半導(dǎo)體物理第一章解讀課件

半導(dǎo)體物理

半導(dǎo)體物理是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域中的一個(gè)活躍分支,也是半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要物理基礎(chǔ)。半個(gè)多世紀(jì)以來，半導(dǎo)體物理自身不僅在晶態(tài)半導(dǎo)體、非晶態(tài)半導(dǎo)體、半導(dǎo)體表面、半導(dǎo)體超晶格、納米半導(dǎo)體和有機(jī)半導(dǎo)體等領(lǐng)域中都獲得了令世人矚目的重大進(jìn)展，而且它還是一系列新材料、新結(jié)構(gòu)、新效應(yīng)、新器件和新工藝產(chǎn)生的源泉。因此，此課程的學(xué)習(xí)對日后從事半導(dǎo)體領(lǐng)域研究及其他新興交叉學(xué)科如納米科學(xué)的研究尤為重要。

主講教師：劉金平半導(dǎo)體物理半導(dǎo)體物理是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域中的一個(gè)活躍分支授課主要內(nèi)容（半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識）：摻雜半導(dǎo)體的導(dǎo)電性（載流子，電導(dǎo)率，電阻率，遷移率，方塊電阻）能級（多子，少子，費(fèi)米能級，非平衡載流子復(fù)合、擴(kuò)散）PN結(jié)（I-V關(guān)系，空間電荷區(qū)，晶體管，PN結(jié)擊穿、電容效應(yīng)，金屬-半導(dǎo)體接觸）半導(dǎo)體表面（表面空間電荷區(qū)，MIS電容器，MOS場效應(yīng)晶體管，電荷耦合器件）晶格和缺陷（空位，間隙原子，位錯(cuò)，層錯(cuò)，相變，相圖）授課主要內(nèi)容（半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識）：摻雜半導(dǎo)體的導(dǎo)電性（載流前沿應(yīng)用領(lǐng)域選講：太陽能電池（PN結(jié)型，染料敏化，有機(jī)光伏）半導(dǎo)體光催化（光吸收，電子空穴分離）光電化學(xué)分解水（原理，基本物理過程）半導(dǎo)體器件前沿應(yīng)用領(lǐng)域選講：太陽能電池（PN結(jié)型，染料敏化，有機(jī)光伏）教材：《半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)》，黃昆，韓汝琦；科學(xué)出版社參考書目：《半導(dǎo)體物理學(xué)》劉恩科、朱秉升、羅晉生等編著，電子工業(yè)出版社《半導(dǎo)體物理與器件——基本原理》(第3版)(美)DonaldA.Neamen著教材：《半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)》，黃昆，韓汝琦；科學(xué)出版社參考書目第一章：摻雜半導(dǎo)體的導(dǎo)電性1.1載流子半導(dǎo)體的導(dǎo)電與金屬不同，存在兩種載流子：電子和空穴。

空穴：可以自由移動的缺位。常溫下，熱運(yùn)動對半導(dǎo)體導(dǎo)電性影響十分微弱（對于Si，Ne,Np<1.5×1010cm-3）。

摻雜是控制半導(dǎo)體中載流子濃度，從而控制半導(dǎo)體導(dǎo)電性的重要手段。第一章：摻雜半導(dǎo)體的導(dǎo)電性1.1載流子1.2摻雜（1）施主摻雜純SiV主族元素?fù)诫s（P,As,Sb,Bi）施主雜質(zhì)：雜質(zhì)原子提供自由電子而本身變成帶正電的離子。N型半導(dǎo)體：依靠電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體。1.2摻雜（1）施主摻雜純SiV主族元素?fù)诫s（P,As,S1.2摻雜（2）受主摻雜純SiIII主族元素?fù)诫s（B,Al,Ga,In）受主雜質(zhì)：雜質(zhì)原子提供空穴而本身變成帶負(fù)電的離子。P型半導(dǎo)體：依靠空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體。1.2摻雜（2）受主摻雜純SiIII主族元素?fù)诫s（B,Al討論：對于半導(dǎo)體Ge，上述討論依然成立。由于Ge較大的原子系數(shù)，其對價(jià)電子束縛力較弱。存在大量的化合物半導(dǎo)體材料。比如III-V型化合物：GaAs,InSb,GaP,InP等。II-VI型半導(dǎo)體：ZnO,CdS.

