半導(dǎo)體的導(dǎo)電性

半導(dǎo)體的導(dǎo)電性第一頁，共三十二頁，2022年，8月28日實(shí)際中，見到：存在破壞周期性勢場的作用因素如：*雜質(zhì)*缺陷*晶格熱振動(dòng)

散射第二頁，共三十二頁，2022年，8月28日2、漂移速度與遷移率

n型:電子濃度為n，在外電場下通過半導(dǎo)體的電流密度

遷移率：單位場強(qiáng)下電子的平均漂移速度

它是表示半導(dǎo)體電遷移能力的重要參數(shù)。同理，對p型半導(dǎo)體第三頁，共三十二頁，2022年，8月28日對一般半導(dǎo)體：對本征半導(dǎo)體：第四頁，共三十二頁，2022年，8月28日§4.2載流子的散射1、載流子散射（1）載流子的熱運(yùn)動(dòng)自由程：相鄰兩次散射之間自由運(yùn)動(dòng)的路程。平均自由程：連續(xù)兩次散射間自由運(yùn)動(dòng)的平均路程第五頁，共三十二頁，2022年，8月28日（2）、載流子的漂移運(yùn)動(dòng)在外電場作用下，實(shí)際上，載流子的運(yùn)動(dòng)是：

熱運(yùn)動(dòng)+漂移運(yùn)動(dòng)電流單位時(shí)間內(nèi)一個(gè)載流子被散射的次數(shù)

散射幾率P散射的原因：周期性勢場被破壞第六頁，共三十二頁，2022年，8月28日2、半導(dǎo)體的主要散射機(jī)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）。

a.電離施主

b.電離受主第七頁，共三十二頁，2022年，8月28日2）晶格振動(dòng)散射

有N個(gè)原胞的晶體有N個(gè)格波波矢q一個(gè)q=3支光學(xué)波(高頻)+3支聲學(xué)波(低頻)振動(dòng)方式:3個(gè)光學(xué)波=1個(gè)縱波+2個(gè)橫波3個(gè)聲學(xué)波=1個(gè)縱波+2個(gè)橫波單一極值半導(dǎo)體中起主要散射作用的是長波即波長比原子間距大很多倍的格波長聲學(xué)波中縱波其主要散射作用離子半導(dǎo)體中長縱光學(xué)波起主要作用第八頁，共三十二頁，2022年，8月28日長波范圍內(nèi):聲學(xué)波的頻率與波數(shù)成正比--------彈性散射光學(xué)波的頻率基本上與波數(shù)無關(guān)--------非彈性散射聲學(xué)波散射：

Ps∝T3/2光學(xué)波散射：Po∝[exp（hv

/k0T）-1]-1格波的能量效應(yīng)以hva為單元聲子第九頁，共三十二頁，2022年，8月28日（1）等同能谷間散射——高溫下顯著谷間散射：電子在等同能谷中從一個(gè)極值附近散射到另一個(gè)極值附近的散射。A、彈性散射電子與長聲學(xué)波散射B、非彈性散射電子與長光學(xué)波散射分類：g散射：從某一能谷散射到同一坐標(biāo)軸上相對應(yīng)的另一能谷上f散射：從某一能谷散射到其他能谷上3)其它散射機(jī)構(gòu)第十頁，共三十二頁，2022年，8月28日（2）中性雜質(zhì)散射——在低溫下重?fù)诫s半導(dǎo)

體中發(fā)生.（3）位錯(cuò)散射——位錯(cuò)密度>104cm-2時(shí)發(fā)生,具有各向異性的特點(diǎn).（4）載流子與載流子間的散射——在強(qiáng)簡并下發(fā)生第十一頁，共三十二頁，2022年，8月28日§4.3遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系（1）平均自由時(shí)間和散射幾率的關(guān)系載流子在電場中作漂移運(yùn)動(dòng)時(shí)，只有在連續(xù)兩次散射間的時(shí)間內(nèi)才作加速運(yùn)動(dòng)，這段時(shí)間稱為自由時(shí)間。其平均值稱為平均自由時(shí)間平均自由時(shí)間和散射幾率P是描述散射過程的兩個(gè)重要參量設(shè)有N個(gè)電子以速度v沿某方向運(yùn)動(dòng)第十二頁，共三十二頁，2022年，8月28日tt+?tN(t)N(t+?t)t到t+?t時(shí)間內(nèi)被散射的電子數(shù)為:N(t)P?t則N(t)–N(t+?t)=N(t)P?t

