半導(dǎo)體的導(dǎo)電性74052課件

第四章半導(dǎo)體的導(dǎo)電性ElectricalconductionofSemiconductors重點：1、遷移率(Mobility)2、散射機制(Scatteringmechanisms)3、遷移率、電阻率與溫度的關(guān)系§4.1載流子的漂移運動遷移率Thedriftmotionofcarrier,mobility學(xué)習(xí)重點：漂移運動遷移率電導(dǎo)率1、漂移運動

漂移運動：載流子在外電場作用下的定向運動。漂移運動E電子空穴結(jié)論在嚴(yán)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，其漂移速度應(yīng)越來越大。2、遷移率及半導(dǎo)體的電導(dǎo)率散射：晶格振動、雜質(zhì)、缺陷以及表面因素等均會引起晶體中周期性勢場的畸變。當(dāng)載流子接近畸變區(qū)域時，其運動狀態(tài)會發(fā)生隨機性變化。這種現(xiàn)象可以理解為粒子波的散射，因此被稱為載流子的散射。遷移率的

物理意義表征載流子在電場作用下做漂移運動的能力。遷移率：在單位電場下載流子的平均漂移速度。對n型半導(dǎo)體：σn=n0q（vd/E）=n0qμn（4-16）對P型半導(dǎo)體：σp=p0qμp（4-17）對一般半導(dǎo)體：

σ=σp+σp=nqμn+pqμp（4-15）§4.2載流子的散射TheScatteringofcarriers學(xué)習(xí)重點：散射

—使遷移率減小散射機構(gòu)

—各種散射因素散射：晶格振動、雜質(zhì)、缺陷以及表面因素等均會引起晶體中周期性勢場的畸變。當(dāng)載流子接近畸變區(qū)域時，其運動狀態(tài)會發(fā)生隨機性變化。這種現(xiàn)象可以理解為粒子波的散射，因此被稱為載流子的散射。電子（1）載流子的熱運動自由程：相鄰兩次散射之間自由運動的路程。平均自由程：連續(xù)兩次散射間自由運動的平均路程。平均自由時間：連續(xù)兩次散射間自由運動的平均運動時間。1、載流子散射電離雜質(zhì)散射晶格振動散射中性雜質(zhì)散射（在低溫重?fù)诫s半導(dǎo)體中較為顯著）晶格缺陷散射（位錯密度大于104cm-2時較為顯著）載流子與載流子間的散射（載流子濃度很高時較為顯著）能谷間散射：等同能谷間散射高溫下較易發(fā)生；不同能谷間散射一般在強電場下發(fā)生。2、半導(dǎo)體的主要散射機構(gòu)（1）電離雜質(zhì)散射（即庫侖散射）散射幾率Pi∝NiT-3/2（Ni：為雜質(zhì)濃度總和）載流子的散射幾率P單位時間內(nèi)一個載流子受到散射的平均次數(shù)。主要用于描述散射的強弱。（2）晶格振動散射晶格振動表現(xiàn)為格波N個原胞組成的晶體→格波波矢有N個。格波的總數(shù)等于原子自由度總數(shù)一個格波波矢q對應(yīng)3(n-1)支光學(xué)波+3支聲學(xué)波。光學(xué)波=N(n-1)個縱波+2N(n-1)個橫波聲學(xué)波=N個縱波+2N個橫波晶格振動散射可理解為載流子與聲子的碰撞，遵循兩大守恒法則準(zhǔn)動量守恒能量守恒由準(zhǔn)動量守恒可知，晶格振動散射以長波為主。（B）光學(xué)波散射：正負(fù)離子的振動位移會產(chǎn)生附加勢場，因此化合物半導(dǎo)體中光學(xué)波散射較強。例如：GaAs對于元素半導(dǎo)體，只是在高溫條件下才考慮光學(xué)波散射的作用。例如：Ge、Si離子晶體中光學(xué)波對載流子的散射幾率§4.3遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系當(dāng)幾種散射機構(gòu)同時存在時1、平均自由時間τ和散射幾率P的關(guān)系j總散射幾率：相應(yīng)的平均自由時間：j用N(t)表示t時刻未遭到散射的電子數(shù)，則在被散射的電子數(shù)上式的解為其中N0為t=0時刻未遭散射的電子數(shù)在被散射的電子數(shù)

平均自由時間τ-P關(guān)系的數(shù)學(xué)推導(dǎo)對一般半導(dǎo)體：電子遷移率空穴遷移率各種不同類型材料的電導(dǎo)率n型：p型：

