半導體物理2013(第四章)

1、第四章第四章 半導體的導電性半導體的導電性 本章主要討論載流子在外加電場作用下的本章主要討論載流子在外加電場作用下的漂漂移運動移運動，引入了載流子，引入了載流子遷移率遷移率的概念；為了深入的概念；為了深入理解遷移率的本質(zhì)，定性地討論了理解遷移率的本質(zhì)，定性地討論了載流子散射載流子散射的的物理本質(zhì)，給出必要的結(jié)論；剖析了半導體的物理本質(zhì)，給出必要的結(jié)論；剖析了半導體的遷遷移率、電阻率隨雜質(zhì)濃度和溫度的變化規(guī)律移率、電阻率隨雜質(zhì)濃度和溫度的變化規(guī)律；定；定性講解了性講解了強電場下的效應強電場下的效應。4.14.1載流子的漂移運動和遷移率載流子的漂移運動和遷移率4.1.14.1.1歐姆定律歐姆定律

2、導電材料中，歐姆定律導電材料中，歐姆定律交代了電流強度與外加電壓和材料電阻之間的關(guān)交代了電流強度與外加電壓和材料電阻之間的關(guān)系。系。為了處理半導體內(nèi)部遇到電流分布不均勻的情況，為了處理半導體內(nèi)部遇到電流分布不均勻的情況，推導出歐姆定律的微分形式（電流密度的表達式）推導出歐姆定律的微分形式（電流密度的表達式）式中式中 =1/=1/為半導體電導率。為半導體電導率。RVI VIR JslR4.14.1載流子的漂移運動和遷移率載流子的漂移運動和遷移率4.1.2 4.1.2 漂移速度和遷移率漂移速度和遷移率 載流子在電場力作用下的運動稱為載流子在電場力作用下的運動稱為漂移運動漂移運動，其，其定向運動的速

3、度稱為定向運動的速度稱為漂移速度漂移速度。帶電粒子的定向運動。帶電粒子的定向運動形成電流，所以對電子而言，電流密度應為形成電流，所以對電子而言，電流密度應為 是電子的平均漂移速度（反映電子漂移運動的能力）是電子的平均漂移速度（反映電子漂移運動的能力）dvddvnqvqnJ)( 對摻雜濃度一定的導體材料，當外加電場恒定時，對摻雜濃度一定的導體材料，當外加電場恒定時，平均漂移速度應不變，相應的電流密度也恒定；電場平均漂移速度應不變，相應的電流密度也恒定；電場增加，電流密度和平均漂移速度也相應增大。即平均增加，電流密度和平均漂移速度也相應增大。即平均漂移速度大小與電場強度成正比例漂移速度大小與電場強

4、度成正比例 為電子遷移率，表征單位場強下電子平均漂移為電子遷移率，表征單位場強下電子平均漂移速度，單位為速度，單位為m m2 2/V/Vs s或或cmcm2 2/V/Vs s，遷移率一般取正值，遷移率一般取正值 由此得到電導率和遷移率的關(guān)系由此得到電導率和遷移率的關(guān)系nqdvdv電流密度可以改寫為：電流密度可以改寫為： nqJ4.14.1載流子的漂移運動和遷移率載流子的漂移運動和遷移率4.1.2 4.1.2 漂移速度和遷移率漂移速度和遷移率4.14.1載流子的漂移運動和遷移率載流子的漂移運動和遷移率4.1.3 4.1.3 半導體的電導率半導體的電導率nnnqpn,pqnqpnpppqnp ,在

5、半導體中，導帶電子和價帶空穴都參與導電，總在半導體中，導帶電子和價帶空穴都參與導電，總電流密度應包括電子電流和空穴電流兩部分，即：電流密度應包括電子電流和空穴電流兩部分，即：n n型半導體：型半導體：p p型半導體：型半導體： 本征半導體：本征半導體：一般來說，一般來說，半導體中電子遷移率大于空穴遷移率半導體中電子遷移率大于空穴遷移率，即，即 iipninqpnn,)(pnpnpqnqJJJ半導體的電導率為：半導體的電導率為：pn4.2 4.2 載流子散射載流子散射4.2.1 4.2.1 載流子散射的概念載流子散射的概念 理想的完整晶體里的電子處在嚴格的周期性理想的完整晶體里的電子處在嚴格的周