GaAs是一類重要的半導(dǎo)體，已廣泛用于制造發(fā)光二極管、激光器以及微波器件等。

討論：對于半導(dǎo)體Ge，上述討論依然成立。由于Ge較大的原子系III-V型半導(dǎo)體*共價(jià)鍵與離子鍵的結(jié)合。對價(jià)電子的束縛力更大。陽離子摻雜：鋅Zn,鎘Cd陰離子摻雜：碲Te,硒Se

Si,Ge等IV族的元素既可受主、亦可施主摻雜。III-V型半導(dǎo)體*共價(jià)鍵與離子鍵的結(jié)合。對價(jià)電子的束縛力更1.3微分歐姆定律、電導(dǎo)率、電阻率微分歐姆定律：描述半導(dǎo)體內(nèi)各點(diǎn)電流強(qiáng)弱的不均勻性。

為通過單位橫截面積的電流強(qiáng)度，稱為電流密度。

稱為半導(dǎo)體的

電導(dǎo)率。E為電場強(qiáng)度。

探針測試半導(dǎo)體電阻這種情況下，電流成一個(gè)以探針尖為中心、沿半徑四周散開的電流分布。1.3微分歐姆定律、電導(dǎo)率、電阻率微分歐姆定律：描述半導(dǎo)體在半導(dǎo)體內(nèi)部某點(diǎn)A，如果電流密度是jA，則在A點(diǎn)通過橫截面積元dS的電流強(qiáng)度就是jAdS.假設(shè)總電流為I，則很容易得到在圖中所畫的半徑為r的半球面上，各點(diǎn)的電流密度為：

半導(dǎo)體物理第一章解讀課件下面就均勻?qū)щ婓w模型推算微分歐姆定律。又有電阻率：歐姆定律：下面就均勻?qū)щ婓w模型推算微分歐姆定律。又有電阻率：歐姆定律：對于非均勻?qū)w，我們可以取一個(gè)小體積元，當(dāng)小體積元足夠小時(shí)，可以看出是均勻的，上述推導(dǎo)依然有效。參量單位

電流密度j:安培/厘米2（A/cm2）

電場強(qiáng)度E:伏特/cm(V/cm)

電導(dǎo)率:歐姆-1?厘米-1（?cm-1）

電阻率:歐姆?厘米（?cm）對于非均勻?qū)w，我們可以取一個(gè)小體積元，當(dāng)小體積元足夠小時(shí)，電導(dǎo)率與摻雜濃度的關(guān)系電子熱運(yùn)動速率估算：

k為波爾子曼常數(shù)。m0是電子質(zhì)量*。因此可計(jì)算得：

v0≈1.2×107cm/s熱運(yùn)動是無規(guī)則的，效果相互抵消，并不形成電流。當(dāng)有電場存在時(shí)，電子才會沿著電場力方向產(chǎn)生一定速度。載流子在做無規(guī)則運(yùn)動的同時(shí)，由于電場作用而產(chǎn)生的、沿著電場力方向的運(yùn)動叫做漂移運(yùn)動。有效質(zhì)量：電子在加速運(yùn)動中表現(xiàn)出的質(zhì)量（不同于自由電子質(zhì)量）。電導(dǎo)率與摻雜濃度的關(guān)系電子熱運(yùn)動速率估算：如上圖，在dt時(shí)間內(nèi)通過半導(dǎo)體A處的dS截面的電荷量可表述為：由于電流密度故，設(shè)電子在電場作用下的平均漂移速度為：電子濃度為n如上圖，在dt時(shí)間內(nèi)通過半導(dǎo)體A處的dS截面的電荷量可表述為又有：因n和q都與E無關(guān)，因此可以看出載流子的漂移速度和電場強(qiáng)度是成正比的。定義電子遷移率：遷移率：單位電場作用下的漂移速度。因此：

n型半導(dǎo)體：

p型半導(dǎo)體：摻雜半導(dǎo)體中，電子或空穴的濃度基本上分別等于施主和受主雜質(zhì)濃度。又有：因n和q都與E無關(guān)，因此可以看出載流子的漂移速度和摻雜延伸：在不同的半導(dǎo)體中，電子和空穴的遷移率是不相同的；同一個(gè)半導(dǎo)體中，電子、空穴的遷移率也是隨著溫度和摻雜濃度而變化的。已知電導(dǎo)率和摻雜的關(guān)系，