3、多能谷半導(dǎo)體的電流密度及電導(dǎo)有效質(zhì)量硅在三個晶軸方向上分布六個對稱的為旋轉(zhuǎn)橢球等能面的能谷，則令其中對于硅、鍺，均可證明稱為電導(dǎo)遷移率，mc稱為電導(dǎo)有效質(zhì)量，對于硅mc=0.26m0由于電子電導(dǎo)有效質(zhì)量小于空穴電導(dǎo)有效質(zhì)量，所以電子遷移率大于空穴遷移率。由前面可知4、遷移率μ與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系電離雜質(zhì)散射：聲學(xué)波散射：光學(xué)波散射：對Ge和Si：對GaAs：所以1、ρ與ND或NA的關(guān)系輕摻雜1016-1018cm-3(室溫)重?fù)诫s>1018cm-3(室溫)ρ與Ni呈非線性關(guān)系。2、電阻率隨溫度的變化本征半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體電離雜質(zhì)散射隨著溫度T的增加，電阻率ρ下降。聲學(xué)波散射ABC電阻率溫度雜質(zhì)離化區(qū)過渡區(qū)高溫本征激發(fā)區(qū)3、多數(shù)載流子濃度與溫度的關(guān)系樣品為硅中摻入ND=1015cm-3的磷。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)0K1、歐姆定率的偏離與強電場效應(yīng)N型鍺樣品電流與電場強度的關(guān)系10102103104

10610210310電場強度E(伏·厘米-1)電流密度J(安培·厘米-2)300K強電場效應(yīng)：實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電場增強到一定程度后，半導(dǎo)體的電流密度不再與電場強度成正比，偏離了歐姆定律，場強進一步增加時，平均漂移速度會趨于飽和，強電場引起的這種現(xiàn)象稱為強電場效應(yīng)。2、熱載流子載流子有效溫度Te：當(dāng)有電場存在時，載流子的平均動能比熱平衡時高，相當(dāng)于更高溫度下的載流子，稱此溫度為載流子有效溫度。熱載流子：在強電場情況下，載流子從電場中獲得的能量很多，載流子的平均能量大于晶格系統(tǒng)的能量，將這種不再處于熱平衡狀態(tài)的載流子稱為熱載流子。3、平均漂移速度與電場強度的關(guān)系（1）μ0||<<電子熱運動速度v時（2）μ0||與v接近時（3）進一步增大，μ0||>>v

時式中，ε0為光學(xué)聲子的能量，鍺為0.037eV、硅為0.063eV、砷化鎵為0.035eV。（2）雙能谷模型半導(dǎo)體有兩個能谷，它們之間有能量間隔△E。在外電場為零時，導(dǎo)帶電子按晶格溫度和各自的狀態(tài)密度所決定的分布規(guī)律分布于兩能谷之中。外電場增加時載流子將重新分布，設(shè)低能谷處電子的有效質(zhì)量為m1*，遷移率為μ1，電子濃度為n1，狀態(tài)密度為N1；高能谷的相應(yīng)各物理為m2*、μ2、n2和N2，則雙能谷半導(dǎo)體的電導(dǎo)率為：式中n=n1+n2，為總載流子濃度，為平均遷移率。在電場作用下通過此樣品的電流密度及及平均漂移速度為：電子速度0102030405060704321電場強度（kV/cm）EaEbμ1μ2雙能谷模型的負(fù)微分遷移率電子轉(zhuǎn)移導(dǎo)致負(fù)微分遷移率所必須滿足的條件低能谷和高能谷的能量間隔必須比熱運動能量k0T大許多倍，以免低電場時在高能谷中已經(jīng)進入許多電子；材料的禁帶寬度要大于兩能谷的能量間隔，以免在谷間電子轉(zhuǎn)移之前發(fā)生越過禁帶的雪崩擊穿；高能谷的電子有效質(zhì)量必須明顯高于低能谷的電子有效質(zhì)量，使高能谷的狀態(tài)密度明顯大于低能谷的狀態(tài)密度，以便減少轉(zhuǎn)移到高能谷的電子返回低能谷的幾率；高能谷的電子遷移率必須遠(yuǎn)小于低能谷的電子遷移率。（3）砷化鎵能帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)帶的最低能谷在k=0處，低場時導(dǎo)帶電子大都位于此谷中，故稱這主能谷或中心能谷。在<111>方向還有一個極值約高出0.29eV的