6、期性勢場中勢場中, ,如果沒有其他因素的作用如果沒有其他因素的作用, ,其運動狀態(tài)保其運動狀態(tài)保持不變持不變( (用波矢用波矢k k標志標志).).但但實際晶體中存在的各種實際晶體中存在的各種晶格缺陷和晶格原子振動會在理想的周期性勢場晶格缺陷和晶格原子振動會在理想的周期性勢場上附加一個勢場上附加一個勢場, ,它可以改變載流子的狀態(tài)，這種它可以改變載流子的狀態(tài)，這種附加勢場引起的載流子狀態(tài)的改變就是載流子散附加勢場引起的載流子狀態(tài)的改變就是載流子散射射。4.2 4.2 載流子散射載流子散射4.2.1 4.2.1 載流子散射的概念載流子散射的概念 原子振動、晶格缺陷（如電離施主、電離受主）原子振動

7、、晶格缺陷（如電離施主、電離受主）等引起的載流子散射等引起的載流子散射, ,也常被稱為它們和載流子的碰也常被稱為它們和載流子的碰撞，碰撞后載流子速度的大小和方向不斷地在改變撞，碰撞后載流子速度的大小和方向不斷地在改變著。（著。（平均自由程、平均自由時間平均自由程、平均自由時間） 載流子無規(guī)則的熱運動也正式由于它們不斷地載流子無規(guī)則的熱運動也正式由于它們不斷地遭到散射的結(jié)果。（書圖遭到散射的結(jié)果。（書圖4-34-3）當有電場作用時，載）當有電場作用時，載流子一方面受電場力的作用定向運動，一方面不斷流子一方面受電場力的作用定向運動，一方面不斷地遭到散射使載流子的運動速度不斷改變大小和方地遭到散射使

8、載流子的運動速度不斷改變大小和方向，使漂移速度不能無限增加。（書圖向，使漂移速度不能無限增加。（書圖4-44-4）4.2 4.2 載流子散射載流子散射4.2.2 4.2.2 半導體的主要散射機構(gòu)半導體的主要散射機構(gòu)1.1.電離雜質(zhì)散射電離雜質(zhì)散射 半導體中的電離雜質(zhì)形成正、負電中心，對載流半導體中的電離雜質(zhì)形成正、負電中心，對載流子有吸引或或排斥作用，形成庫侖勢場，從而引起載子有吸引或或排斥作用，形成庫侖勢場，從而引起載流子散射。圖為電離施主對電子和空穴的散射流子散射。圖為電離施主對電子和空穴的散射. . 電離雜質(zhì)對載流子的散射電離雜質(zhì)對載流子的散射載流子的軌道是雙載流子的軌道是雙曲線，電離雜

9、質(zhì)在曲線，電離雜質(zhì)在雙曲線的一個焦點雙曲線的一個焦點上。上。 常以常以散射概率散射概率P來描述散射的強弱，它代表單位來描述散射的強弱，它代表單位時間內(nèi)一個載流子受到散射的次數(shù)時間內(nèi)一個載流子受到散射的次數(shù)。濃度為。濃度為Ni的電離的電離雜質(zhì)對載流子的散射概率雜質(zhì)對載流子的散射概率Pi與溫度的關(guān)系為：與溫度的關(guān)系為： 電離雜質(zhì)濃度越高，載流子遭受散射的機會越多；溫電離雜質(zhì)濃度越高，載流子遭受散射的機會越多；溫度越高，載流子熱運動平均速度越大，載流子更易掠度越高，載流子熱運動平均速度越大，載流子更易掠過電離雜質(zhì)，偏轉(zhuǎn)就小，散射概率越小。過電離雜質(zhì)，偏轉(zhuǎn)就小，散射概率越小。2/3TNPii4.2 4

