關(guān)于半導(dǎo)體材料 ppt課件

1、化合物半導(dǎo)體材料與器件q輸運：載流子的凈流動過程稱為輸運。輸運：載流子的凈流動過程稱為輸運。q兩種根本輸運體制：漂移運動、分散運動。兩種根本輸運體制：漂移運動、分散運動。q載流子的輸運景象是最終確定半導(dǎo)體器件電流載流子的輸運景象是最終確定半導(dǎo)體器件電流-電電壓特性的根底。壓特性的根底。q假設(shè)：雖然輸運過程中有電子和空穴的凈流動，假設(shè)：雖然輸運過程中有電子和空穴的凈流動，但是熱平衡形狀不會遭到干擾。但是熱平衡形狀不會遭到干擾。q涵義：涵義：n、p、EF的關(guān)系沒有變化。輸運過程中的關(guān)系沒有變化。輸運過程中特定位置的載流子濃度不發(fā)生變化特定位置的載流子濃度不發(fā)生變化q熱運動的速度遠遠超越漂移或分散速

2、度。外加熱運動的速度遠遠超越漂移或分散速度。外加作用，轉(zhuǎn)化為一個平均的統(tǒng)計的效果作用，轉(zhuǎn)化為一個平均的統(tǒng)計的效果第第3章章 載流子輸運景象載流子輸運景象化合物半導(dǎo)體材料與器件3.1 載流子的漂移運動載流子的漂移運動漂移電流密度：載流子在外加電場作用下的定向運漂移電流密度：載流子在外加電場作用下的定向運動稱為漂移運動，由載流子的漂移運動所構(gòu)成的動稱為漂移運動，由載流子的漂移運動所構(gòu)成的電流稱為漂移電流。電流稱為漂移電流。歐姆定律：歐姆定律：VIRIVR=V/IlRsls普通的歐姆定律不能表示出不同位置的電流分布普通的歐姆定律不能表示出不同位置的電流分布1化合物半導(dǎo)體材料與器件m電流密度：電流密度

3、：m 對于一段長為對于一段長為l，截面面積為，截面面積為s，電阻率為，電阻率為的均勻?qū)У木鶆驅(qū)w，假設(shè)備加以電壓體，假設(shè)備加以電壓V，那么導(dǎo)體內(nèi)建立均勻電場，那么導(dǎo)體內(nèi)建立均勻電場E，電場強度大小為：電場強度大小為：m 對于這一均勻?qū)w，有電流密度：對于這一均勻?qū)w，有電流密度：IJsIVEl將電流密度與該將電流密度與該處的電導(dǎo)率以及處的電導(dǎo)率以及電場強度聯(lián)絡(luò)起電場強度聯(lián)絡(luò)起來，稱為歐姆定來，稱為歐姆定律的微分方式律的微分方式化合物半導(dǎo)體材料與器件m漂移電流密度漂移電流密度drfIeNAvtJNevvAAtvEVA平均定向漂移速度平均定向漂移速度eN單位電量單位電量載流子濃度載流子濃度化合物半

4、導(dǎo)體材料與器件drfJeNvEvE普通說來，在弱場情況下，載流子的定向漂移速度與外普通說來，在弱場情況下，載流子的定向漂移速度與外加電場成正比，即：加電場成正比，即：其中其中稱作載流子的遷移率。稱作載流子的遷移率。因此有電導(dǎo)率和遷移率的關(guān)系：因此有電導(dǎo)率和遷移率的關(guān)系：eN遷移率的定義闡明：載遷移率的定義闡明：載流子的漂移速度與電場流子的漂移速度與電場強度成正比。強度成正比。drfJeNveNE化合物半導(dǎo)體材料與器件q載流子的散射載流子的散射EF=eE+-真空極板間的電子做勻加速運動真空極板間的電子做勻加速運動在恒定電場中，電子速度該當隨時間不斷增大，在恒定電場中，電子速度該當隨時間不斷增大，

5、從而電流密度將無限增大？和歐姆定律矛盾？從而電流密度將無限增大？和歐姆定律矛盾？化合物半導(dǎo)體材料與器件mgf質(zhì)量較大的物領(lǐng)會以更質(zhì)量較大的物領(lǐng)會以更高的速度下落高的速度下落 假設(shè)有一個斜坡足夠長，假設(shè)有一個斜坡足夠長，一塊石頭圓的，不思索摩擦作一塊石頭圓的，不思索摩擦作用，從坡頂滾下，那么石頭將作勻用，從坡頂滾下，那么石頭將作勻加速運動直至坡底。加速運動直至坡底。但假設(shè)坡上生長了很多樹木，但假設(shè)坡上生長了很多樹木，石頭在滾落過程中不時地會與這些石頭在滾落過程中不時地會與這些樹木相碰撞。碰撞改動了石頭的速樹木相碰撞。碰撞改動了石頭的速度大小和運動方向。那么最終石頭度大小和運動方向。那么最終石頭以

6、平均的速度滾落山坡。以平均的速度滾落山坡。沒有思索到石頭本身運動的影響。沒有思索到石頭本身運動的影響。碰撞方式不同碰撞方式不同 化合物半導(dǎo)體材料與器件m載流子散射的概念載流子散射的概念m 載流子在半導(dǎo)體中運動時，不斷地與熱振動著載流子在半導(dǎo)體中運動時，不斷地與熱振動著的晶格原子或電離了的雜質(zhì)離子發(fā)生碰撞。用波的概的晶格原子或電離了的雜質(zhì)離子發(fā)生碰撞。用波的概念，即電子波在半導(dǎo)體中傳播時遭到了散射。念，即電子波在半導(dǎo)體中傳播時遭到了散射。m 在實踐晶體中，存在各種晶格缺陷，晶格本身也在實踐晶體中，存在各種晶格缺陷，晶格本身也不斷進展著熱振動，它們使實踐晶格勢場偏離理想的不斷進展著熱振動，它們使實

