半導體物理基礎(3)半導體導電性

1、4.1.載流子的漂移（載流子的漂移（drift）運動）運動半導體中的載流子在外場的作用下，作定向運動半導體中的載流子在外場的作用下，作定向運動-漂移運動。漂移運動。1、 drift (漂移)相應的運動速度相應的運動速度-漂移速度漂移速度 。漂移運動引起的電流漂移運動引起的電流-漂移電流。漂移電流?？昭娮悠扑俣萷ndvvv:電場遷移率的大小反映了載流子遷移的難易程度。遷移率的大小反映了載流子遷移的難易程度?？梢宰C明：可以證明：pppnnnmqmqmqddvv-遷移率遷移率單位電場下，單位電場下，載流子的載流子的平均平均漂移速度漂移速度pppnnnmqmq載流子的平均自由時間載流子的有效質量,

2、m半導體的主要散射（半導體的主要散射（scatting）機構：）機構：* Phonon （lattice）scattering 聲子（晶格）散射聲子（晶格）散射* Ionized impurity scattering 電離雜質散射電離雜質散射* scattering by neutral impurity and defects 中性雜質和缺陷散射中性雜質和缺陷散射* Carrier-carrier scattering 載流子之間的散射載流子之間的散射* Piezoelectric scattering 壓電散射壓電散射* Intervalley scattering 能谷間的散射能谷間的

3、散射能帶邊緣非周期性起伏能帶邊緣非周期性起伏（1）晶格振動散射）晶格振動散射縱波和橫波縱波和橫波聲學波聲子散射幾率：聲學波聲子散射幾率：23TPs光學波聲子散射幾率：光學波聲子散射幾率：11111)()(00021023TkhvTkhveTkhvfeTkhvPo（2）電離雜質散射）電離雜質散射電離雜質散射幾率：電離雜質散射幾率：23TNPII總的散射幾率：總的散射幾率：P=PS+PO+PI+ -總的遷移率：總的遷移率：IOS1111主要散主要散射機制射機制電離雜質的散射：電離雜質的散射：晶格振動的散射：晶格振動的散射：ivT越易掠過雜質中心載格晶格散射晶格振動T溫度對散射的影響溫度對散射的影響

4、遷移率遷移率1. 遷移率遷移率雜質濃度雜質濃度雜質濃度雜質濃度電離雜質散射電離雜質散射23TNPII摻雜很輕：摻雜很輕：忽略電離雜質散射忽略電離雜質散射高溫：高溫： 晶格振動散射為主晶格振動散射為主T晶格振動散射晶格振動散射一般情況：一般情況：低溫：低溫： 電離雜質散射為主電離雜質散射為主 T電離雜質散射電離雜質散射T晶格振動散射晶格振動散射2/32/31TBNATmqiRVI 毆姆定律slRlV其中J:電流密度大小J即電導率外加電場漂移電流密度J-毆姆定律的微分形式1. 毆姆定律的微分形式毆姆定律的微分形式的電荷量通過時間內dSdttt,dsdtnqvdQnnnnnqvJnqvdSdtdQ,

5、ppnnvpqJvnqJ,那么pnJJJ總顯然2. 電流密度另一表現形式電流密度另一表現形式nnqn半導體型顯然 3.電導率與遷移率的關系電導率與遷移率的關系pnpnpnpqnqvpqvnqvpqvnqJppqp半導體型pnpqnq半導體混合型pniqn本征半導體Ez電導遷移率電導遷移率 電導有效質量電導有效質量 c cm4.多能谷下的電導多能谷下的電導pnpqnq11pn ,1. 電阻率與雜質濃度的關系電阻率與雜質濃度的關系輕摻雜：輕摻雜：常數；常數；n=ND p=NA 電阻率與雜質濃度電阻率與雜質濃度成簡單反比關系。成簡單反比關系。非輕摻雜非輕摻雜：雜質濃度：雜質濃度 n、p：未全電離：未

6、全電離;雜質濃度雜質濃度 n（p） 雜質濃度增高時，曲線嚴重偏離直線。雜質濃度增高時，曲線嚴重偏離直線。原因原因： T T 電離雜質散射電離雜質散射 *低溫低溫n（未全電離）未全電離）：T n ： T T 晶格振動散射晶格振動散射 *中溫中溫n（全電離）全電離）： n=ND 飽和飽和： T T 晶格振動散射晶格振動散射 *高溫高溫n（本征激發(fā)開始）本征激發(fā)開始）：T n 例例. 室溫下室溫下,本征鍺的電阻率為本征鍺的電阻率為47，(1)試求本征載流子濃度。試求本征載流子濃度。(2)若摻入銻雜質，使每若摻入銻雜質，使每106個鍺中有一個雜質原子，計算室溫下個鍺中有一個雜質原子，計算室溫下電子濃度