10、.2 載流子散射載流子散射4.2.2 4.2.2 半導體的主要散射機構(gòu)半導體的主要散射機構(gòu)2.2.晶格振動的散射晶格振動的散射（1 1）聲學波和光學波）聲學波和光學波l格波：晶格振動格波：晶格振動l光學波與聲學波：頻率低的為聲學波，頻率高的是光學波與聲學波：頻率低的為聲學波，頻率高的是光學波。對鍺、硅及光學波。對鍺、硅及-族化合物半導體，原胞族化合物半導體，原胞中大多含有兩個原子，對應于一個中大多含有兩個原子，對應于一個q q就有六個不同就有六個不同的格波，三個聲學波，三個光學波。無論聲學波還的格波，三個聲學波，三個光學波。無論聲學波還是光學波均為一縱（振動與波傳播方向相同）兩橫是光學波均為一

11、縱（振動與波傳播方向相同）兩橫（振動與波傳播方向垂直）。在長波范圍內(nèi)，聲學（振動與波傳播方向垂直）。在長波范圍內(nèi)，聲學波的頻率與波數(shù)成正比，光學波的頻率近似是一個波的頻率與波數(shù)成正比，光學波的頻率近似是一個常數(shù)。常數(shù)。l格波的能量格波的能量an)21(4.2 4.2 載流子散射載流子散射4.2.2 4.2.2 半導體的主要散射機構(gòu)半導體的主要散射機構(gòu)l格波能量每增加或減少格波能量每增加或減少 , ,稱作吸收或釋放一稱作吸收或釋放一個聲子。個聲子。l根據(jù)玻耳茲曼統(tǒng)計理論，溫度為根據(jù)玻耳茲曼統(tǒng)計理論，溫度為T T時，頻率為時，頻率為a a的格波的平均能量的格波的平均能量l平均聲子數(shù)平均聲子數(shù)aaa

12、aTk1)exp(12101)exp(10Tknaq4.2 4.2 載流子散射載流子散射4.2.2 4.2.2 半導體的主要散射機構(gòu)半導體的主要散射機構(gòu)l載流子受晶格振動散射，相當于電子與聲子的碰載流子受晶格振動散射，相當于電子與聲子的碰撞，在碰撞時遵循兩大守恒法則撞，在碰撞時遵循兩大守恒法則 準動量守恒準動量守恒 能量守恒能量守恒l一般而言，長聲學波散射前后電子的能量基本不一般而言，長聲學波散射前后電子的能量基本不變，為彈性散射，光學波散射前后電子的能量變變，為彈性散射，光學波散射前后電子的能量變化較大，為非彈性散射?；^大，為非彈性散射。qkk aEE 4.2 4.2 載流子散射載流子散射

13、4.2.2 4.2.2 半導體的主要散射機構(gòu)半導體的主要散射機構(gòu)（2 2）聲學波散射）聲學波散射l在長聲學波中，縱波對散射其主要作用，通過體在長聲學波中，縱波對散射其主要作用，通過體變產(chǎn)生附加勢場。變產(chǎn)生附加勢場。l對單一極值，球形等能面的半導體和具有多極值、對單一極值，球形等能面的半導體和具有多極值、旋轉(zhuǎn)橢球等能面的半導體旋轉(zhuǎn)橢球等能面的半導體 其中其中u u縱彈性波波速，縱彈性波波速， 稱為形變勢常數(shù)，它表稱為形變勢常數(shù)，它表示單位體變所引起導帶底的變化，即示單位體變所引起導帶底的變化，即 vumTkPncs242*02)(0VVEcc23TPs聲學波散射概率與溫度的關(guān)系約為：聲學波散射概

14、率與溫度的關(guān)系約為：4.2 4.2 載流子散射載流子散射4.2.2 4.2.2 半導體的主要散射機構(gòu)半導體的主要散射機構(gòu)（3 3）光學波散射）光學波散射l在離子晶體中，正負離子的振動位移產(chǎn)生附在離子晶體中，正負離子的振動位移產(chǎn)生附加勢場，光學波有相當?shù)纳⑸渥饔?。加勢場，光學波有相當?shù)纳⑸渥饔谩離子晶體中光學波對載流子的散射概率為：離子晶體中光學波對載流子的散射概率為：l散射概率隨溫度的變化主要取決于中括號中散射概率隨溫度的變化主要取決于中括號中的指數(shù)因子，散射概率隨溫度的下降而很快的指數(shù)因子，散射概率隨溫度的下降而很快減小，所以在低溫時，光學波的散射不起什減小，所以在低溫時，光學波的散射不起