7、踐晶格勢場偏離理想的周期勢，這相當于在嚴厲的周期勢場上疊加了附加的周期勢，這相當于在嚴厲的周期勢場上疊加了附加的勢。這個附加的勢場作用于載流子，將改動載流子的勢。這個附加的勢場作用于載流子，將改動載流子的運動形狀，即引起載流子的運動形狀，即引起載流子的“散射。散射?；衔锇雽?dǎo)體材料與器件碰撞：載流子的散射；即載流子速度的改動。碰撞：載流子的散射；即載流子速度的改動。經(jīng)典碰撞。實踐的接觸為碰撞。經(jīng)典碰撞。實踐的接觸為碰撞。類比：堵車時，汽車的挪動速度和方向，不斷由于其它汽類比：堵車時，汽車的挪動速度和方向，不斷由于其它汽車的位置變化而變化。雖然沒有實踐接觸，但由于妨礙車車的位置變化而變化。雖然沒

8、有實踐接觸，但由于妨礙車的存在，呵斥了汽車本身速度大小和方向的改動。這類似的存在，呵斥了汽車本身速度大小和方向的改動。這類似于載流子的散射，也即碰撞。于載流子的散射，也即碰撞。 化合物半導(dǎo)體材料與器件m半導(dǎo)體中電子和空穴的運動半導(dǎo)體中電子和空穴的運動12341234電場電場E E1234無外場條件下載流子的無規(guī)那么熱運無外場條件下載流子的無規(guī)那么熱運動動外場條件下空穴的熱運動和定向運動外場條件下空穴的熱運動和定向運動外場條件下電子的熱運動和定向運動外場條件下電子的熱運動和定向運動化合物半導(dǎo)體材料與器件m晶格散射晶格散射m 晶格原子振動以格波來描畫。格波能量量子化，格波晶格原子振動以格波來描畫。

9、格波能量量子化，格波能量變化以聲子為單位。電子和晶格之間的作用相當能量變化以聲子為單位。電子和晶格之間的作用相當于電子和聲子的碰撞。于電子和聲子的碰撞。EcEv晶格原子熱振動導(dǎo)致勢場的周期性遭晶格原子熱振動導(dǎo)致勢場的周期性遭到破壞，相當于添加了一個附加勢到破壞，相當于添加了一個附加勢理想晶格原子陳列理想晶格原子陳列以一定方式振動的晶格原子以一定方式振動的晶格原子化合物半導(dǎo)體材料與器件m電離雜質(zhì)散射電離雜質(zhì)散射化合物半導(dǎo)體材料與器件散射的影響散射的影響 熱平衡情況熱平衡情況散射使載流子的運動紊亂化。例如，假設(shè)某一時散射使載流子的運動紊亂化。例如，假設(shè)某一時辰晶體中的某些載流子的速度具有某一一樣的

10、方向，在辰晶體中的某些載流子的速度具有某一一樣的方向，在經(jīng)過一段時間以后，由于碰撞，將使這些載流子的速度經(jīng)過一段時間以后，由于碰撞，將使這些載流子的速度時機均等地分布在各個方向上。這里時機均等地分布在各個方向上。這里“紊亂化是相對紊亂化是相對于于“定向而言的，與這些載流子具有沿某一方向的初定向而言的，與這些載流子具有沿某一方向的初始動量相比，散射使它們失去原有的定向運動動量，這始動量相比，散射使它們失去原有的定向運動動量，這種景象稱為種景象稱為“動量馳豫。在晶體中，載流子和晶格、動量馳豫。在晶體中，載流子和晶格、缺陷之間的碰撞，進展得非常頻繁，每秒大約發(fā)生缺陷之間的碰撞，進展得非常頻繁，每秒大

11、約發(fā)生10121013 次，因此這種馳豫過程所需的時間僅約次，因此這種馳豫過程所需的時間僅約10-1210-13 秒，正是上述散射過程導(dǎo)致平衡分布確秒，正是上述散射過程導(dǎo)致平衡分布確實定，在平衡分布中，載流子的總動量為零，在晶體中實定，在平衡分布中，載流子的總動量為零，在晶體中不存在電流。不存在電流?；衔锇雽?dǎo)體材料與器件有外場的情況有外場的情況在晶體中存在電場時，電場的作用在于在晶體中存在電場時，電場的作用在于使載流子獲得沿電場方向的動量定向運動動量，使載流子獲得沿電場方向的動量定向運動動量，每個載流子單位時間內(nèi)由電場獲得的定向運動動量每個載流子單位時間內(nèi)由電場獲得的定向運動動量為為eE，但

12、是由于散射，載流子的動量不會像在理想，但是由于散射，載流子的動量不會像在理想晶體中那樣不斷添加；它們一方面由電場獲得定向晶體中那樣不斷添加；它們一方面由電場獲得定向運動動量，但另一方面又經(jīng)過碰撞失去定向運動動運動動量，但另一方面又經(jīng)過碰撞失去定向運動動量，在一定的電場強度下，平均來說，最終載流子量，在一定的電場強度下，平均來說，最終載流子只能堅持確定的定向運動動量，這時，載流子由電只能堅持確定的定向運動動量，這時，載流子由電場獲得定向運動動量的速率與經(jīng)過碰撞失去定向運場獲得定向運動動量的速率與經(jīng)過碰撞失去定向運動動量的速度堅持平衡。動動量的速度堅持平衡。此時晶體中的載流子將在無規(guī)那么熱運此時晶

13、體中的載流子將在無規(guī)那么熱運動的根底上疊加一定的定向運動。動的根底上疊加一定的定向運動?；衔锇雽?dǎo)體材料與器件m我們用有效質(zhì)量來描畫空穴的加速度與外力電場力我們用有效質(zhì)量來描畫空穴的加速度與外力電場力之間的關(guān)系之間的關(guān)系m v表示電場作用下的粒子速度漂移速度，不包括熱表示電場作用下的粒子速度漂移速度，不包括熱運動速度。假設(shè)粒子的初始速度為運動速度。假設(shè)粒子的初始速度為0，那么可以積分，那么可以積分得到：得到：*pdvFmeEdt*peEtvm化合物半導(dǎo)體材料與器件m用用cp來表示在兩次碰撞之間的平均漂移時間。來表示在兩次碰撞之間的平均漂移時間。mm 那么在弱場下，電場所導(dǎo)致的定向漂移速度和熱運

