征半导体， 自由电子的漂移运动比空穴的相对容易，原因是空穴的运动实际由电子在共价键上作反向补充来实现。 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 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 1 2 3 4 5 6 (a)随机热运动 E=0 平均自由程的典型值为10-5cm，平均自由时间则约为1微微秒(ps, 即10-5cm/vth≈10-12s）。 当一个小电场E施加于半导体时，每一个电子会从电场上受到一个-qE的作用力，且在各次碰撞之间，沿着电场的反向被加速。因此，一个额外的速度成分将再加至热运动的电子上，此额外的速度成分称为漂移速度(drift velocity) 这种在外电场作用下载流子的定向运动称为漂移运动。 一个电子由于随机的热运动及漂移成分两者所造成