A：通過電阻率（電導(dǎo)率）和摻雜濃度，可以計(jì)算電子遷移率。

B：通過電阻率和電子遷移率，可計(jì)算摻雜濃度。見教材例題。延伸：在不同的半導(dǎo)體中，電子和空穴的遷移率是不相同的；同一個(gè)1.4遷移率遷移率的意義：

遷移率是反應(yīng)半導(dǎo)體中載流子導(dǎo)電能力的重要參數(shù)。同樣的摻雜濃度，遷移率越大，材料的電導(dǎo)率就越高。遷移率直接決定著載流子運(yùn)動（漂移、擴(kuò)散）的快慢，對半導(dǎo)體器件工作的速度有重要影響。1.4遷移率遷移率的意義：影響遷移率的主要因素（1）摻雜濃度同一材料，摻雜不同，載流子的遷移率就不一樣。摻雜濃度增加對于N型和P型硅材料，常溫下，摻雜濃度較低范圍內(nèi)，電子和空穴有比較確定的遷移率。摻雜濃度高于一定程度，遷移率隨著摻雜濃度變大和降低。影響遷移率的主要因素（1）摻雜濃度摻雜濃度增加對于N型和P型（2）溫度對于N型和P型硅材料，較高摻雜濃度下，載流子遷移率隨溫度變化平緩、不顯著。對低的摻濃度，遷移率隨著溫度升高大幅度下降。摻雜濃度增加摻雜濃度增加（2）溫度對于N型和P型硅材料，較高摻雜濃度下，載流子遷移率載流子遷移的微觀圖像（散射）電場作用下載流子的漂移需要注意的是，恒定的電場作用下，載流子保持的是一個(gè)確定的平均漂移速度，并未不斷加速。這意味著載流子是受到阻力作用的。

載流子在其熱運(yùn)動中，不斷與晶格、雜質(zhì)及缺陷發(fā)生碰撞而無規(guī)則改變其運(yùn)動方向的現(xiàn)象，稱為散射。

載流子每經(jīng)一次散射，就重新開始沿電場力方向加速，直到再一次發(fā)生散射，這段時(shí)間內(nèi)加速運(yùn)動的平均速度可視為平均漂移速度。載流子遷移的微觀圖像（散射）電場作用下載流子的漂移載流子每經(jīng)設(shè)載流子（電子或空穴）質(zhì)量為m*,電場力Eq，則加速度為：則兩次碰撞間的時(shí)間t內(nèi)載流子的平均速度：定義平均自由運(yùn)動時(shí)間可得到又因得到遷移率*電子和空穴的有效質(zhì)量不一樣，因此它們遷移率表現(xiàn)出明顯差異。設(shè)載流子（電子或空穴）質(zhì)量為m*,電場力Eq，則加速度為：*討論：載流子平均自由運(yùn)動時(shí)間越長，遷移率越高。而平均自由運(yùn)動時(shí)間的長短則是由載流子散射的強(qiáng)弱來決定的。摻雜濃度和溫度對于遷移率的影響，實(shí)際上是由于它們直接影響著載流子散射的強(qiáng)弱。那么，在半導(dǎo)體中，是哪些因素引起載流子的散射呢？？討論：載流子平均自由運(yùn)動時(shí)間越長，遷移率越高。而平均自由運(yùn)動載流子散射的類型晶格散射

由晶格振動引起的載流子散射叫做晶格散射。

當(dāng)溫度升高時(shí)，晶格振動加強(qiáng)，對載流子的晶格散射就會增強(qiáng)。對于低摻雜濃度的半導(dǎo)體，遷移率隨溫度的升高而大幅度下降，原因在于此。載流子散射的類型晶格散射載流子散射的類型電離雜質(zhì)散射

半導(dǎo)體中電離雜質(zhì)形成的正、負(fù)電中心對載流子的吸引或者排除作用叫做電離雜質(zhì)散射。

一般來講，電子雜質(zhì)散射隨著摻雜濃度的增加而增強(qiáng)。電離雜質(zhì)越多，載流子被散射的機(jī)會就越大。載流子散射的類型電離雜質(zhì)散射一般來講，電子雜質(zhì)散射隨著摻雜濃載流子散射的類型雜質(zhì)原子散射缺陷散射