14、動那么在弱場下，電場所導(dǎo)致的定向漂移速度和熱運動速度相比很小速度相比很小1%，因此加外場后空穴的平均漂，因此加外場后空穴的平均漂移時間并沒有明顯變化。利用用平均漂移時間，可求移時間并沒有明顯變化。利用用平均漂移時間，可求得平均最大漂移速度為：得平均最大漂移速度為：1234電場電場E E1234*cppeEvm化合物半導(dǎo)體材料與器件因此空穴遷移率可表示為：因此空穴遷移率可表示為：*cpppemm同理，電子的平均漂移速度為：同理，電子的平均漂移速度為：*cndnpevEm 化合物半導(dǎo)體材料與器件m根據(jù)遷移率和速度以及電場的關(guān)系，知道：根據(jù)遷移率和速度以及電場的關(guān)系，知道：*cnnnem可以看到遷移

15、率與有效質(zhì)量有關(guān)。有效質(zhì)量小，在一樣的平可以看到遷移率與有效質(zhì)量有關(guān)。有效質(zhì)量小，在一樣的平均漂移時間內(nèi)獲得的漂移速度就大。均漂移時間內(nèi)獲得的漂移速度就大。遷移率還和平均漂移時間有關(guān)，平均漂移時間越大，那么載遷移率還和平均漂移時間有關(guān)，平均漂移時間越大，那么載流子獲得的加速時間就越長，因此漂移速度越大。流子獲得的加速時間就越長，因此漂移速度越大。平均漂移時間與散射幾率有關(guān)。平均漂移時間與散射幾率有關(guān)?；衔锇雽?dǎo)體材料與器件m典型半導(dǎo)體的載流子遷移率典型半導(dǎo)體的載流子遷移率空穴和電子的遷移率不同來源于其有效質(zhì)量不同空穴和電子的遷移率不同來源于其有效質(zhì)量不同化合物半導(dǎo)體材料與器件m在弱場下，主要的

16、散射機制：在弱場下，主要的散射機制：m晶格散射，電離雜質(zhì)散射晶格散射，電離雜質(zhì)散射單純由晶格振動散射所決議的載流子遷移率隨溫單純由晶格振動散射所決議的載流子遷移率隨溫度的變化關(guān)系為：度的變化關(guān)系為：3/2LT隨著溫度的升高，晶格振動越為猛烈，因此對載流子的散射隨著溫度的升高，晶格振動越為猛烈，因此對載流子的散射作用也越強，從而導(dǎo)致遷移率越低作用也越強，從而導(dǎo)致遷移率越低化合物半導(dǎo)體材料與器件如下圖為不同摻雜濃度如下圖為不同摻雜濃度下，硅單晶資料中電子下，硅單晶資料中電子的遷移率隨溫度的變化的遷移率隨溫度的變化關(guān)系表示圖。從圖中可關(guān)系表示圖。從圖中可見，在比較低的摻雜濃見，在比較低的摻雜濃度下，

17、電子的遷移率隨度下，電子的遷移率隨溫度的改動發(fā)生了十溫度的改動發(fā)生了十清楚顯的變化，這闡明清楚顯的變化，這闡明在低摻雜濃度的條件下，在低摻雜濃度的條件下，電子的遷移率主要受晶電子的遷移率主要受晶格振動散射的影響。格振動散射的影響?；衔锇雽?dǎo)體材料與器件右圖所示為不同摻雜濃右圖所示為不同摻雜濃度下，硅單晶資料中空度下，硅單晶資料中空穴的遷移率隨溫度的變穴的遷移率隨溫度的變化關(guān)系表示圖。從圖中化關(guān)系表示圖。從圖中可見，在比較低的摻雜可見，在比較低的摻雜濃度下，空穴的遷移率濃度下，空穴的遷移率同樣隨溫度的改動發(fā)生同樣隨溫度的改動發(fā)生了十清楚顯的變化，這了十清楚顯的變化，這闡明在低摻雜濃度的條闡明在低

18、摻雜濃度的條件下，空穴的遷移率也件下，空穴的遷移率也是主要受晶格振動散射是主要受晶格振動散射的影響。的影響?；衔锇雽?dǎo)體材料與器件載流子在半導(dǎo)體晶體資料中運動時所遭到的第二類散載流子在半導(dǎo)體晶體資料中運動時所遭到的第二類散射機制是所謂的離化雜質(zhì)電荷中心的庫侖散射作用。射機制是所謂的離化雜質(zhì)電荷中心的庫侖散射作用。單純由離化雜質(zhì)散射所決議的載流子遷移率隨溫度和單純由離化雜質(zhì)散射所決議的載流子遷移率隨溫度和總的摻雜濃度的變化關(guān)系為：總的摻雜濃度的變化關(guān)系為：其中其中NINDNA ，為總的離化雜質(zhì)濃度。從上式，為總的離化雜質(zhì)濃度。從上式中可見，離化雜質(zhì)散射所決議的載流子遷移率隨溫度的中可見，離化雜質(zhì)

19、散射所決議的載流子遷移率隨溫度的升高而增大，這是由于溫度越高，載流子熱運動的程度升高而增大，這是由于溫度越高，載流子熱運動的程度就會越猛烈，載流子經(jīng)過離化雜質(zhì)電荷中心附近所需的就會越猛烈，載流子經(jīng)過離化雜質(zhì)電荷中心附近所需的時間就會越短，因此離化雜質(zhì)散射所起的作用也就越小。時間就會越短，因此離化雜質(zhì)散射所起的作用也就越小。化合物半導(dǎo)體材料與器件以下圖所示為室溫以下圖所示為室溫300K300K條件下硅單晶資料中電子和空穴條件下硅單晶資料中電子和空穴的遷移率隨總的摻雜濃度的變化關(guān)系曲線。從圖中可見，隨的遷移率隨總的摻雜濃度的變化關(guān)系曲線。從圖中可見，隨著摻雜濃度的提高，載流子的遷移率發(fā)生明顯的下降