當(dāng)?t很小時(shí)上式的解為則t到t+dt時(shí)間內(nèi)被散射的電子數(shù)為:N,V未遭散射電子數(shù)平均自由時(shí)間第十三頁，共三十二頁，2022年，8月28日第十四頁，共三十二頁，2022年，8月28日t到t+dt時(shí)間內(nèi)遭到散射的電子數(shù)為設(shè)多次散射后的平均漂移速度為則第十五頁，共三十二頁，2022年，8月28日第十六頁，共三十二頁，2022年，8月28日第十七頁，共三十二頁，2022年，8月28日等能面為旋轉(zhuǎn)橢球面的多極值半導(dǎo)體，沒有各向同性的有效質(zhì)量硅導(dǎo)帶極值有六個(gè)，等能面為旋轉(zhuǎn)橢球面，橢球長軸沿<100>,有效質(zhì)量分別為ml和mt，取x，y，z軸沿[100]，[010]，[001]方向，不同極值的能谷中的電子沿x，y，z方向的遷移率不同。E設(shè)場強(qiáng)沿x方向，則[100]能谷中的電子沿x方向的遷移率為μ1，其余能谷中的電子沿x方向的遷移率分別為μ2、μ3

。第十八頁，共三十二頁，2022年，8月28日μc

稱為電導(dǎo)遷移率mc稱為電導(dǎo)有效質(zhì)量即在多極值半導(dǎo)體中，應(yīng)以mc作為有效質(zhì)量設(shè)電子濃度為n，則每個(gè)能谷單位體積中有n/6個(gè)電子第十九頁，共三十二頁，2022年，8月28日對于補(bǔ)償材料:載流子濃度決定于兩種雜質(zhì)濃度之差，遷移率與電離雜質(zhì)總濃度有關(guān)Pi∝NiT-3/2

Ps∝T3/2Po∝[exp（hv/k0T）-1]-1第二十頁，共三十二頁，2022年，8月28日

當(dāng)幾種散射機(jī)構(gòu)同時(shí)存在時(shí)，要盡力找出起主要作用的散射機(jī)構(gòu)

對于硅、鍺等原子半導(dǎo)體主要的散射機(jī)構(gòu)是聲學(xué)波和電離雜質(zhì)的散射

對于砷化鎵等離子鍵占優(yōu)勢的半導(dǎo)體光學(xué)波的散射也很重要第二十一頁，共三十二頁，2022年，8月28日遷移率隨雜質(zhì)濃度和溫度的變化：對硅：當(dāng)Ni很小時(shí)(Ni<1017cm-3):T當(dāng)Ni很大時(shí)(Ni>1019cm-3):低溫時(shí)T溫度很高時(shí)才稍有下降第二十二頁，共三十二頁，2022年，8月28日第二十三頁，共三十二頁，2022年，8月28日此圖是Ge在300K下的

電子遷移率和空穴遷移率第二十四頁，共三十二頁，2022年，8月28日§4.4電阻率及其與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系電阻率決定于載流子濃度和遷移率，兩者均與雜質(zhì)濃度和溫度有關(guān)第二十五頁，共三十二頁，2022年，8月28日偏離線形的原因：1.雜質(zhì)在室溫下不能全部電離2.遷移率隨雜質(zhì)濃度的增加將顯著下降1.電阻率與雜質(zhì)濃度的關(guān)系第二十六頁，共三十二頁，2022年，8月28日2.電阻率隨溫度的變化（2.2）雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)離化區(qū)過渡區(qū)高溫本征激發(fā)區(qū)AB段:溫度低，本征激發(fā)可忽略，載流子主要由雜質(zhì)電離提供，它隨T升高而增加，散射主要由雜質(zhì)電離決定，遷移率隨T升高而增加，所以，電阻率隨T升高而下降。BC段：溫度升高，雜質(zhì)全部電離，本征激發(fā)還不十分顯著，載流子基本上不隨T變化，晶格散射上升為主要矛盾，遷移率隨T升高而降低，電阻率隨T升高而增大。C段：溫度繼續(xù)升高，本征激發(fā)很快增加，其影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過遷移率減小對電阻率的影響，雜質(zhì)半導(dǎo)體的電阻率將隨溫度的升高而急劇地下降，溫度高到本征導(dǎo)電起主要作用時(shí)，一般器件就不能正常工作，這就是器件的最高工作溫度。AB段BC段C段第二十七頁，共三十二頁，2022年，8月28日§4.5強(qiáng)電場下的效應(yīng)

熱載流子第二十八頁，共三十二頁，2022年，8月28日歐姆定律的偏離電場不太強(qiáng)時(shí)，歐姆定律成立，平均漂移速度與場強(qiáng)成正比當(dāng)場強(qiáng)增大到103V/cm以上時(shí)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，J與E不再成正比偏離了歐姆定律，這表明電導(dǎo)率不再是常數(shù)，隨電場而變。強(qiáng)電場下歐姆定律發(fā)生偏離的原因：

強(qiáng)電場下載流子從電場中獲得的能量很多，載流子的平均能量比熱平衡狀態(tài)時(shí)的大，因而載流子和晶格系統(tǒng)不再處于熱平衡狀態(tài)。這種狀態(tài)的載流子稱為熱載流子。強(qiáng)電場下：載流子的有效溫度Te比T高載流子的平均能量比晶格的大第二十九頁，共三十二頁，2022年，8月28日設(shè)強(qiáng)場下的