半导体物理第4章.ppt

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1、第4章半导体的导电性本章重点探讨载流子在外加电场作用下的漂移运动。讨论半导体的迁移率、电导率、电阻率随温度和杂质浓度的变化规律。4.1载流子的漂移运动和迁移率4.1.1欧姆定律电流密度欧姆定律的微分形式4.1.2漂移速度和迁移率在外场

2、E

3、的作用下，半导体中载流子要逆(顺)电场方向作定向运动，这种运动称为漂移运动。定向运动速度称为漂移速度，它大小不一，取其平均值称作平均漂移速度。电子的平均漂移速度图中截面积为s的均匀样品，内部电场为

4、E

5、，电子浓度为n。在其中取相距为的A和B两个截面，这两个截面间所围成的体积中总电子

6、数为，这N个电子经过t时间后都将通过A面，因此按照电流强度的定义与电流方向垂直的单位面积上所通过的电流强度定义为电流密度，用J表示，那么平均漂移速度分析模型对掺杂浓度一定的半导体，当外加电场恒定时，平均漂移速度应不变，相应的电流密度也恒定；电场增加，电流密度和平均漂移速度也相应增大。即平均漂移速度与电场强度成正比例迁移率，表征单位场强下电子平均漂移速度，单位为m2/V·s或cm2/V·s，迁移率一般取正值4.1.3半导体的电导率和迁移率电子和空穴漂移电流密度若在半导体两端加上电压，内部就形成电场.电子和空穴漂移方

7、向相反但所形成的漂移电流密度都是与电场方向一致的，因此总漂移电流密度是两者之和。在电场强度不是很大的情况下在半导体中电子和空穴同时导电由于电子在半导体中作“自由”运动，而空穴运动实际上是共价键上电子在共价键之间的运动。所以两者在外电场作用下的平均漂移速度显然不同，用μn和μp分别表示电子和空穴的迁移率。n型半导体，n>>p,σ=nqμn;p型半导体，p>>n,σ=pqμp;本征型半导体，n=p=ni,σi=niq(μn+μp)4.2载流子的散射4.2.1载流子散射的概念热运动：无规则的、杂乱无章的运动半导体中的载流子

8、在没有外电场作用时，做无规则热运动，与格点原子、杂质原子(离子)和其它载流子发生碰撞，用波的概念就是电子波在传播过程中遭到散射。在电场力作用下的载流子一方面遭受散射，使载流子速度的方向和大小不断改变。另一方面，载流子受电场力作用，沿电场方向（空穴）或反电场方向（电子）定向运动。二者作用的结果是载流子以一定的平均漂移速度做定向运动。电场对载流子的加速作用只存在于连续的两次散射之间。而“自由”载流子只是在连续的两次散射之间才是“自由”的。平均自由程：连续两次散射间自由运动的平均路程平均自由时间：连续两次散射间的平均时间4

9、.2.2半导体的主要散射机构半导体中载流子遭到散射的根本原因：在于晶格周期性势场遭到破坏而存在有附加势场。因此凡是能够导致晶格周期性势场遭到破坏的因素都会引发载流子的散射。1.电离杂质散射施主杂质在半导体中未电离时是中性的，电离后成为正电中心，而受主杂质电离后接受电子成为负电中心，因此离化的杂质原子周围就会形成库仑势场，载流子因运动靠近后其速度大小和方向均会发生改变，也就是发生了散射，这种散射机构就称作电离杂质散射。电离杂质对电子和空穴的散射电离杂质对载流子散射的问题，与α粒子被原子核散射的情形很类似。载流子的轨道是

10、双曲线，电离杂质在双曲线的一个焦点上。为描述散射作用强弱，引入散射几率P，它定义为单位时间内一个载流子受到散射的次数。如果离化的杂质浓度为Ni，电离杂质散射的散射几率Pi与Ni及其温度的关系为上式表明：Ni越高，载流子受电离杂质散射的几率越大；温度升高导致载流子的热运动速度增大，从而更容易掠过电离杂质周围的库仑势场，遭电离杂质散射的几率反而越小。说明：对于经过杂质补偿的n型半导体，在杂质充分电离时，补偿后的有效施主浓度为ND-NA，导带电子浓度n0=ND-NA；而电离杂质散射几率Pi中的Ni应为ND+NA，因为此时施

11、主和受主杂质全部电离，分别形成了正电中心和负电中心及其相应的库仑势场，它们都对载流子的散射作出了贡献，这一点与杂质补偿作用是不同的。2.晶格振动散射一定温度下的晶体其格点原子(或离子)在各自平衡位置附近振动。半导体中格点原子的振动同样要引起载流子的散射，称为晶格振动散射。格点原子的振动都是由若干个不同基本波动按照波的迭加原理迭加而成。基本波动被称作格波常用格波波矢

12、q

13、=1/λ表示格波波长以及格波传播方向由N个原胞组成的一块半导体，共有6N个格波，分成六支。其中频率低的三支称为声学波，三支声学波中包含一支纵声学波和二

14、支横声学波。六支格波中频率高的三支称为光学波，三支光学波中也包括一支纵光学波和二支横光学波。波长在几十个原子间距以上的所谓长声学波对散射起主要作用，而长纵声学波散射更重要。纵声学波相邻原子振动相位一致，结果导致晶格原子分布疏密改变，产生了原子稀疏处体积膨胀、原子紧密处体积压缩的体变。原子间距的改变会导致禁带宽度产生起伏，使晶格周期性势场被破坏，