20、。著摻雜濃度的提高，載流子的遷移率發(fā)生明顯的下降。化合物半導(dǎo)體材料與器件以下圖所示為室溫以下圖所示為室溫300K300K條件下鍺單晶資料中電子和空穴條件下鍺單晶資料中電子和空穴的遷移率隨總的摻雜濃度的變化關(guān)系曲線。從圖中可見，隨的遷移率隨總的摻雜濃度的變化關(guān)系曲線。從圖中可見，隨著摻雜濃度的提高，鍺資料中載流子的遷移率也發(fā)生明顯的著摻雜濃度的提高，鍺資料中載流子的遷移率也發(fā)生明顯的下降。下降?；衔锇雽?dǎo)體材料與器件以下圖所示為室溫以下圖所示為室溫300K300K條件下砷化鎵單晶資料中電子和空條件下砷化鎵單晶資料中電子和空穴的遷移率隨總的摻雜濃度的變化關(guān)系曲線。從圖中可見，隨穴的遷移率隨總的摻雜

21、濃度的變化關(guān)系曲線。從圖中可見，隨著摻雜濃度的提高，砷化鎵資料中載流子的遷移率同樣也發(fā)生著摻雜濃度的提高，砷化鎵資料中載流子的遷移率同樣也發(fā)生明顯的下降。明顯的下降?；衔锇雽?dǎo)體材料與器件假設(shè)假設(shè)LL是由于晶格振動散射所導(dǎo)致的載流子自在運動時間，是由于晶格振動散射所導(dǎo)致的載流子自在運動時間，那么載流子在那么載流子在dtdt時間內(nèi)發(fā)生晶格振動散射的幾率為時間內(nèi)發(fā)生晶格振動散射的幾率為dt /Ldt /L；同樣，假設(shè)同樣，假設(shè)II是由于離化雜質(zhì)散射所導(dǎo)致的載流子自在運動是由于離化雜質(zhì)散射所導(dǎo)致的載流子自在運動時間，那么載流子在時間，那么載流子在dtdt時間內(nèi)發(fā)生離化雜質(zhì)散射的幾率為時間內(nèi)發(fā)生離化雜

22、質(zhì)散射的幾率為dt / dt / II；假設(shè)兩種散射機制相互獨立，那么在；假設(shè)兩種散射機制相互獨立，那么在dtdt時間內(nèi)載流子發(fā)時間內(nèi)載流子發(fā)生散射的總幾率為：生散射的總幾率為：其中其中是載流子發(fā)生延續(xù)兩次恣意散射過程之間的自在運動時是載流子發(fā)生延續(xù)兩次恣意散射過程之間的自在運動時間。上式的物理意義就是載流子在半導(dǎo)體晶體資料中所遭到的間。上式的物理意義就是載流子在半導(dǎo)體晶體資料中所遭到的總散射幾率對于各個不同散射機制的散射幾率之和，這對于多總散射幾率對于各個不同散射機制的散射幾率之和，這對于多種散射機制同時存在的情況也是成立的。種散射機制同時存在的情況也是成立的?；衔锇雽?dǎo)體材料與器件上式中，

23、上式中，II是只需離化雜質(zhì)散射存在時的載流子遷移率，而是只需離化雜質(zhì)散射存在時的載流子遷移率，而LL那么是只需晶格振動散射存在時的載流子遷移率，那么是只需晶格振動散射存在時的載流子遷移率，是總是總的載流子遷移率。當有多個獨立的散射機制同時存在時，上式的載流子遷移率。當有多個獨立的散射機制同時存在時，上式依然成立，這也意味著由于多種散射機制的影響，載流子總的依然成立，這也意味著由于多種散射機制的影響，載流子總的遷移率將會更低。遷移率將會更低。因此利用遷移率公式：因此利用遷移率公式：我們不難得到：我們不難得到：*em111LI化合物半導(dǎo)體材料與器件q從兩種散射機制上來看：在低溫下，晶格振動較從兩種

24、散射機制上來看：在低溫下，晶格振動較弱，因此晶格散射較弱，遷移率受電離雜質(zhì)散射弱，因此晶格散射較弱，遷移率受電離雜質(zhì)散射作用更為明顯；在高溫下，晶格振動較強，載流作用更為明顯；在高溫下，晶格振動較強，載流子運動速度較快，電離雜質(zhì)散射作用減弱。子運動速度較快，電離雜質(zhì)散射作用減弱。總的來說，遷移率隨著雜質(zhì)的增多而下降，隨著溫度升總的來說，遷移率隨著雜質(zhì)的增多而下降，隨著溫度升高而下降：高而下降：雜質(zhì)濃度低時，雜質(zhì)濃度低時， 的起點高、下降快；的起點高、下降快；雜質(zhì)濃度高時，雜質(zhì)濃度高時， 的起點低、下降慢。的起點低、下降慢?；衔锇雽?dǎo)體材料與器件q電導(dǎo)率和電阻率電導(dǎo)率和電阻率q電流密度：電流密度

25、：q對于一段長為對于一段長為l，截面面積為，截面面積為s，電阻率為，電阻率為的的均勻?qū)w，假設(shè)備加以電壓均勻?qū)w，假設(shè)備加以電壓V，那么導(dǎo)體內(nèi)建立，那么導(dǎo)體內(nèi)建立均勻電場均勻電場E，電場強度大小為：，電場強度大小為：q對于這一均勻?qū)w，有電流密度：對于這一均勻?qū)w，有電流密度：IJsIVEl/E lIVJssElsRs將電流密度與該將電流密度與該處的電導(dǎo)率以及處的電導(dǎo)率以及電場強度聯(lián)絡(luò)起電場強度聯(lián)絡(luò)起來，稱為歐姆定來，稱為歐姆定律的微分方式律的微分方式化合物半導(dǎo)體材料與器件m半導(dǎo)體的電阻率和電導(dǎo)率半導(dǎo)體的電阻率和電導(dǎo)率11drfnpnpnpIeNAvtJNevvAAtenp EEenpenp顯