15、什么作用，隨著溫度的升高，平均聲子數(shù)增多，么作用，隨著溫度的升高，平均聲子數(shù)增多，光學波的散射概率迅速增大。光學波的散射概率迅速增大。)(11)exp(1)()(0021023TkfTkTkPlllO4.2 4.2 載流子散射載流子散射4.2.2 4.2.2 半導體的主要散射機構(gòu)半導體的主要散射機構(gòu)3.3.其他因素引起的散射其他因素引起的散射（1 1）等同的能谷間散射）等同的能谷間散射 有些半導體導帶具有極值能量相同的多個旋有些半導體導帶具有極值能量相同的多個旋轉(zhuǎn)橢球等能面，載流子在這些能谷中分布相同，轉(zhuǎn)橢球等能面，載流子在這些能谷中分布相同，這些能谷稱為這些能谷稱為等同的能谷等同的能谷。對這

16、種多能谷半導體，。對這種多能谷半導體，電子可以從一個極值附近散射到另一個極值附近，電子可以從一個極值附近散射到另一個極值附近，這種散射稱為這種散射稱為谷間散射谷間散射。4.2 4.2 載流子散射載流子散射4.2.2 4.2.2 半導體的主要散射機構(gòu)半導體的主要散射機構(gòu) 電子在一個能谷內(nèi)部散射時，電子只與長波聲電子在一個能谷內(nèi)部散射時，電子只與長波聲子發(fā)生作用，波矢子發(fā)生作用，波矢k變化很??；當電子發(fā)生谷間散變化很?。划旊娮影l(fā)生谷間散射時，電子與短波聲子發(fā)生作用，電子的準動量發(fā)射時，電子與短波聲子發(fā)生作用，電子的準動量發(fā)生很大的改變，同時吸收或發(fā)射一個高能量的聲子，生很大的改變，同時吸收或發(fā)射一

17、個高能量的聲子，散射是非彈性的。散射是非彈性的。 n型硅有兩種類型的谷間散射，一種是型硅有兩種類型的谷間散射，一種是g散射，散射，即同一坐標軸能谷間散射；另一種是即同一坐標軸能谷間散射；另一種是f散射，指在散射，指在不同坐標軸能谷間散射。不同坐標軸能谷間散射。 散射概率散射概率P P為：為：4.2 4.2 載流子散射載流子散射4.2.2 4.2.2 半導體的主要散射機構(gòu)半導體的主要散射機構(gòu))exp(1)exp() 1Re(1)exp() 1(0021021TkTkETkEPaaaaa其中第一項對應吸收一個聲子的概率其中第一項對應吸收一個聲子的概率第二項對應發(fā)射一個聲子的概率第二項對應發(fā)射一個聲

18、子的概率 當溫度很低時，這兩項都很小，所以低溫時谷間當溫度很低時，這兩項都很小，所以低溫時谷間散射很小。散射很小。21021) 1(1)exp() 1(aqaaaEnTkEP4.2 4.2 載流子散射載流子散射4.2.2 4.2.2 半導體的主要散射機構(gòu)半導體的主要散射機構(gòu)210021) 1Re() 1()exp(1)exp() 1Re(aqaaaeEnTkTkEP（2 2）中性雜質(zhì)散射）中性雜質(zhì)散射 低溫下，雜質(zhì)沒有充分電離，電離雜質(zhì)散低溫下，雜質(zhì)沒有充分電離，電離雜質(zhì)散射和晶格振動散射都很微弱，中性雜質(zhì)也會對射和晶格振動散射都很微弱，中性雜質(zhì)也會對周期性勢場有一定的微擾作用而引起散射，但周

19、期性勢場有一定的微擾作用而引起散射，但一般在重摻雜半導體處于很低溫度時中性雜質(zhì)一般在重摻雜半導體處于很低溫度時中性雜質(zhì)散射才會起作用。散射才會起作用。4.2 4.2 載流子散射載流子散射4.2.2 4.2.2 半導體的主要散射機構(gòu)半導體的主要散射機構(gòu)（3 3）位錯散射）位錯散射 當位錯線上的原子俘獲電子時會形成一串負當位錯線上的原子俘獲電子時會形成一串負電中心，在其周圍形成了一個圓柱形正空間電荷電中心，在其周圍形成了一個圓柱形正空間電荷區(qū)（電離施主），該區(qū)域存在電場，形成了引起區(qū)（電離施主），該區(qū)域存在電場，形成了引起載流子散射的附加勢場。當電子垂直于該圓柱體載流子散射的附加勢場。當電子垂直于

