半導(dǎo)體物理 第四章 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性2

1、第四章 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性Electrical conduction of semiconductors重點(diǎn)： 遷移率(Mobility) 散射(Scattering mechanisms) 影響遷移率的本質(zhì)因素 弱電場(chǎng)下電導(dǎo)率的統(tǒng)計(jì)理論平均自由時(shí)間和散射幾率的關(guān)系 : 載流子在電場(chǎng)中作漂移運(yùn)動(dòng)時(shí)，只有在連續(xù)兩次散射之間的時(shí)間內(nèi)才作加速運(yùn)動(dòng)，其平均值則稱為載流子的平均自由時(shí)間，常用來表示.平均自由時(shí)間和散射幾率的關(guān)系: 受到散射的電子 : 電子平均自由時(shí)間: 平均自由時(shí)間的數(shù)值等于散射幾率的倒數(shù):4.3 遷移率與雜質(zhì)濃度and溫度的關(guān)系 Temperature Dependence of Carr

2、ier Concentration and Mobility The Scattering of Carriers外電場(chǎng)作用下電子的平均漂移速度電子在兩次散射期間作加速運(yùn)動(dòng)，第二次散射前的速度變： 電子平均速度變化即是漂移速度：The Scattering of Carriers電導(dǎo)率( )和遷移率( )與平均自由時(shí)間的關(guān)系:Temperature Dependence of Carrier Concentration and Mobility 電子遷移率: 空穴遷移率:n型半導(dǎo)體電導(dǎo)率: p型半導(dǎo)體電導(dǎo)率: 一般混合型半導(dǎo)體: The Scattering of Carriers 硅導(dǎo)電電子

3、導(dǎo)帶極值有六個(gè)，等能面為旋轉(zhuǎn)橢球面，橢球長(zhǎng)軸方向沿，有效質(zhì)量分別為mt和ml。不同極值的能谷中的電子，沿電場(chǎng)強(qiáng)度E方向x的遷移率不同。遷移率:電導(dǎo)有效質(zhì)量: The Scattering of Carriers 對(duì)等能面為多極值半導(dǎo)體遷移率與有效質(zhì)量的關(guān)系要稍復(fù)雜 :遷移率和雜質(zhì)與溫度關(guān)系遷移率和雜質(zhì)與溫度關(guān)系:The Scattering of Carriers 雜質(zhì)濃度較低， 隨溫度升高迅速減小，晶格散射起主要作用； 雜質(zhì)濃度高， 下降趨勢(shì)不顯著，說明雜質(zhì)散射機(jī)構(gòu)的影響為主。當(dāng)雜質(zhì)濃度很高時(shí)，低溫范圍內(nèi)，隨溫度升高，電子 緩慢上升，直到很高溫度(約550K左右)才稍有下降，這說明雜質(zhì)散射起

4、主要作用。晶格振動(dòng)散射與前者比影響不大，所以 隨溫度升高而增大；溫度繼續(xù)升高后，又以晶格振動(dòng)散射為主，故 隨溫度下降。The Scattering of Carriers有多種散射機(jī)構(gòu)同時(shí)存在時(shí)：散射幾率為各散射機(jī)構(gòu)之和: Temperature Dependence of Carrier Concentration and Mobility 補(bǔ)償雜質(zhì)半導(dǎo)體中的載流子密度為兩者差，但遷移率決定于兩種載流子之和。Temperature Dependence of Carrier Concentration and Mobility Temperature Dependence of Carrie

5、r Concentration and Mobility Temperature Dependence of Carrier Concentration and Mobility Temperature Dependence of Carrier Concentration and Mobility 這是Ge在300K下的電子遷移率和空穴遷移率示意圖Temperature Dependence of Carrier Concentration and Mobility 電子遷移率空穴遷移率4.4 電阻率及其與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系Temperature Dependence of Resitiv

