半導體物理 第四章 半導體的導電性1

1、 第四章 半導體的導電性Electrical conduction of semiconductors重點： 遷移率(Mobility) 散射(Scattering mechanisms) 影響遷移率的本質因素 弱電場下電導率的統(tǒng)計理論4.1 載流子的漂移運動 遷移率The drift motion of Carrier,Mobility漂移運動 擴散運動 遷移率 重 點 一、散射與漂移運動 加上外電場E的理想:載流子定向運動，即漂移運動。漂移運動The drift motion of Carrier,Mobility在嚴格周期性勢場（理想）中運動的載流子在電場力的作用下將獲得加速度，其漂移速

2、度應越來越大。結論The drift motion of Carrier,Mobility實際中，見到：The drift motion of Carrier,Mobility存在破壞周期性勢場的作用因素：如： * 雜質 * 缺陷 * 晶格熱振動 散射 The drift motion of Carrier,Mobility2、遷移率假設討論的是n型半導體，電子濃度為n0，在外電場下通過半導體的電流密度 The drift motion of Carrier,MobilityThe drift motion of Carrier,Mobility 表征了在單位電場下載流子的 平均漂移速度。 它

3、是表示半導體電遷移能力的重要參數(shù)。The drift motion of Carrier,Mobility遷移率同理，對p型半導體The drift motion of Carrier,Mobility對一般半導體The drift motion of Carrier,Mobility對本征半導體The drift motion of Carrier,Mobility4.2 載 流 子 的 散 射The Scattering of CarriersKEY 散射 使遷移率減小 散射機構 即各種散射因素1、載流子散射（1）載流子的熱運動自由程l：相鄰兩次散射之 間自由運動的路程。The Scatt

4、ering of Carriers平均自由程：連續(xù)兩次散射間自由運動 的平均路程。（2）、載流子的漂移運動The Scattering of Carriers載流子在電場作用下不斷加速 理想情況 （無散射） 在外電場作用下，實際上，載流子的運動是： 熱運動+漂移運動 單位時間內一個載流子被散射的次數(shù) 電流 散射幾率 P The Scattering of Carriers2、半導體的主要散射機構電離雜質散射 晶格振動散射 等同能谷間的散射 中性雜質散射 位錯散射 載流子與載流子間的散射The Scattering of Carriers散射的概念半導體內部的大量載流子，在作永不停息地、無規(guī)則的

5、熱運動；載流子不斷地與熱振動著的晶格原子或雜質原子發(fā)生作用或碰撞，碰撞后的速度大小及方向就發(fā)生改變；The Scattering of Carriers 載流子在兩次散射之間才真正是自由運動的。其連續(xù)兩次散射間自由運動的平均路程稱為平均自由程，而平均時間稱為平均自由時間。The Scattering of Carriers半導體中的散射機構: 散射的根本原因可以認為是由于多種原因產(chǎn)生的附加勢場，破壞了周期性勢場，使能帶中的電子在不同狀態(tài)k間躍遷 。The Scattering of Carriers產(chǎn)生附加勢場的原因： 電離雜質的散射：電離施主或受主周圍形成一個庫侖勢場 晶格振動的散射 其它散

6、射因素： 等同的能谷間散射 未電離中性雜質散射 位錯散射 載流子之間散射 The Scattering of Carriers1）電離雜質散射（即庫侖散射）散射幾率PiNiT-3/2 （Ni：為雜質濃度總和）The Scattering of CarriersThe Scattering of Carriers2）晶格振動散射有N個原胞的晶體 有N個格波波矢q 一個q=3支光學波(高頻)+3支聲學波(低頻) 振動方式: 3個光學波=1個縱波+2個橫波 3個聲學波=1個縱波+2個橫波 格波的能量效應以ha為單元 聲子The Scattering of Carriers晶格振動散射晶格振動：格點原

7、子在平衡位置做微振動： q和為振動格波的波矢量和角頻率低的格波稱為 聲學波，頻率高的稱為光學波。一般地，如晶體中含N個晶胞，每個晶胞有n個原子，則：晶體振動共有：N個波矢； 3nN個振動頻率； 3N支聲學波； 3N(n-1)支光學波。The Scattering of Carriers 格波的速度（相速度）為 : 由于晶格結構的周期性，頻率v的格波的能量是量子化的，格波的能量以=hv為單元。把格波的能量量子稱為聲子 The Scattering of Carriers聲學波散射: 能帶具有單一極值的半導體中起主要散射作用的是長波，也就是波長比原子間距大很多倍的格波。 縱波在散射中起主要作用。長

8、縱聲學波傳播時會造成原子分布的疏密變化；禁帶寬度隨原于間距變化，疏處禁帶寬度減小、密處增大。引起能帶極值的改變。處于導帶底或價帶頂?shù)碾娮踊蚩昭ǎ诎雽w的不同地點，其能量就有差別?？v波引起的能帶起伏，對載流子如同附加勢場的作用，對電子產(chǎn)生散射作用。橫聲學波要引起一定的切變，對具有多極值、旋轉橢球等能面的鍺、硅來說，也將引起能帶極值的變化。The Scattering of Carriers光學波散射: 離子性半導體中，長縱光學波有重要的散射作用。每個原胞內正負離子振動位移相反，正負離子形成硫密相間的區(qū)域，造成在一半個波長區(qū)域內帶正電，另一半個波長區(qū)域內帶負電，將產(chǎn)生微區(qū)電場，引起載流子散射。 長聲學波振動，聲子的速度很小，散射前后電子能量基本不變，彈性散射 光學波頻率較高，聲子能量較大，散射前后電子能量有較大的改變，非彈性散射。The Scattering of Carriers縱光學波(a)和縱聲學波（b)示意圖特點：各向同性。 a、聲學波散射： PsT3/2 舉例：Ge、Si b、光學波散射： P oexp（hv/k0T）-1 舉例：GaAsThe Scattering of Carriers3)其它散射機構（1）等同能谷間散射高溫下顯著 分類：A、彈性散射 B、非彈性散射 The Scattering of Carriers谷間 散射電子在等同能谷中從一個極值附近散