20、該圓柱體運動時受到散射作用，散射概率和位錯密度有關(guān)，運動時受到散射作用，散射概率和位錯密度有關(guān)，對于高密度位錯的材料，位錯散射就不能忽略。對于高密度位錯的材料，位錯散射就不能忽略。4.2 4.2 載流子散射載流子散射4.2.2 4.2.2 半導體的主要散射機構(gòu)半導體的主要散射機構(gòu)（4 4）合金散射）合金散射 在多元化合物半導體中，當同族元素在晶格在多元化合物半導體中，當同族元素在晶格位置上隨機排列時，對周期性勢場產(chǎn)生一定的微位置上隨機排列時，對周期性勢場產(chǎn)生一定的微擾作用，引起對載流子的散射作用稱為合金散射，擾作用，引起對載流子的散射作用稱為合金散射，它是混合晶體中所特有的散射機制。它是混合晶

21、體中所特有的散射機制。 4.2 4.2 載流子散射載流子散射4.2.2 4.2.2 半導體的主要散射機構(gòu)半導體的主要散射機構(gòu)4.3 4.3 遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系4.3.1 4.3.1 平均自由時間與散射概率的關(guān)系平均自由時間與散射概率的關(guān)系 載流子在電場中作漂移運動時，只有在連續(xù)兩載流子在電場中作漂移運動時，只有在連續(xù)兩次散射之間的時間內(nèi)才作加速運動，這段時間稱為次散射之間的時間內(nèi)才作加速運動，這段時間稱為自由時間。自由時間長短不一，若取多次而求得其自由時間。自由時間長短不一，若取多次而求得其平均值則稱為載流子的平均自由時間，常用平均值則稱為載流子的平均自由

22、時間，常用來表示。來表示。 平均自由時間平均自由時間和和散射概率散射概率是描述散射過程的兩是描述散射過程的兩個重要參量，下面以電子運動為例來求得二者的關(guān)個重要參量，下面以電子運動為例來求得二者的關(guān)系。系。 設(shè)有設(shè)有N個電子以速度個電子以速度v沿某方向運動，沿某方向運動，N(t)表示表示在在t時刻尚未遭到散射的電子數(shù)，按散射概率的定義：時刻尚未遭到散射的電子數(shù)，按散射概率的定義：在在 被散射的電子數(shù)被散射的電子數(shù)上式的解為上式的解為其中其中N N0 0為為t=0t=0時刻未遭散射的電子數(shù)時刻未遭散射的電子數(shù)在在 被散射的電子數(shù)被散射的電子數(shù) ，每個電子，每個電子的的自由時間均為自由時間均為t t

23、，對所有時間積分，得到：，對所有時間積分，得到： 平均自由時間平均自由時間ttt)()()(ttNtNtPtN)()()(lim)(0tPNttNttNdttdNtPteNtN0)(dtttdtPeNPt000011PtdtPeNNPt與與P P成倒數(shù)關(guān)系成倒數(shù)關(guān)系4.3 4.3 遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系4.3.1 4.3.1 平均自由時間與散射概率的關(guān)系平均自由時間與散射概率的關(guān)系 4.3 4.3 遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系4.3.24.3.2電導率、遷移率與平均自由時間的關(guān)系電導率、遷移率與平均自由時間的關(guān)系設(shè)沿設(shè)沿x x方向施

24、加強度為方向施加強度為的電場，的電場，t=0t=0時刻遭到散射，時刻遭到散射，經(jīng)過經(jīng)過t t后再次被散射后再次被散射多次散射后，多次散射后， 在在x x方向上的分量為方向上的分量為0 0，即，即根據(jù)遷移率的定義根據(jù)遷移率的定義 tmqvvnxx*00v0*0dttPemqvvPtnxx00 xvnnxmqv*nnxmqv電子遷移率電子遷移率空穴遷移率空穴遷移率各種不同類型材料的電導率各種不同類型材料的電導率n n型：型： p p型：型：混合型：混合型：式中的式中的 和和 根據(jù)材料的不同有不同的形式，如：根據(jù)材料的不同有不同的形式，如： *nnnmq*ppnmq*2nnnnmnqnq*2pppp

