半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)(3)半導(dǎo)體導(dǎo)電性

1、4.1.載流子的漂移（載流子的漂移（drift）運(yùn)動(dòng)）運(yùn)動(dòng)半導(dǎo)體中的載流子在外場(chǎng)的作用下，作定向運(yùn)動(dòng)半導(dǎo)體中的載流子在外場(chǎng)的作用下，作定向運(yùn)動(dòng)-漂移運(yùn)動(dòng)。漂移運(yùn)動(dòng)。1、 drift (漂移)相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)速度相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)速度-漂移速度漂移速度 。漂移運(yùn)動(dòng)引起的電流漂移運(yùn)動(dòng)引起的電流-漂移電流。漂移電流?？昭娮悠扑俣萷ndvvv:電場(chǎng)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(chǎng)下，單位電場(chǎng)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(shí)間載流子的有效質(zhì)量,

2、m半導(dǎo)體的主要散射（半導(dǎo)體的主要散射（scatting）機(jī)構(gòu)：）機(jī)構(gòu)：* Phonon （lattice）scattering 聲子（晶格）散射聲子（晶格）散射* Ionized impurity scattering 電離雜質(zhì)散射電離雜質(zhì)散射* scattering by neutral impurity and defects 中性雜質(zhì)和缺陷散射中性雜質(zhì)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(dòng)散射）晶格振動(dòng)散射縱波和橫波縱波和橫波聲學(xué)波聲子散射幾率：聲學(xué)波聲子散射幾率：23TPs光學(xué)波聲子散射幾率：光學(xué)波聲子散射幾率：11111)()(00021023TkhvTkhveTkhvfeTkhvPo（2）電離雜質(zhì)散射）電離雜質(zhì)散射電離雜質(zhì)散射幾率：電離雜質(zhì)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(jī)制射機(jī)制電離雜質(zhì)的散射：電離雜質(zhì)的散射：晶格振動(dòng)的散射：晶格振動(dòng)的散射：ivT越易掠過(guò)雜質(zhì)中心載格晶格散射晶格振動(dòng)T溫度對(duì)散射的影響溫度對(duì)散射的影響

4、遷移率遷移率1. 遷移率遷移率雜質(zhì)濃度雜質(zhì)濃度雜質(zhì)濃度雜質(zhì)濃度電離雜質(zhì)散射電離雜質(zhì)散射23TNPII摻雜很輕：摻雜很輕：忽略電離雜質(zhì)散射忽略電離雜質(zhì)散射高溫：高溫： 晶格振動(dòng)散射為主晶格振動(dòng)散射為主T晶格振動(dòng)散射晶格振動(dòng)散射一般情況：一般情況：低溫：低溫： 電離雜質(zhì)散射為主電離雜質(zhì)散射為主 T電離雜質(zhì)散射電離雜質(zhì)散射T晶格振動(dòng)散射晶格振動(dòng)散射2/32/31TBNATmqiRVI 毆姆定律slRlV其中J:電流密度大小J即電導(dǎo)率外加電場(chǎng)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(guò)時(shí)間內(nèi)dSdttt,dsdtnqvdQnnnnnqvJnqvdSdtdQ,

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

6、全電離;雜質(zhì)濃度雜質(zhì)濃度 n（p） 雜質(zhì)濃度增高時(shí)，曲線嚴(yán)重偏離直線。雜質(zhì)濃度增高時(shí)，曲線嚴(yán)重偏離直線。原因原因： T T 電離雜質(zhì)散射電離雜質(zhì)散射 *低溫低溫n（未全電離）未全電離）：T n ： T T 晶格振動(dòng)散射晶格振動(dòng)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(dòng)散射晶格振動(dòng)散射 *高溫高溫n（本征激發(fā)開(kāi)始）本征激發(fā)開(kāi)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(zhì)，使每若摻入銻雜質(zhì)，使每106個(gè)鍺中有一個(gè)雜質(zhì)原子，計(jì)算室溫下個(gè)鍺中有一個(gè)雜質(zhì)原子，計(jì)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(jì)算該半導(dǎo)體材料的電阻率。設(shè)雜）計(jì)算該半導(dǎo)體材料的電阻率。設(shè)雜質(zhì)全部電離。鍺原子濃度為質(zhì)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?zhuān)航忉專(zhuān)? 載流子與晶格振動(dòng)散射交換能量過(guò)程載流子與晶格振動(dòng)散射交換能量過(guò)程* 平均自由時(shí)間與載流子運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)平均自由時(shí)間與載流子運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)vl 加弱電場(chǎng)時(shí)，載流子從電場(chǎng)獲得能量，使加弱電場(chǎng)時(shí)，載流子從電場(chǎng)獲得能量，使載流子載流子發(fā)射的聲發(fā)射的聲子數(shù)略多于吸收的聲子數(shù)。載流子的平均能量與晶格相同子數(shù)略多于吸收的聲子數(shù)。載流子的平均能量與晶格相同, ,仍可仍可

9、認(rèn)為載流子系統(tǒng)與晶格系統(tǒng)保持熱平衡狀態(tài)。認(rèn)為載流子系統(tǒng)與晶格系統(tǒng)保持熱平衡狀態(tài)。 加強(qiáng)電場(chǎng)時(shí)，載流子從電場(chǎng)獲得加強(qiáng)電場(chǎng)時(shí)，載流子從電場(chǎng)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(shí)的大，均能量比熱平衡狀態(tài)時(shí)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(dòng)散射交換能量過(guò)程載流子與晶格振動(dòng)散射交換能量過(guò)程與光學(xué)波聲子散射與光學(xué)波聲子散射 載流子從電場(chǎng)獲得的能量大部分又消失載流子從電場(chǎng)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(dá)到飽和。移速度可以達(dá)到飽和。極強(qiáng)電場(chǎng)時(shí)：極強(qiáng)電場(chǎng)時(shí)：Tdvvl

10、二、二、 平均自由時(shí)間與載流子運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)平均自由時(shí)間與載流子運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)載流子平均熱運(yùn)動(dòng)速度載流子平均漂移速度載流子Tdvvv)(constl 平均自由程無(wú)電場(chǎng)時(shí)：無(wú)電場(chǎng)時(shí)：Tvv 平均自由時(shí)間與電場(chǎng)無(wú)關(guān)低電場(chǎng)時(shí)：低電場(chǎng)時(shí)：Tvvd平均自由時(shí)間與電場(chǎng)基本無(wú)關(guān)強(qiáng)電場(chǎng)時(shí)：強(qiáng)電場(chǎng)時(shí)：Tvvd平均自由時(shí)間由兩者共平均自由時(shí)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(duì)于聲學(xué)波聲子散射對(duì)于聲學(xué)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(duì)于光學(xué)波聲子散射對(duì)于光學(xué)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(zhuǎn)移）（能谷間的載流子轉(zhuǎn)移）1 Intervalley Scattering ( 能谷間散射）能谷間散射）物理機(jī)制：物理機(jī)制：從能帶結(jié)構(gòu)分析從能帶結(jié)構(gòu)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(chǎng)很低電場(chǎng)很低02n2 電場(chǎng)增強(qiáng)電場(chǎng)增強(qiáng)21nn1nn 21nnn3 電場(chǎng)很強(qiáng)電場(chǎng)很強(qiáng)01n2nn 2 Negetive differential conductance(負(fù)微分電導(dǎo)負(fù)微分電導(dǎo))