半导体物理06答辩ppt课件.ppt

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1、本章主要讨论半导体中载流子在外加电场作用下的漂移运动，通过对载流子散射的讨论，了解迁移率的物理本质和半导体中载流子迁移率、电导率、电阻率随温度和杂质浓度的变化规律。第四章半导体的导电性重要的半导体材料参数：禁带宽度，临界雪崩击穿电场强度，介电常数，载流子饱和速度以及载流子迁移率，载流子密度，少子寿命。载流子的漂移运动和迁移率迁移率和电导率随温度和杂质浓度的变化载流子的散射强电场效应本章主要内容一、欧姆定律的微分形式§4.1载流子的漂移运动和迁移率金属：—电子I并不能完全反映导体的材料性能，特别是在导体的导电性不够均匀，各处的电流分布不够一致

2、的情况下，常常使用电流密度这一概念。电流密度是指通过垂直于电流方向的单位面积的电流，即σ为材料的电导率VLσIρS欧姆定律微分表达式导体某处的电流密度与材料在该处的电导率及电场强度直接联系起来二、漂移速度和迁移率漂移运动：电子在电场作用下做定向运动称为漂移运动。漂移速度：定向运动的速度平均速度漂移电流引入迁移率的概念漂移电流与迁移率的关系漂移电流密度迁移率是用来描述半导体中载流子在单位电场下运动快慢的物理量，是描述载流子输运现象的一个重要参数，三、半导体的电导率和迁移率半导体中有电子和空穴两种载流子，n、p随T和掺杂浓度变化而变化，所以σ随

3、掺杂浓度和T变化。半导体在电场作用下：与比较，可得：电导率μn和μp分别称为电子和空穴迁移率，单位：cm2/(V·s)导电的电子是在导带中，他们是脱离了共价键可以在半导体中自由运动的电子；而导电的空穴是在价带中，空穴电流实际上是代表了共价键上的电子在价键间运动时所产生的电流，所以在相同电场作用下，电子和空穴的迁移率不同。迁移率单位电场作用下载流子获得的平均速度，反映了载流子在电场作用下输运能力。表：本征半导体在温度为300K时，电子的迁移率μn和空穴的迁移率μp且迁移率随杂质浓度和温度的变化而变化半导体材料μn(cm2/v·s)μp(cm

4、2/v·s)Ge39001900Si1350500GaAs8000100~300高纯Si,GaAs和Ge中载流子漂移速度与外加电场的关系n型半导体P型半导体本征半导体电阻率与载流子浓度与迁移率有关，二者均与杂质浓度和温度有关。在饱和电离区：N型：单一杂质：no=ND补偿型：no=ND－NAP型：单一杂质：po=NA，补偿型：po=NA－ND，四、恒定电场下载流子漂移运动的微观描述在有外加电场时，载梳子在电场力的作用下作加速运动，漂移速度应该不断增大，因而电流密度将无限增大。但是欧姆定律指出，在恒定电场作用下，电流密度应该是恒定的，岂非矛盾?

5、载流子随机热运动示意图无外电场散射作用使所有载流子在两次散射之间积累起来的动量化为零，即平均速度为零。导体和半导体中存在着能够随机改变载流子运动速度的微观机构，即散射机构。有外电场E外电场作用下电子的漂移运动稳定的外加电场作用下，散射的原因使得载流子只能在有限时间平均自由时间内受到电场的加速而获得有限的速度累积，产生一定的平均漂移速度。半导体中电子和空穴的运动12341234电场E1234无外场条件下载流子的无规则热运动外场条件下空穴的热运动和定向运动外场条件下电子的热运动和定向运动描述散射的物理量散射概率Ｐ：单位时间内一个载流子受到的散

6、射的次数平均自由时间：连续两次散射之间自由运动时间的平均值平均自由程的典型值为10-5cm，平均自由时间则约为1微微秒(ps,即10-5cm/vth≈10-12s）。平均自由程：连续两次散射之间的自由运动的平均路程。1、平均自由时间连续两次散射之间的自由运动的平均时间。设1为第一次散射的时间，2…,N为第N次散射的时间平均自由时间为:平均自由程：连续两次散射之间的自由运动的平均路程。在t=0时，有Ｎ0个电子以速度v运动，N(t)为在t时刻未受散射的电子数目，则在t～t+t间隔内受散射的电子数：△t→0，在dt内，受到第一次散射的电

7、子数为：它们的自由运动时间均为t它们的自由时间总和为：即：散射的平均自由时间等于散射概率的倒数。平均自由时间为：2、平均漂移速度t=0对t～t+dt时间内受到散射的电子的速度之和对所有电子求平均：半导体中载流子的迁移率决定载流子本身有效质量的大小和散射机构作用的强弱。电子迁移率空穴迁移率(1)单极值的半导体材料(2)多极值的半导体材料电子有效质量各向异性的导带多能谷半导体，因为不同能谷中电子沿同一电场方向的有效质量不同，所以迁移率与有效质量的关系要稍复杂些。me*μP001100xz010y纵向ml←Ex如：Si导带极值有六

8、个，等能面为旋转椭球，长轴方向的有效质量　　，短轴　　。设电场沿x轴方向。[100]能谷的电子：x方向[010]能谷的电子：[001]能谷的电子：设电子浓度为n，则每个能谷中单位