25、mpqpq*2*2nnppnpmnqmpqnqpq*nm*pm4.3 4.3 遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系4.3.24.3.2電導率、遷移率與平均自由時間的關(guān)系電導率、遷移率與平均自由時間的關(guān)系對于等能面為旋轉(zhuǎn)橢球面的多極值半導體（以對于等能面為旋轉(zhuǎn)橢球面的多極值半導體（以n型硅為型硅為例）例）令令所以所以lm mc c稱為電導有效質(zhì)量，對硅稱為電導有效質(zhì)量，對硅m mc c = 0.26m = 0.26m0 0l由于電子電導有效質(zhì)量小于空穴電導有效質(zhì)量，所以由于電子電導有效質(zhì)量小于空穴電導有效質(zhì)量，所以電子遷移率大于空穴遷移率電子遷移率大于空穴遷移率。 xxxxx

26、nqqnqnqnJ)(31333321321xcxnqJcncmq)(31321)21(311tlcmmmtntnlnmqmqmq3214.3 4.3 遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系4.3.24.3.2電導率、遷移率與平均自由時間的關(guān)系電導率、遷移率與平均自由時間的關(guān)系4.3 4.3 遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系4.3.3 4.3.3 遷移率與雜質(zhì)和溫度的關(guān)系遷移率與雜質(zhì)和溫度的關(guān)系聲學波散射：聲學波散射：1exp1exp0101TkTkoo幾種散射同時存在時幾種散射同時存在時, ,有有: :osi1111qm*osi1111實際的實際的與

27、遷移率與遷移率由各種散射機制中起主要作用的由各種散射機制中起主要作用的散射決定。散射決定。2/ 32/ 3TTss電離雜質(zhì)散射：電離雜質(zhì)散射：遷移率與雜質(zhì)濃度及溫度的關(guān)系：遷移率與雜質(zhì)濃度及溫度的關(guān)系：231231TNTNiiii光學波散射：光學波散射：osiPPPPos111L討論討論：1. 1. 在高純材料中，情況如何？在高純材料中，情況如何？KK150100以上時，以上時， T T 的關(guān)系曲線為線性，表明的關(guān)系曲線為線性，表明是是 T T 的冪函數(shù)的冪函數(shù). .72952910321012.:TTSLpLni 83296617100511094.:TTGLpLne 隨著隨著T T的增大的

28、增大, ,不斷下降，但下降的速度要比只有聲不斷下降，但下降的速度要比只有聲學波散射的學波散射的T T-3/2-3/2的規(guī)律要快，這是因為長光學波散射的規(guī)律要快，這是因為長光學波散射也在起作用，是二者綜合作用的結(jié)果也在起作用，是二者綜合作用的結(jié)果. .0iN電離雜質(zhì)散射可以忽略，晶格散射起主要作用電離雜質(zhì)散射可以忽略，晶格散射起主要作用4.3 4.3 遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系4.3.3 4.3.3 遷移率與雜質(zhì)和溫度的關(guān)系遷移率與雜質(zhì)和溫度的關(guān)系2.2.在摻有雜質(zhì)的半導體硅中在摻有雜質(zhì)的半導體硅中T T一定（室溫）時，由一定（室溫）時，由 N N 關(guān)系曲線關(guān)系曲線

29、, ,得得2/3*2/3*111111ATmqBNTmqisiGaAsGeSi10210181019 NiiNN與摻雜濃度的關(guān)系：與摻雜濃度的關(guān)系：2/32/3*1TBNATmqi4.3 4.3 遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系4.3.3 4.3.3 遷移率與雜質(zhì)和溫度的關(guān)系遷移率與雜質(zhì)和溫度的關(guān)系若摻雜濃度一定若摻雜濃度一定，T T 的關(guān)系如圖的關(guān)系如圖-10020001001015cm-3n n1013cm-31016cm-31017cm-31018cm-31019cm-3T（）（SiSi中電子遷移率）中電子遷移率）1I23I23sIsNTT111與溫度的關(guān)系：與溫