26、然：電導(dǎo)率電阻率與載流子顯然：電導(dǎo)率電阻率與載流子濃度摻雜濃度和遷移率有關(guān)濃度摻雜濃度和遷移率有關(guān)化合物半導(dǎo)體材料與器件右圖所示為右圖所示為N N型和型和P P型硅單型硅單晶資料在室晶資料在室溫溫(300K)(300K)條條件下電阻率件下電阻率隨摻雜濃度隨摻雜濃度的變化關(guān)系的變化關(guān)系曲線。曲線。m電阻率和雜質(zhì)濃度的關(guān)系電阻率和雜質(zhì)濃度的關(guān)系化合物半導(dǎo)體材料與器件右圖所示為右圖所示為N N型型和和P P型鍺、砷化型鍺、砷化鎵以及磷化鎵單鎵以及磷化鎵單晶資料在室溫晶資料在室溫(300K)(300K)條件下電條件下電阻率隨摻雜濃度阻率隨摻雜濃度的變化關(guān)系曲線。的變化關(guān)系曲線?；衔锇雽?dǎo)體材料與器件m

27、電阻率電導(dǎo)率同時受載流子濃度雜質(zhì)濃度和電阻率電導(dǎo)率同時受載流子濃度雜質(zhì)濃度和遷移率的影響，因此電阻率和雜質(zhì)濃度不是線性關(guān)系。遷移率的影響，因此電阻率和雜質(zhì)濃度不是線性關(guān)系。m對于非本征半導(dǎo)體來說，資料的電阻率電導(dǎo)率主對于非本征半導(dǎo)體來說，資料的電阻率電導(dǎo)率主要和多數(shù)載流子濃度以及遷移率有關(guān)。要和多數(shù)載流子濃度以及遷移率有關(guān)。m雜質(zhì)濃度增高時，曲線嚴重偏離直線，主要緣由：雜質(zhì)濃度增高時，曲線嚴重偏離直線，主要緣由：m雜質(zhì)在室溫下不能完全電離雜質(zhì)在室溫下不能完全電離m遷移率隨雜質(zhì)濃度的添加而顯著下降遷移率隨雜質(zhì)濃度的添加而顯著下降m由于電子和空穴的遷移率不同，因此在一定溫度下，由于電子和空穴的遷移

28、率不同，因此在一定溫度下，不一定本征半導(dǎo)體的電導(dǎo)率最小。不一定本征半導(dǎo)體的電導(dǎo)率最小?；衔锇雽?dǎo)體材料與器件右圖所示為一塊右圖所示為一塊N N型半型半導(dǎo)體資料中，當施主導(dǎo)體資料中，當施主雜質(zhì)的摻雜濃度雜質(zhì)的摻雜濃度NDND為為1E15cm-31E15cm-3時，半導(dǎo)體時，半導(dǎo)體資料中的電子濃度及資料中的電子濃度及其電導(dǎo)率隨溫度的變其電導(dǎo)率隨溫度的變化關(guān)系曲線?；P(guān)系曲線。m電導(dǎo)率和溫度的關(guān)系電導(dǎo)率和溫度的關(guān)系化合物半導(dǎo)體材料與器件 從圖中可見，在非本征激發(fā)為主的中等溫度區(qū)間內(nèi)即大從圖中可見，在非本征激發(fā)為主的中等溫度區(qū)間內(nèi)即大約約200K200K至至450K450K之間，此時雜質(zhì)完全離化，即電

29、子的濃度根本之間，此時雜質(zhì)完全離化，即電子的濃度根本堅持不變，但是由于在此溫度區(qū)間內(nèi)載流子的遷移率隨著溫度堅持不變，但是由于在此溫度區(qū)間內(nèi)載流子的遷移率隨著溫度的升高而下降，因此在此溫度區(qū)間內(nèi)半導(dǎo)體資料的電導(dǎo)率也隨的升高而下降，因此在此溫度區(qū)間內(nèi)半導(dǎo)體資料的電導(dǎo)率也隨著溫度的升高而出現(xiàn)了一段下降的情形。著溫度的升高而出現(xiàn)了一段下降的情形。 當溫度進一步升高，那么進入本征激發(fā)區(qū)，此時本征載流當溫度進一步升高，那么進入本征激發(fā)區(qū)，此時本征載流子的濃度隨著溫度的上升而迅速添加，因此電導(dǎo)率也隨著溫度子的濃度隨著溫度的上升而迅速添加，因此電導(dǎo)率也隨著溫度的上升而迅速添加。的上升而迅速添加。 而當溫度比較

30、低時，那么由于雜質(zhì)原子的凍結(jié)效應(yīng)，載流而當溫度比較低時，那么由于雜質(zhì)原子的凍結(jié)效應(yīng)，載流子濃度和半導(dǎo)體資料的電導(dǎo)率都隨著溫度的下降而不斷減小。子濃度和半導(dǎo)體資料的電導(dǎo)率都隨著溫度的下降而不斷減小?；衔锇雽?dǎo)體材料與器件m電阻率和溫度的變化關(guān)系：電阻率和溫度的變化關(guān)系：T T低溫低溫飽和飽和本征本征低溫下晶格振動不明顯，本征載流子濃度低。低溫下晶格振動不明顯，本征載流子濃度低。電離中心散射隨溫度升高而減弱，遷移率添加電離中心散射隨溫度升高而減弱，遷移率添加雜質(zhì)全部電離，載流子濃度不變；晶格振動散雜質(zhì)全部電離，載流子濃度不變；晶格振動散射起主要作用，隨溫度升高遷移率下降射起主要作用，隨溫度升高遷移