載流子散射的類型雜質(zhì)原子散射對于電離雜質(zhì)散射來說，溫度越低，載流子運(yùn)動越慢，散射作用越強(qiáng)，這個(gè)晶格散射的情況是相反的。故，摻雜濃度較高時(shí)，由于電離雜質(zhì)散射隨溫度變化的趨勢與晶格散射相反，因此遷移率隨溫度變化較??；在較低的溫度下，遷移率隨溫度上升而升高，而在較高的溫度下是隨著溫度的上升而下降的，這實(shí)際上是表明，在高摻雜濃度下，較低溫度時(shí)電離雜質(zhì)散射占優(yōu)勢，只有在較高溫度，晶格散射才占優(yōu)勢。對于電離雜質(zhì)散射來說，溫度越低，載流子運(yùn)動越慢，散強(qiáng)電場效應(yīng)在很強(qiáng)的電場下，即使摻雜濃度和溫度一定，載流子遷移率不再是一個(gè)常數(shù)，平均漂移速度隨著外場增加而加快的速度變得緩慢，最后趨向于一個(gè)恒定值，即飽和漂移速度（極限漂移速度）。

低電場情況下，載流子平均漂移速度比平均越運(yùn)動速度小很多，平均自由運(yùn)動時(shí)間取決于載流子的平均熱運(yùn)動速度而與電場無關(guān)，遷移率為常數(shù)。強(qiáng)電場下，載流子運(yùn)動加快，平均自由運(yùn)動時(shí)間減小，遷移率下降，從而平均漂移速度不再與電場成正比，而是變化緩慢。足夠強(qiáng)電場時(shí)，晶格散射會變得特別強(qiáng)，最終平均漂移速度趨于飽和值。

強(qiáng)電場效應(yīng)在很強(qiáng)的電場下，即使摻雜濃度和溫度一定，載流子遷移率不再是一個(gè)常數(shù)，平均漂移速度隨著外場增加而加快的速度變得緩慢，最后趨向于一個(gè)恒定值，即飽和漂移速度（極限漂移速度）。

低電場情況下，載流子平均漂移速度比平均越運(yùn)動速度小很多，平均自由運(yùn)動時(shí)間取決于載流子的平均熱運(yùn)動速度而與電場無關(guān)，遷移率為常數(shù)。

強(qiáng)電場下，載流子運(yùn)動加快，平均自由運(yùn)動時(shí)間減小，遷移率下降，從而平均漂移速度不再與電場成正比，而是變化緩慢。足夠強(qiáng)電場時(shí)，晶格散射會變得特別強(qiáng)，最終平均漂移速度趨于飽和值。

強(qiáng)電場效應(yīng)在很強(qiáng)的電場下，即使摻雜濃度和溫度一定，載流子遷移1.5四探針法電阻率是半導(dǎo)體單晶材料的主要技術(shù)指標(biāo)。四探針法是目前檢測硅單晶電阻率的主要方法。減除接觸電阻的問題1、4探針間電流I；2、3探針間的電勢差Vc是與樣品幾何參數(shù)和探針間距有關(guān)的系數(shù)。1.5四探針法電阻率是半導(dǎo)體單晶材料的主要技術(shù)指標(biāo)。四探針半球上電流密度是均勻分布的：則半球上電場強(qiáng)度：點(diǎn)電荷場強(qiáng)公式：對比，可等效看成在A的一個(gè)點(diǎn)電荷產(chǎn)生的場強(qiáng)分布。因此電勢分布可寫成：半球上電流密度是均勻分布的：則半球上電場強(qiáng)度：點(diǎn)電荷場強(qiáng)公式探針2處的電勢：探針3處的電勢：探針2和3之間的電勢差：取S1=S2=S3=S，則：實(shí)際測試中要注意：探針及尖，間距足夠?。?mm）;避免電流過大。探針2處的電勢：探針3處的電勢：探針2和3之間的電勢差：取S1.6方塊電阻描述擴(kuò)散薄層的導(dǎo)電性能的重要參數(shù)。擴(kuò)散后的雜質(zhì)濃度分布（p型）離開表面深度如圖，受主雜質(zhì)濃度與施主雜質(zhì)濃度相等的地方xj是P型和N型的交界面，此處形成PN結(jié)。xj稱為結(jié)深。表面厚度為xj的這一層叫做擴(kuò)散薄層，通常厚度為幾個(gè)微米。1.6方塊電阻描述擴(kuò)散薄層的導(dǎo)電性能的重要參數(shù)。擴(kuò)散后的雜對于電阻率恒定的薄層導(dǎo)體，如果其寬為W、厚為d，則其電阻為：