30、度的關(guān)系：2/32/3*1TBNATmqi4.3 4.3 遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系4.3.3 4.3.3 遷移率與雜質(zhì)和溫度的關(guān)系遷移率與雜質(zhì)和溫度的關(guān)系N NI I 電離雜質(zhì)散射漸強電離雜質(zhì)散射漸強 隨隨T T 下降的趨勢變緩下降的趨勢變緩N NI I很大時（如很大時（如10101919cmcm-3-3）, ,在低溫的情況下在低溫的情況下, , T T, （緩慢）（緩慢）, ,說明雜質(zhì)電離項作用顯著說明雜質(zhì)電離項作用顯著; ;在高溫的情況在高溫的情況下下, , T T,，說明晶格散射作用顯著，說明晶格散射作用顯著. .N NI I很小時很小時,10,10131

31、3( (高純高純) ) 10101717cmcm-3-3( (低摻低摻). ). BNBNI I/ /T T3/23/2T（晶格溫度），熱載流子的（晶格溫度），熱載流子的遷移率遷移率 隨電場強度的增加而降低。隨電場強度的增加而降低。 eTT04.5 4.5 強電場下的效應強電場下的效應l更強電場更強電場 載流子從電場中獲得的能量很高，已足以和載流子從電場中獲得的能量很高，已足以和光學波聲子能量相比，載流子能夠向晶格發(fā)射光光學波聲子能量相比，載流子能夠向晶格發(fā)射光學波聲子，載流子獲得的能量大部分消失，載流學波聲子，載流子獲得的能量大部分消失，載流子的平均漂移速度不再隨電場強度增加而增加，子的平均

32、漂移速度不再隨電場強度增加而增加，而是趨于飽和。而是趨于飽和。4.5 4.5 強電場下的效應強電場下的效應2. 2. 平均漂移速度與電場強度的關(guān)系平均漂移速度與電場強度的關(guān)系 電子與晶格散射達到平衡時電子與晶格散射達到平衡時其中其中 0eadtdEdtdE20*02*02831121128uETTTTmTklumdtdETTqEvqEvfdtdEeennneedda4.5 4.5 強電場下的效應強電場下的效應4.6 4.6 多能谷散射、耿氏效應多能谷散射、耿氏效應耿氏效應耿氏效應 19631963年，耿氏（年，耿氏（GunnGunn）發(fā)現(xiàn)：在）發(fā)現(xiàn)：在n n型型GaAsGaAs兩兩端加上電壓，

33、當半導體內(nèi)電場超過端加上電壓，當半導體內(nèi)電場超過3 310103 3 V/cm V/cm時，半導體內(nèi)的電流以很高的頻率振蕩，振蕩頻時，半導體內(nèi)的電流以很高的頻率振蕩，振蕩頻率約為率約為0.470.476.5 GHz6.5 GHz，這個效應稱為，這個效應稱為GunnGunn效應。效應。GaAsGaAs中有兩個能谷中有兩個能谷1,21,2。 E En1n1 E En2n2 m mn1n1* * 2 2，一、多能谷散射、體內(nèi)負微分電導一、多能谷散射、體內(nèi)負微分電導設(shè)設(shè)n n1 1、n n2 2分別代表能谷分別代表能谷1 1和能谷和能谷2 2中的中的電子濃度，顯然有電子濃度，顯然有電導率電導率 為平均遷移率，為：為平均遷移率，為：平均漂移速度為：平均漂移速度為：21nnnnqnnq)(2211212211nnnn212211nnnnvd4.6 4.6 多能谷散射、耿氏效應多能谷散射、耿氏效應所以所以1 2為該材料的負微分電導區(qū)域，為該材料的負微分電導區(qū)域， 1 為閾值電為閾值電場強度。場強度。當電場很低，當電場很低， 2時，大部分電子時，大部分電子吸收能量轉(zhuǎn)移到了能谷吸收能量轉(zhuǎn)移到了能谷2中，中， n10， ，漂移速度降低；在，漂移速度降低；在1 2，隨著電場增加，隨著電場增加n2不不斷增加，斷增加，n1不斷減少，因為不斷減少，因為