31、率下降本征區(qū)，載本征區(qū)，載流子濃度隨流子濃度隨溫度升高而溫度升高而迅速升高，迅速升高，化合物半導(dǎo)體材料與器件q載流子的漂移速度飽和效應(yīng)載流子的漂移速度飽和效應(yīng)前邊關(guān)于遷移率的討論不斷建立在一個根底之上：弱前邊關(guān)于遷移率的討論不斷建立在一個根底之上：弱場條件。即電場呵斥的漂移速度和熱運動速度相比較小，從場條件。即電場呵斥的漂移速度和熱運動速度相比較小，從而不顯著改動載流子的平均自在時間。但在強場下，載流子而不顯著改動載流子的平均自在時間。但在強場下，載流子從電場獲得的能量較多，從而其速度動量有較大的改動，從電場獲得的能量較多，從而其速度動量有較大的改動，這時，會呵斥平均自在時間減小，散射加強，最

32、終導(dǎo)致遷移這時，會呵斥平均自在時間減小，散射加強，最終導(dǎo)致遷移率下降，速度飽和。對于熱運動的電子：率下降，速度飽和。對于熱運動的電子： 上述隨機熱運動能量對應(yīng)于硅資料中電子的平均熱運動速度上述隨機熱運動能量對應(yīng)于硅資料中電子的平均熱運動速度為為107cm/s107cm/s；假設(shè)我們假設(shè)在低摻雜濃度下硅資料中電子的遷移；假設(shè)我們假設(shè)在低摻雜濃度下硅資料中電子的遷移率為率為n=0cm2/Vn=0cm2/Vs s，那么當外加電場為，那么當外加電場為75V/cm75V/cm時，對應(yīng)的載流子時，對應(yīng)的載流子定向漂移運動速度僅為定向漂移運動速度僅為105cm/s105cm/s，只需平均熱運動速度的百分之，

33、只需平均熱運動速度的百分之一。一?；衔锇雽?dǎo)體材料與器件在弱場條件下，載流子的平均自在運動時間根本上由載流子的在弱場條件下，載流子的平均自在運動時間根本上由載流子的熱運動速度決議，不隨電場的改動而發(fā)生變化，因此弱場下載熱運動速度決議，不隨電場的改動而發(fā)生變化，因此弱場下載流子的遷移率可以看成是一個常數(shù)。流子的遷移率可以看成是一個常數(shù)。 當外加電場加強為當外加電場加強為7.5kV/cm7.5kV/cm之后，對應(yīng)的載流子定向漂移之后，對應(yīng)的載流子定向漂移運動速度將到達運動速度將到達107cm/s107cm/s，這與載流子的平均熱運動速度持平。，這與載流子的平均熱運動速度持平。此時，載流子的平均自在

34、運動時間將由熱運動速度和定向漂移此時，載流子的平均自在運動時間將由熱運動速度和定向漂移運動速度共同決議，因此載流子的平均自在運動時間將隨著外運動速度共同決議，因此載流子的平均自在運動時間將隨著外加電場的加強而不斷下降，由此導(dǎo)致載流子的遷移率隨著外加加電場的加強而不斷下降，由此導(dǎo)致載流子的遷移率隨著外加電場的不斷增大而出現(xiàn)逐漸下降的趨勢，最終使得載流子的漂電場的不斷增大而出現(xiàn)逐漸下降的趨勢，最終使得載流子的漂移運動速度出現(xiàn)飽和景象，即載流子的漂移運動速度不再隨著移運動速度出現(xiàn)飽和景象，即載流子的漂移運動速度不再隨著外加電場的添加而繼續(xù)增大。外加電場的添加而繼續(xù)增大。*cpeEvm化合物半導(dǎo)體材料

35、與器件m簡單模型簡單模型m 假設(shè)載流子在兩次碰撞之間的自在路程為假設(shè)載流子在兩次碰撞之間的自在路程為l，自在時，自在時間為間為t，載流子的運動速度為，載流子的運動速度為v：mm 在電場作用下：在電場作用下：m vd為電場中的漂移速度，為電場中的漂移速度，vth為熱運動速度。為熱運動速度。ltvdthvvv化合物半導(dǎo)體材料與器件弱場：弱場：310/EV cm710/thvcm s*TdlVemvEE平均漂移速度平均漂移速度 ：化合物半導(dǎo)體材料與器件較強電場：較強電場：強電場：強電場：351010/EV cmdthlvvdE，v，平均漂移速度平均漂移速度VdVd隨電場添加而緩慢增大隨電場添加而緩慢

36、增大510/EV cm12dthdvvlvE化合物半導(dǎo)體材料與器件1,11()dECEEvEC又常數(shù)速度飽和速度飽和化合物半導(dǎo)體材料與器件右圖所示為右圖所示為鍺、硅及砷鍺、硅及砷化鎵單晶資化鎵單晶資料中電子和料中電子和空穴的漂移空穴的漂移運動速度隨運動速度隨著外加電場著外加電場強度的變化強度的變化關(guān)系。關(guān)系。m遷移率和電場的關(guān)系遷移率和電場的關(guān)系化合物半導(dǎo)體材料與器件從上述載流子漂移速度隨外加電場的變化關(guān)系曲線中可從上述載流子漂移速度隨外加電場的變化關(guān)系曲線中可以看出，在弱場條件下，漂移速度與外加電場成線性變化關(guān)系，以看出，在弱場條件下，漂移速度與外加電場成線性變化關(guān)系，曲線的斜率就是載流子的

37、遷移率；而在高電場條件下，漂移速曲線的斜率就是載流子的遷移率；而在高電場條件下，漂移速度與電場之間的變化關(guān)系將逐漸偏離低電場條件下的線性變化度與電場之間的變化關(guān)系將逐漸偏離低電場條件下的線性變化關(guān)系。以硅單晶資料中的電子為例，當外加電場添加到關(guān)系。以硅單晶資料中的電子為例，當外加電場添加到30kV/cm30kV/cm時，其漂移速度將到達飽和值，即到達時，其漂移速度將到達飽和值，即到達107cm/s107cm/s；當載；當載流子的漂移速度出現(xiàn)飽和時，漂移電流密度也將出現(xiàn)飽和特性，流子的漂移速度出現(xiàn)飽和時，漂移電流密度也將出現(xiàn)飽和特性，即漂移電流密度不再隨著外加電場的進一步升高而增大。即漂移電流密