比例系數(shù)稱為方塊電阻對于電阻率不恒定的薄層導(dǎo)體，對于電阻率恒定的薄層導(dǎo)體，如果其寬為W、厚為d，則其電阻為：如果忽略遷移率隨著雜質(zhì)濃度的變化，則顯而易見，方塊電阻與雜質(zhì)總量成反比。因此，在擴(kuò)散工藝中，常用標(biāo)志擴(kuò)散雜質(zhì)的總量。看書自學(xué)：方塊電阻的測量與結(jié)深測量相結(jié)合，可以估算表面雜質(zhì)濃度。根據(jù)方塊電阻表示擴(kuò)散薄層中雜質(zhì)總量這一物理概念，通過測量方塊電阻可以求出擴(kuò)散薄層中的雜質(zhì)分布。如果忽略遷移率隨著雜質(zhì)濃度的變化，則顯而易見，方塊電阻與雜質(zhì)四探針法測試擴(kuò)散薄層電阻率（方塊電阻）由于PN結(jié)的阻擋作用，探針1和4之間的電流只在擴(kuò)散層內(nèi)通過；因此，四探針法直接測試的是擴(kuò)散層的導(dǎo)電性能。擴(kuò)散層厚度一般僅幾個(gè)微米，相對于探針間距是很小的，因此，擴(kuò)散層可看成為一個(gè)無限薄層。四探針法測試擴(kuò)散薄層電阻率（方塊電阻）由于PN結(jié)的阻擋作用，如圖電流I通過探針流入薄層，在半徑r處實(shí)際上是通過一個(gè)高為xj的圓柱面流開的。圓柱面的總面積為：則可得到半徑r處電場為：相應(yīng)的電勢函數(shù)為：如圖電流I通過探針流入薄層，在半徑r處實(shí)際上是通過一個(gè)高為x四探針情況下，設(shè)探針間距離

相等，均為S。則：同理，則，擴(kuò)散薄層的幾何尺寸不滿足無窮大平面的條件下，測量結(jié)果要進(jìn)行修正。（見教材修正因子c的列表）四探針情況下，設(shè)探針間距離

相等，均為S。則：同理，則，擴(kuò)散半導(dǎo)體物理

半導(dǎo)體物理是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域中的一個(gè)活躍分支,也是半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要物理基礎(chǔ)。半個(gè)多世紀(jì)以來，半導(dǎo)體物理自身不僅在晶態(tài)半導(dǎo)體、非晶態(tài)半導(dǎo)體、半導(dǎo)體表面、半導(dǎo)體超晶格、納米半導(dǎo)體和有機(jī)半導(dǎo)體等領(lǐng)域中都獲得了令世人矚目的重大進(jìn)展，而且它還是一系列新材料、新結(jié)構(gòu)、新效應(yīng)、新器件和新工藝產(chǎn)生的源泉。因此，此課程的學(xué)習(xí)對日后從事半導(dǎo)體領(lǐng)域研究及其他新興交叉學(xué)科如納米科學(xué)的研究尤為重要。

主講教師：劉金平半導(dǎo)體物理半導(dǎo)體物理是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域中的一個(gè)活躍分支授課主要內(nèi)容（半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識）：摻雜半導(dǎo)體的導(dǎo)電性（載流子，電導(dǎo)率，電阻率，遷移率，方塊電阻）能級（多子，少子，費(fèi)米能級，非平衡載流子復(fù)合、擴(kuò)散）PN結(jié)（I-V關(guān)系，空間電荷區(qū)，晶體管，PN結(jié)擊穿、電容效應(yīng)，金屬-半導(dǎo)體接觸）半導(dǎo)體表面（表面空間電荷區(qū)，MIS電容器，MOS場效應(yīng)晶體管，電荷耦合器件）晶格和缺陷（空位，間隙原子，位錯(cuò)，層錯(cuò)，相變，相圖）授課主要內(nèi)容（半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識）：摻雜半導(dǎo)體的導(dǎo)電性（載流前沿應(yīng)用領(lǐng)域選講：太陽能電池（PN結(jié)型，染料敏化，有機(jī)光伏）半導(dǎo)體光催化（光吸收，電子空穴分離）光電化學(xué)分解水（原理，基本物理過程）半導(dǎo)體器件前沿應(yīng)用領(lǐng)域選講：太陽能電池（PN結(jié)型，染料敏化，有機(jī)光伏）教材：《半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)》，黃昆，韓汝琦；科學(xué)出版社參考書目：《半導(dǎo)體物理學(xué)》劉恩科、朱秉升、羅晉生等編著，電子工業(yè)出版社《半導(dǎo)體物理與器件——基本原理》(第3版)(美)DonaldA.Neamen著教材：《半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)》，黃昆，韓汝琦；科學(xué)出版社參考書目第一章：摻雜半導(dǎo)體的導(dǎo)電性1.1載流子半導(dǎo)體的導(dǎo)電與金屬不同，存在兩種載流子：電子和空穴。

