高二物理競(jìng)賽載流子的輸運(yùn)課件

第四章載流子的輸運(yùn)半導(dǎo)體中載流子的輸運(yùn)有三種形式：漂移：載流子在外電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散：因化學(xué)勢(shì)不同，由高濃度到低濃度產(chǎn)生和復(fù)合：能帶間躍遷硅、鍺、砷化鎵300K時(shí)電阻率與雜質(zhì)濃度關(guān)系

電阻率與雜質(zhì)濃度的關(guān)系原因？特征？說明：輕摻雜時(shí)（1016~1018cm-3）n＝NDp＝NA遷移率為常數(shù)反比雜質(zhì)濃度增加時(shí)，曲線嚴(yán)重偏離直線不能全部電離遷移率顯著下降對(duì)比變化趨勢(shì)是怎么樣的？電阻率隨溫度的變化本征半導(dǎo)體：ni隨溫度的上升而急劇增加，而遷移率隨T升高而下降較慢，所以本征半導(dǎo)體的電阻率隨著溫度增加而單調(diào)下降，這是半導(dǎo)體區(qū)別于金屬的一個(gè)重要特征。載流子濃度：雜質(zhì)電離、本征激發(fā)遷移率：電離雜質(zhì)、晶格散射有何特征？思考題：為什么金屬的電阻率隨溫度的升高而增加？雜質(zhì)半導(dǎo)體：低溫區(qū)：①EF>ED，施主未全部電離。T↑，電離施主增多，n↑②在此范圍晶體振動(dòng)不明顯→電離雜質(zhì)為主（μ隨T↑而增加，盡管電離施主數(shù)量的增多在一定程度上限制遷移率增加），總效果仍使電阻率隨溫度的升高而下降飽和區(qū)：①雜質(zhì)全部電離

②晶體散射起作用，使μ隨T↑而下降，ρ隨T↑而↑本征區(qū)：本征激發(fā)很快增大，本征載流子的產(chǎn)生遠(yuǎn)大于遷移率減小對(duì)電阻率的影響。硅電阻率與溫度關(guān)系示意圖（一定施主雜質(zhì)濃度）電離雜質(zhì)散射晶格振動(dòng)散射本征激發(fā)填空：雜質(zhì)濃度越高，進(jìn)入本征載流子導(dǎo)電占優(yōu)勢(shì)的溫度（）；材料的禁帶寬度越小，則同一溫度下本征載流子的濃度（），進(jìn)入本征導(dǎo)電的溫度（）。歐姆定律的偏移實(shí)驗(yàn)表明：在外電場(chǎng)E不是很強(qiáng)時(shí)，μ是常數(shù)，；歐姆定律成立。當(dāng)電場(chǎng)超過一定強(qiáng)度后，J與E的關(guān)系偏離歐姆定律，μ

就不再是一個(gè)常數(shù)，為場(chǎng)強(qiáng)的函數(shù)。平均漂移速度與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系（300K）低場(chǎng)強(qiáng)時(shí)：大于（飽和）電場(chǎng)在范圍內(nèi)偏離歐姆定律①平均漂移速度與E不再成正比②μ隨電場(chǎng)改變強(qiáng)電場(chǎng)效應(yīng)：平均漂移速度隨外電場(chǎng)的增加速率開始緩慢，最后趨于一個(gè)不隨場(chǎng)強(qiáng)變化的定值，達(dá)到飽和漂移速度。如何說明？上述現(xiàn)象的解釋（載流子與晶格散射的能量交換）載流子的速度（μ∝τ）低電場(chǎng)時(shí)：載流子平均漂移速度vd比平均熱運(yùn)動(dòng)速度vT小得多，τ決定于vT

，而與|E|無關(guān)，μ是一常數(shù)。增加到臨界場(chǎng)強(qiáng)時(shí)（vd接近vT

）：電場(chǎng)足夠強(qiáng)時(shí)：載流子速度足夠大，晶體振動(dòng)散射變得非常強(qiáng)，使平均速度趨于飽和值。E↑，vd↑，τ↓，μ↓，vd不再與E成正比，而變?yōu)殡S電場(chǎng)增加較為緩慢。核心：載流子與晶格的散射作用散射機(jī)制（導(dǎo)帶電子為例）無電場(chǎng)：載流子和晶格散射時(shí)，將吸收聲子或發(fā)射聲子，與晶格交換動(dòng)量和能量，交換的凈能量為0，載流子的平均能量與晶格的相同，兩都處于熱平衡狀態(tài)。低電場(chǎng)：載流子發(fā)射的聲子數(shù)多于吸收的聲子數(shù)。但是載流子從電場(chǎng)獲得的能量很小，通過與晶體散射達(dá)到平衡，電子溫度Te與晶體溫度Tl差別不明顯，μ與|E|無關(guān)，J∝|E|高電場(chǎng)：載流子從電場(chǎng)中獲得的能量很多，載流子和晶格系統(tǒng)不再處于平衡狀態(tài)，Te明顯超過Tl，此時(shí)稱其為熱載流子。其速度大于熱平衡狀態(tài)時(shí)的速度，。電子受到晶格振動(dòng)的散射主要表現(xiàn)為發(fā)射聲子的形式，即將焦耳熱傳送給晶格。再增強(qiáng)：發(fā)射光學(xué)波聲子，獲得的能量大部分消失，vd飽和。練習(xí)一、判斷1、在半導(dǎo)體中，原子最外層電子的共有化運(yùn)動(dòng)最顯著。（）2、不同的k值可標(biāo)志自由電子的不同狀態(tài)，但它不可標(biāo)志晶體中電子的共有化狀態(tài)。（）3、空位表現(xiàn)為施主作用，間隙原子表現(xiàn)為受主作用。（）4、半導(dǎo)體中兩種載流子數(shù)目相同的為高純半導(dǎo)體。（）練習(xí)5、雜質(zhì)總共可分為兩大類（）和（），施主雜質(zhì)為（），受主雜質(zhì)為（）。6、施主雜質(zhì)向（）帶提供（）成為（）電中心；受主雜質(zhì)向（）帶提供（）成為（）電中心。7、熱平衡時(shí)，能級(jí)E處的空穴濃度為（）。8、在半導(dǎo)體中，載流子的三種輸運(yùn)方式為（）、（）和（）。ABC電阻率溫度雜質(zhì)電離化區(qū)過渡區(qū)高溫本征激發(fā)區(qū)1、電阻率隨溫度的變化練習(xí)2、多數(shù)載流子濃度與溫度的關(guān)系n/ND0100200300400500600T（K）2.01.51.00.5非本征區(qū)低溫區(qū)本征區(qū)ni/NDn=0n=ND+n=NDn=ni

可忽略可忽略占主導(dǎo)非本征區(qū)本征區(qū)低溫區(qū)0K3、歐姆定率的偏離與強(qiáng)電場(chǎng)效應(yīng)N型鍺樣品電流與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系10102