7、和空穴濃度。（電子濃度和空穴濃度。（3）計算該半導體材料的電阻率。設雜）計算該半導體材料的電阻率。設雜質全部電離。鍺原子濃度為質全部電離。鍺原子濃度為4.4/3,n=3600/Vs且不隨摻雜而且不隨摻雜而變化變化.3 31 13 31 19 9p pn ni ip pn ni i1 1/ /c cm m1 10 02 2. .5 51 17 70 00 03 36 60 00 01 10 01 1. .6 64 47 71 1q q1 1n nq qn n1 1解解:3160316622/1104 . 4/1104 . 410104 . 4)2(cmNncmNDD31016213020/110

8、42. 1104 . 4105 . 2cmnnpi cmcm10104 43600360010101.61.610104.44.41 1q qn n1 13 32 219191616n n0 0n n1 歐姆定律的偏離歐姆定律的偏離解釋：解釋：* 載流子與晶格振動散射交換能量過程載流子與晶格振動散射交換能量過程* 平均自由時間與載流子運動速度有關平均自由時間與載流子運動速度有關vl 加弱電場時，載流子從電場獲得能量，使加弱電場時，載流子從電場獲得能量，使載流子載流子發(fā)射的聲發(fā)射的聲子數略多于吸收的聲子數。載流子的平均能量與晶格相同子數略多于吸收的聲子數。載流子的平均能量與晶格相同, ,仍可仍可

9、認為載流子系統(tǒng)與晶格系統(tǒng)保持熱平衡狀態(tài)。認為載流子系統(tǒng)與晶格系統(tǒng)保持熱平衡狀態(tài)。 加強電場時，載流子從電場獲得加強電場時，載流子從電場獲得很多很多能量，使能量，使載流子的平載流子的平均能量比熱平衡狀態(tài)時的大，均能量比熱平衡狀態(tài)時的大，因而載流子系統(tǒng)與晶格系統(tǒng)不再因而載流子系統(tǒng)與晶格系統(tǒng)不再處于熱平衡狀態(tài)。處于熱平衡狀態(tài)。LeTT 一、一、 載流子與晶格振動散射交換能量過程載流子與晶格振動散射交換能量過程與光學波聲子散射與光學波聲子散射 載流子從電場獲得的能量大部分又消失載流子從電場獲得的能量大部分又消失,故平均漂故平均漂移速度可以達到飽和。移速度可以達到飽和。極強電場時：極強電場時：Tdvvl

10、二、二、 平均自由時間與載流子運動速度有關平均自由時間與載流子運動速度有關載流子平均熱運動速度載流子平均漂移速度載流子Tdvvv)(constl 平均自由程無電場時：無電場時：Tvv 平均自由時間與電場無關低電場時：低電場時：Tvvd平均自由時間與電場基本無關強電場時：強電場時：Tvvd平均自由時間由兩者共平均自由時間由兩者共同決定。同決定。dv半定量分析：半定量分析：穩(wěn)態(tài)條件) 1 (0)()(sddtdEdtdE2*2)(nnddmqvqdtdEnsEdtdE)(對于聲學波聲子散射對于聲學波聲子散射其中：TTumTkMmMEmEennn2*0*221)(*TTuqmenn代入（代入（1）式

11、得：式得：nennnuTTumq0*21)(即：即：21)(0un21)(0uvnd電子與聲子碰電子與聲子碰撞后失去能量撞后失去能量對于光學波聲子散射對于光學波聲子散射noshdtdE)(代入（代入（1）式：）式：dnovEqh*ndonnonodmvhmEhEqhv21)(*nodmhv4.3 Intervalley Carrier Transfer （能谷間的載流子轉移）（能谷間的載流子轉移）1 Intervalley Scattering ( 能谷間散射）能谷間散射）物理機制：物理機制：從能帶結構分析從能帶結構分析n1n2*Central valley*Satellite valley中心谷：中心谷：12310/105072. 01nsVcmmm衛(wèi)星谷：衛(wèi)星谷：2220/10036. 02nsVcmmm谷谷2（衛(wèi)星谷）：（衛(wèi)星谷）：E-k曲線曲率小曲線曲率小m12212211nnnn1 電場很低電場很低02n2 電場增強電場增強21nn1nn 21nnn3 電場很強電場很強01n2nn 2 Negetive differential conductance(負微分電導負微分電導)