空穴：可以自由移動的缺位。常溫下，熱運(yùn)動對半導(dǎo)體導(dǎo)電性影響十分微弱（對于Si，Ne,Np<1.5×1010cm-3）。

摻雜是控制半導(dǎo)體中載流子濃度，從而控制半導(dǎo)體導(dǎo)電性的重要手段。第一章：摻雜半導(dǎo)體的導(dǎo)電性1.1載流子1.2摻雜（1）施主摻雜純SiV主族元素?fù)诫s（P,As,Sb,Bi）施主雜質(zhì)：雜質(zhì)原子提供自由電子而本身變成帶正電的離子。N型半導(dǎo)體：依靠電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體。1.2摻雜（1）施主摻雜純SiV主族元素?fù)诫s（P,As,S1.2摻雜（2）受主摻雜純SiIII主族元素?fù)诫s（B,Al,Ga,In）受主雜質(zhì)：雜質(zhì)原子提供空穴而本身變成帶負(fù)電的離子。P型半導(dǎo)體：依靠空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體。1.2摻雜（2）受主摻雜純SiIII主族元素?fù)诫s（B,Al討論：對于半導(dǎo)體Ge，上述討論依然成立。由于Ge較大的原子系數(shù)，其對價(jià)電子束縛力較弱。存在大量的化合物半導(dǎo)體材料。比如III-V型化合物：GaAs,InSb,GaP,InP等。II-VI型半導(dǎo)體：ZnO,CdS.

GaAs是一類重要的半導(dǎo)體，已廣泛用于制造發(fā)光二極管、激光器以及微波器件等。

討論：對于半導(dǎo)體Ge，上述討論依然成立。由于Ge較大的原子系III-V型半導(dǎo)體*共價(jià)鍵與離子鍵的結(jié)合。對價(jià)電子的束縛力更大。陽離子摻雜：鋅Zn,鎘Cd陰離子摻雜：碲Te,硒Se

Si,Ge等IV族的元素既可受主、亦可施主摻雜。III-V型半導(dǎo)體*共價(jià)鍵與離子鍵的結(jié)合。對價(jià)電子的束縛力更1.3微分歐姆定律、電導(dǎo)率、電阻率微分歐姆定律：描述半導(dǎo)體內(nèi)各點(diǎn)電流強(qiáng)弱的不均勻性。

為通過單位橫截面積的電流強(qiáng)度，稱為電流密度。

稱為半導(dǎo)體的

電導(dǎo)率。E為電場強(qiáng)度。

探針測試半導(dǎo)體電阻這種情況下，電流成一個(gè)以探針尖為中心、沿半徑四周散開的電流分布。1.3微分歐姆定律、電導(dǎo)率、電阻率微分歐姆定律：描述半導(dǎo)體在半導(dǎo)體內(nèi)部某點(diǎn)A，如果電流密度是jA，則在A點(diǎn)通過橫截面積元dS的電流強(qiáng)度就是jAdS.假設(shè)總電流為I，則很容易得到在圖中所畫的半徑為r的半球面上，各點(diǎn)的電流密度為：

半導(dǎo)體物理第一章解讀課件下面就均勻?qū)щ婓w模型推算微分歐姆定律。又有電阻率：歐姆定律：下面就均勻?qū)щ婓w模型推算微分歐姆定律。又有電阻率：歐姆定律：對于非均勻?qū)w，我們可以取一個(gè)小體積元，當(dāng)小體積元足夠小時(shí)，可以看出是均勻的，上述推導(dǎo)依然有效。參量單位

電流密度j:安培/厘米2（A/cm2）

電場強(qiáng)度E:伏特/cm(V/cm)