38、度不再隨著外加電場的進一步升高而增大。對于砷化鎵晶體資料來說，其載流子的漂移速度隨外加對于砷化鎵晶體資料來說，其載流子的漂移速度隨外加電場的變化關(guān)系要比硅和鍺單晶資料中的情況復(fù)雜得多，這主電場的變化關(guān)系要比硅和鍺單晶資料中的情況復(fù)雜得多，這主要是由砷化鎵資料特殊的能帶構(gòu)造所決議的。要是由砷化鎵資料特殊的能帶構(gòu)造所決議的?；衔锇雽?dǎo)體材料與器件3.2 載流子分散載流子分散分散定律分散定律當載流子在空間存在不均勻分布時，載流當載流子在空間存在不均勻分布時，載流子將由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)分散。子將由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)分散。分散是經(jīng)過載流子的熱運動實現(xiàn)的。由于分散是經(jīng)過載流子的熱運動實現(xiàn)的。由于熱運動，

39、不同區(qū)域之間不斷進展著載流子熱運動，不同區(qū)域之間不斷進展著載流子的交換，假設(shè)載流子的分布不均勻，這種的交換，假設(shè)載流子的分布不均勻，這種交換就會使得分布均勻化，引起載流子在交換就會使得分布均勻化，引起載流子在宏觀上的運動。因此分散流的大小與載流宏觀上的運動。因此分散流的大小與載流子的不均勻性相關(guān)，而與數(shù)量無直接關(guān)系。子的不均勻性相關(guān)，而與數(shù)量無直接關(guān)系?；衔锇雽?dǎo)體材料與器件m無規(guī)那么的熱運動導(dǎo)致粒子向各個方向運動的幾率都一無規(guī)那么的熱運動導(dǎo)致粒子向各個方向運動的幾率都一樣。樣。m平衡態(tài)：各處濃度相等，由于熱運動導(dǎo)致的各區(qū)域內(nèi)粒平衡態(tài)：各處濃度相等，由于熱運動導(dǎo)致的各區(qū)域內(nèi)粒子交換的數(shù)量一樣，

40、表現(xiàn)為宏觀區(qū)域內(nèi)粒子數(shù)不變，即子交換的數(shù)量一樣，表現(xiàn)為宏觀區(qū)域內(nèi)粒子數(shù)不變，即一致的粒子濃度。一致的粒子濃度。m不均勻時：高濃度區(qū)域粒子向低濃度區(qū)域運動的平均粒不均勻時：高濃度區(qū)域粒子向低濃度區(qū)域運動的平均粒子數(shù)超越相反的過程，因此表現(xiàn)為粒子的凈流動，從而子數(shù)超越相反的過程，因此表現(xiàn)為粒子的凈流動，從而導(dǎo)致定向分散。導(dǎo)致定向分散。m分散與濃度的不均勻有關(guān)，并且只與不均勻有關(guān)，而與分散與濃度的不均勻有關(guān)，并且只與不均勻有關(guān)，而與總濃度無關(guān)?？倽舛葻o關(guān)。m例：例：m類比：勢能：只與相對值有關(guān)，而與絕對值無關(guān)。類比：勢能：只與相對值有關(guān)，而與絕對值無關(guān)。水壩勢能只與落差有關(guān)，而與海拔無關(guān)。水壩勢能只

41、與落差有關(guān)，而與海拔無關(guān)。10:820:18100:9810000:9998化合物半導(dǎo)體材料與器件m粒子的分散粒子的分散m空間分布不均勻濃度梯度空間分布不均勻濃度梯度m無規(guī)那么的熱運動無規(guī)那么的熱運動m假設(shè)粒子帶電，那么定向的分散構(gòu)成定向的電流：分散假設(shè)粒子帶電，那么定向的分散構(gòu)成定向的電流：分散電流電流光照光照化合物半導(dǎo)體材料與器件q 分散粒子流密度：分散粒子流密度： Fq一維模型：粒子只能在一維方向上一維模型：粒子只能在一維方向上運動。運動。q在某一截面兩側(cè)粒子的平均自在程在某一截面兩側(cè)粒子的平均自在程ll=vth范圍內(nèi)，由于熱運動而穿過范圍內(nèi)，由于熱運動而穿過截面的粒子數(shù)為該區(qū)域粒子數(shù)的

42、截面的粒子數(shù)為該區(qū)域粒子數(shù)的1/2。 q分散流密度：單位時間經(jīng)過分散的分散流密度：單位時間經(jīng)過分散的方式流過垂直的單位截面積的粒子數(shù)方式流過垂直的單位截面積的粒子數(shù)111222thththFnl vnl vvnlnlxx+lx-l thdn xFlvdx 化合物半導(dǎo)體材料與器件m分散電流密度：分散電流密度：m對于帶電粒子來說，粒子的分散運動構(gòu)成分散電流。對于帶電粒子來說，粒子的分散運動構(gòu)成分散電流。 nnthndn xJeFelvdxdn xeDdx ppthpdp xJeFelvdxdp xeDdx n(+l)n(-l)n(0)濃度濃度電子流電子流電子電流電子電流x(-l)x(+l)xn(+

43、l)n(-l)n(0)濃度濃度空穴流空穴流空穴電流空穴電流x(-l)x(+l)x分散分散系數(shù)系數(shù)化合物半導(dǎo)體材料與器件q總電流密度總電流密度q半導(dǎo)體中四種獨立的電流：電子的漂移及分散電半導(dǎo)體中四種獨立的電流：電子的漂移及分散電流；空穴的漂移及分散電流。流；空穴的漂移及分散電流。q總電流密度為四者之和：總電流密度為四者之和：nxpxnpdndpJenEepEeDeDdxdx漂移電流：一樣漂移電流：一樣的電場下，電子的電場下，電子電流與空穴電流電流與空穴電流的方向一樣。的方向一樣。分散電流：一樣的分散電流：一樣的濃度梯度下，電子濃度梯度下，電子電流與空穴電流的電流與空穴電流的方向相反。方向相反。在