6、ity and Impurity Concentration 電阻率及其與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系: 電阻率與遷移率：The Scattering of Carriers電阻率和雜質(zhì)濃度的關(guān)系： 輕摻雜時(shí)，室溫下雜質(zhì)全部電離，半導(dǎo)體中載流子濃度近似等于雜質(zhì)濃度，隨雜質(zhì)的變化不大而認(rèn)為是常數(shù)。所以電阻率與雜質(zhì)濃度成簡(jiǎn)單反比關(guān)系，雜質(zhì)濃度越高電阻率越小，在坐標(biāo)中兩者近似為直線 重?fù)诫s時(shí)，當(dāng)雜質(zhì)濃度增高，電阻率和雜質(zhì)濃度對(duì)數(shù)曲線會(huì)明顯偏離直線，原因： 一：雜質(zhì)在室溫下不能全部電離，重?fù)诫s簡(jiǎn)并半導(dǎo)體中情況更加明顯 二： 隨雜質(zhì)濃度的增加會(huì)顯著下降 本征半導(dǎo)體中載流子濃度隨溫度上升而快速增加，其電阻率隨溫度

7、增加而單調(diào)地下降（半導(dǎo)體區(qū)別于金屬的一個(gè)重要特征） 雜質(zhì)半導(dǎo)體，有雜質(zhì)電離和本征激發(fā)兩個(gè)因素存在，又有電離雜質(zhì)散射和晶格散射等散射機(jī)構(gòu)的存在，因而電阻率隨溫度的變化關(guān)系較復(fù)雜。電阻率隨溫度的變化 :AB段：溫度很低，本征激發(fā)可忽略，載流子主要由雜質(zhì)電離提供它隨溫度升高而增加；散射主要電離雜質(zhì)決定、遷移率隨溫度升高而增大，電阻率隨溫度升高而下降； BC段：溫度繼續(xù)升高（包括室溫），雜質(zhì)全都電離，本征激發(fā)不顯著，載流子基本上不隨溫度變化，晶格振動(dòng)散射為主，遷移率隨溫度升高降低，電阻率隨溫度升高而增大；雜質(zhì)樣品的電阻率和溫度的關(guān)系曲線大致分為三段 ：C段： 溫度很高時(shí)，本征激發(fā)為主，本征載流子的產(chǎn)生

8、遠(yuǎn)超過遷移率減小對(duì)電阻率的影響，半導(dǎo)體的電阻率將隨溫度的升高而急劇地下降，表現(xiàn)出同本征半導(dǎo)體相似的特征。雜質(zhì)濃度越高，進(jìn)入本征導(dǎo)電占優(yōu)勢(shì)的溫度越高，材料的禁帶寬度越大，進(jìn)入本征導(dǎo)電的溫度也越高 。 根據(jù)載流子在電場(chǎng)中的加速以及它們的散射概念，求出了在一定電場(chǎng)下載流子的平均漂移速度，從而得出電導(dǎo)率、遷移率與散射幾率或平均自由時(shí)間的關(guān)系。但是這種分析過于簡(jiǎn)單，原因有以下兩點(diǎn)：上述載流子輸運(yùn)理論的局限性： 計(jì)算中把平均自由時(shí)間看作個(gè)常數(shù)，應(yīng)是載流子速度的函數(shù)，沒有考慮載流子速度的統(tǒng)計(jì)分布和載流子熱運(yùn)動(dòng)速度的區(qū)別，需對(duì)具有不同熱運(yùn)動(dòng)速度的載流子的漂移速度求統(tǒng)計(jì)平均值，才能得出精確的結(jié)果。 計(jì)算中假設(shè)散

9、射后的速度完全無規(guī)則，即散射后載流子向各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的幾率相等。這只適用于各向同性的散射對(duì)縱聲學(xué)波和縱光學(xué)波的散射確實(shí)是各向同性的但是電離雜質(zhì)的散射則偏向于小角散射。所以精確計(jì)算還應(yīng)考慮散射的方向性。下節(jié)介紹：較精確地計(jì)算半導(dǎo)體的電導(dǎo)率，為簡(jiǎn)單起見，仍限 于討論各向同性的散射。 Temperature Dependence of Resitivity and Impurity ConcentrationTemperature Dependence of Resitivity and Impurity Concentration2.電阻率隨溫度的變化Temperature Dependence of Resitivity and Impurity Concentration(2.2)雜質(zhì)半導(dǎo)體過渡區(qū) Temperatur