電導(dǎo)率:歐姆-1?厘米-1（?cm-1）

電阻率:歐姆?厘米（?cm）對于非均勻?qū)w，我們可以取一個(gè)小體積元，當(dāng)小體積元足夠小時(shí)，電導(dǎo)率與摻雜濃度的關(guān)系電子熱運(yùn)動速率估算：

k為波爾子曼常數(shù)。m0是電子質(zhì)量*。因此可計(jì)算得：

v0≈1.2×107cm/s熱運(yùn)動是無規(guī)則的，效果相互抵消，并不形成電流。當(dāng)有電場存在時(shí)，電子才會沿著電場力方向產(chǎn)生一定速度。載流子在做無規(guī)則運(yùn)動的同時(shí)，由于電場作用而產(chǎn)生的、沿著電場力方向的運(yùn)動叫做漂移運(yùn)動。有效質(zhì)量：電子在加速運(yùn)動中表現(xiàn)出的質(zhì)量（不同于自由電子質(zhì)量）。電導(dǎo)率與摻雜濃度的關(guān)系電子熱運(yùn)動速率估算：如上圖，在dt時(shí)間內(nèi)通過半導(dǎo)體A處的dS截面的電荷量可表述為：由于電流密度故，設(shè)電子在電場作用下的平均漂移速度為：電子濃度為n如上圖，在dt時(shí)間內(nèi)通過半導(dǎo)體A處的dS截面的電荷量可表述為又有：因n和q都與E無關(guān)，因此可以看出載流子的漂移速度和電場強(qiáng)度是成正比的。定義電子遷移率：遷移率：單位電場作用下的漂移速度。因此：

n型半導(dǎo)體：

p型半導(dǎo)體：摻雜半導(dǎo)體中，電子或空穴的濃度基本上分別等于施主和受主雜質(zhì)濃度。又有：因n和q都與E無關(guān)，因此可以看出載流子的漂移速度和摻雜延伸：在不同的半導(dǎo)體中，電子和空穴的遷移率是不相同的；同一個(gè)半導(dǎo)體中，電子、空穴的遷移率也是隨著溫度和摻雜濃度而變化的。已知電導(dǎo)率和摻雜的關(guān)系，

A：通過電阻率（電導(dǎo)率）和摻雜濃度，可以計(jì)算電子遷移率。

B：通過電阻率和電子遷移率，可計(jì)算摻雜濃度。見教材例題。延伸：在不同的半導(dǎo)體中，電子和空穴的遷移率是不相同的；同一個(gè)1.4遷移率遷移率的意義：

遷移率是反應(yīng)半導(dǎo)體中載流子導(dǎo)電能力的重要參數(shù)。同樣的摻雜濃度，遷移率越大，材料的電導(dǎo)率就越高。遷移率直接決定著載流子運(yùn)動（漂移、擴(kuò)散）的快慢，對半導(dǎo)體器件工作的速度有重要影響。1.4遷移率遷移率的意義：影響遷移率的主要因素（1）摻雜濃度同一材料，摻雜不同，載流子的遷移率就不一樣。摻雜濃度增加對于N型和P型硅材料，常溫下，摻雜濃度較低范圍內(nèi)，電子和空穴有比較確定的遷移率。摻雜濃度高于一定程度，遷移率隨著摻雜濃度變大和降低。影響遷移率的主要因素（1）摻雜濃度摻雜濃度增加對于N型和P型（2）溫度對于N型和P型硅材料，較高摻雜濃度下，載流子遷移率隨溫度變化平緩、不顯著。對低的摻濃度，遷移率隨著溫度升高大幅度下降。摻雜濃度增加摻雜濃度增加（2）溫度對于N型和P型硅材料，較高摻雜濃度下，載流子遷移率載流子遷移的微觀圖像（散射）電場作用下載流子的漂移需要注意的是，恒定的電場作用下，載流子保持的是一個(gè)確定的平均漂移速度，并未不斷加速。這意味著載流子是受到阻力作用的。