44、半導(dǎo)體中，電子和空穴的分散系數(shù)分別與其遷移率有關(guān)在半導(dǎo)體中，電子和空穴的分散系數(shù)分別與其遷移率有關(guān)化合物半導(dǎo)體材料與器件3.3 雜質(zhì)濃度分布與愛因斯坦關(guān)系雜質(zhì)濃度分布與愛因斯坦關(guān)系前邊討論的都是均勻摻雜的半導(dǎo)體資料，前邊討論的都是均勻摻雜的半導(dǎo)體資料，在實踐的半導(dǎo)體器件中，經(jīng)常有非均勻摻在實踐的半導(dǎo)體器件中，經(jīng)常有非均勻摻雜的區(qū)域。雜的區(qū)域。熱平衡形狀下：非均勻摻雜將導(dǎo)致在空間熱平衡形狀下：非均勻摻雜將導(dǎo)致在空間的各個位置雜質(zhì)濃度不同，從而載流子濃的各個位置雜質(zhì)濃度不同，從而載流子濃度不同。構(gòu)成的載流子濃度梯度將產(chǎn)生分度不同。構(gòu)成的載流子濃度梯度將產(chǎn)生分散電流。并且由于局域的剩余電荷雜質(zhì)散電流

45、。并且由于局域的剩余電荷雜質(zhì)離子存在而產(chǎn)生內(nèi)建電場。離子存在而產(chǎn)生內(nèi)建電場。內(nèi)建電場構(gòu)成的漂移電流與分散電流方向內(nèi)建電場構(gòu)成的漂移電流與分散電流方向相反，當?shù)竭_動態(tài)平衡時，兩個電流相等，相反，當?shù)竭_動態(tài)平衡時，兩個電流相等，不表現(xiàn)出宏觀電流，從而呵斥了遷移率和不表現(xiàn)出宏觀電流，從而呵斥了遷移率和分散系數(shù)之間的關(guān)聯(lián)：愛因斯坦關(guān)系。分散系數(shù)之間的關(guān)聯(lián)：愛因斯坦關(guān)系?；衔锇雽?dǎo)體材料與器件q 緩變雜質(zhì)分布引起的內(nèi)建電場緩變雜質(zhì)分布引起的內(nèi)建電場熱平衡形狀的半導(dǎo)體資料費米能級堅持為一個常數(shù)，熱平衡形狀的半導(dǎo)體資料費米能級堅持為一個常數(shù)，因此非均勻摻雜半導(dǎo)體不同位置因此非均勻摻雜半導(dǎo)體不同位置E=Ec-

46、EF不同。不同。其能帶構(gòu)造如下圖：其能帶構(gòu)造如下圖：熱平衡形狀下的均勻摻雜半導(dǎo)體熱平衡形狀下的均勻摻雜半導(dǎo)體ExEcEvEFiEFExEcEvEFiEF熱平衡形狀下的不均勻摻雜半導(dǎo)體熱平衡形狀下的不均勻摻雜半導(dǎo)體nxE化合物半導(dǎo)體材料與器件多數(shù)載流子電子從濃度高的位置流向濃度低的位置，即多數(shù)載流子電子從濃度高的位置流向濃度低的位置，即電子沿著電子沿著x的方向流動，同時留下帶正電荷的施主離子，施的方向流動，同時留下帶正電荷的施主離子，施主離子和電子在空間位置上的分別將會誘生出一個指向主離子和電子在空間位置上的分別將會誘生出一個指向x方方向的內(nèi)建電場，該電場的構(gòu)成會阻止電子的進一步分散。向的內(nèi)建電

47、場，該電場的構(gòu)成會阻止電子的進一步分散。到達平衡后，空間各處電子的濃度不完全等同于施主雜質(zhì)到達平衡后，空間各處電子的濃度不完全等同于施主雜質(zhì)的摻雜濃度，但是這種差別并不是很大。準電中性條件的摻雜濃度，但是這種差別并不是很大。準電中性條件化合物半導(dǎo)體材料與器件對于一塊非均勻摻雜的對于一塊非均勻摻雜的N型半導(dǎo)體資料，我們定義各處電型半導(dǎo)體資料，我們定義各處電勢電子勢能除以電子電量勢電子勢能除以電子電量-e：eEEFiFdxdEedxdEFix1半導(dǎo)體各處的電場強度為：半導(dǎo)體各處的電場強度為：假設(shè)電子濃度與施主雜質(zhì)濃度根本相等準電中性條件，假設(shè)電子濃度與施主雜質(zhì)濃度根本相等準電中性條件，那么有：那么

48、有：)(exp0 xNKTEEnndFiFi留意：電子勢能負留意：電子勢能負值；電子電量負值；值；電子電量負值；電勢正值；電勢正值；化合物半導(dǎo)體材料與器件熱平衡時費米能級熱平衡時費米能級EF恒定，所以對恒定，所以對x求導(dǎo)可得：求導(dǎo)可得：dxxdNxNKTdxdEddFi)()(因此，電場為：因此，電場為：dxxdNxNeKTEddx)()(1)(由上式看出，由于存在非均勻摻雜，將使得半導(dǎo)體中產(chǎn)生由上式看出，由于存在非均勻摻雜，將使得半導(dǎo)體中產(chǎn)生內(nèi)建電場。一旦有了內(nèi)建電場，在非均勻摻雜的半導(dǎo)體資內(nèi)建電場。一旦有了內(nèi)建電場，在非均勻摻雜的半導(dǎo)體資料中就會相應(yīng)地產(chǎn)生出內(nèi)建電勢差。料中就會相應(yīng)地產(chǎn)生出內(nèi)建電勢差?；衔锇雽?dǎo)體材料與器件q愛因斯坦關(guān)系愛因斯坦關(guān)系依然以前面分