載流子在其熱運(yùn)動中，不斷與晶格、雜質(zhì)及缺陷發(fā)生碰撞而無規(guī)則改變其運(yùn)動方向的現(xiàn)象，稱為散射。

載流子每經(jīng)一次散射，就重新開始沿電場力方向加速，直到再一次發(fā)生散射，這段時(shí)間內(nèi)加速運(yùn)動的平均速度可視為平均漂移速度。載流子遷移的微觀圖像（散射）電場作用下載流子的漂移載流子每經(jīng)設(shè)載流子（電子或空穴）質(zhì)量為m*,電場力Eq，則加速度為：則兩次碰撞間的時(shí)間t內(nèi)載流子的平均速度：定義平均自由運(yùn)動時(shí)間可得到又因得到遷移率*電子和空穴的有效質(zhì)量不一樣，因此它們遷移率表現(xiàn)出明顯差異。設(shè)載流子（電子或空穴）質(zhì)量為m*,電場力Eq，則加速度為：*討論：載流子平均自由運(yùn)動時(shí)間越長，遷移率越高。而平均自由運(yùn)動時(shí)間的長短則是由載流子散射的強(qiáng)弱來決定的。摻雜濃度和溫度對于遷移率的影響，實(shí)際上是由于它們直接影響著載流子散射的強(qiáng)弱。那么，在半導(dǎo)體中，是哪些因素引起載流子的散射呢？？討論：載流子平均自由運(yùn)動時(shí)間越長，遷移率越高。而平均自由運(yùn)動載流子散射的類型晶格散射

由晶格振動引起的載流子散射叫做晶格散射。

當(dāng)溫度升高時(shí)，晶格振動加強(qiáng)，對載流子的晶格散射就會增強(qiáng)。對于低摻雜濃度的半導(dǎo)體，遷移率隨溫度的升高而大幅度下降，原因在于此。載流子散射的類型晶格散射載流子散射的類型電離雜質(zhì)散射

半導(dǎo)體中電離雜質(zhì)形成的正、負(fù)電中心對載流子的吸引或者排除作用叫做電離雜質(zhì)散射。

一般來講，電子雜質(zhì)散射隨著摻雜濃度的增加而增強(qiáng)。電離雜質(zhì)越多，載流子被散射的機(jī)會就越大。載流子散射的類型電離雜質(zhì)散射一般來講，電子雜質(zhì)散射隨著摻雜濃載流子散射的類型雜質(zhì)原子散射缺陷散射

載流子散射的類型雜質(zhì)原子散射對于電離雜質(zhì)散射來說，溫度越低，載流子運(yùn)動越慢，散射作用越強(qiáng)，這個(gè)晶格散射的情況是相反的。故，摻雜濃度較高時(shí)，由于電離雜質(zhì)散射隨溫度變化的趨勢與晶格散射相反，因此遷移率隨溫度變化較??；在較低的溫度下，遷移率隨溫度上升而升高，而在較高的溫度下是隨著溫度的上升而下降的，這實(shí)際上是表明，在高摻雜濃度下，較低溫度時(shí)電離雜質(zhì)散射占優(yōu)勢，只有在較高溫度，晶格散射才占優(yōu)勢。對于電離雜質(zhì)散射來說，溫度越低，載流子運(yùn)動越慢，散強(qiáng)電場效應(yīng)在很強(qiáng)的電場下，即使摻雜濃度和溫度一定，載流子遷移率不再是一個(gè)常數(shù)，平均漂移速度隨著外場增加而加快的速度變得緩慢，最后趨向于一個(gè)恒定值，即飽和漂移速度（極限漂移速度）。

低電場情況下，載流子平均漂移速度比平均越運(yùn)動速度小很多，平均自由運(yùn)動時(shí)間取決于載流子的平均熱運(yùn)動速度而與電場無關(guān)，遷移率為常數(shù)。強(qiáng)電場下，載流子運(yùn)動加快，平均自由運(yùn)動時(shí)間減小，遷移率下降，從而平均漂移速度不再與電場成正比，而是變化緩慢。足夠強(qiáng)電場時(shí)，晶格散射會變得特別強(qiáng)，最終平均漂移速度趨于飽和值。

強(qiáng)電場效應(yīng)在很強(qiáng)的電場下，即使摻雜濃度和溫度一定，載流子遷移率不再是一個(gè)常數(shù)，平均漂移速度隨著外場增加而加快的速度變得緩慢，最后趨向于一個(gè)恒定值，即飽和漂移速度（極限漂移速度）。

低電場情況下，載流子平均漂移速度比平均越運(yùn)動速度小很多，平均自由運(yùn)動時(shí)間取決于載流子的平均熱運(yùn)動速度而與電場無關(guān)，遷移率為常數(shù)。

強(qiáng)電場下，載流子運(yùn)動加快，平均自由運(yùn)動時(shí)間減小，遷移率下降，從而平均漂移速度不再與電場成正比，而是變化緩慢。足夠強(qiáng)電場時(shí)，晶格散射會變得特別強(qiáng)，最終平均漂移速度趨于飽和