半导体物理学-chap4 (1)

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1、第四章 半导体 的导电性 Electrical conduction of semiconductors杨少林重点： 迁移率(Mobility) 散射(Scattering mechanisms) 影响迁移率的本质因素 弱电场下电导率的统计理论The drift motion of Carrier, Mobility4.1 载流子的漂移运动 迁移率 The drift motion of Carrier, Mobility漂移运动 扩散运动 迁移率 重 点 The drift motion of Carrier, MobilityThe drift motion of Carrier, Mob

2、ility 4.1.1欧姆定律4.1.2 漂移速率和迁移率表征了在单位电场下载流子 的平均漂移速度。 它是表示半导体电迁移 能力的重要参数。迁移率The drift motion of Carrier, Mobility4.1.3 半导体的电导率和迁移率 在一块半导体两端加电压，半导体内部形成电场 电子反电场方向漂移，空穴沿电场方向漂移 半导体导电作用是电子和空穴导电的总和 电子迁移率与空穴迁移率不同，前者大The drift motion of Carrier, Mobility对一般半导体The drift motion of Carrier, Mobility N型半导体 P型半导体 本

3、征半导体The drift motion of Carrier, Mobility4.2 载 流 子 的 散 射 The Scattering of Carriers 4.2.1 载流子散射的概念载流子散射 （1）载流子的热运动自由程：相邻两次散射之 间自由运动的路程。The Scattering of Carriers平均自由程：连续两次散射间自由运动 的平均路程。（2）载流子的漂移运动载流子在电场作用下不断加速 理想情况 （无散射）The Scattering of Carriers在外电场作用下，实际上， 载流子的运动是： 热运动+漂移运动 单位时间内一个载流子被散射的次数 电流 散射几

4、率 P The Scattering of Carriers4.2.2 半导体的主要散射机构电离杂质散射 晶格振动散射 等同能谷间的散射 中性杂质散射 位错散射 合金散射载流子与载流子间的散 射The Scattering of Carriers 电离杂质散射（即库仑散射）散射几率 PiNiT-3/2 （Ni：为杂质浓度总和）散射的原因：附加势场的存在 晶格振动散射v有N个原胞的晶体 有N个格波波矢q 一个q=3支光学波(高频)+3支声学波(低频 ) 振动方式: 3个光学波=1个纵波+2个横波 3个声学波=1个纵波+2个横波 格波的能量效应以ha为单元 声子The Scattering of

5、Carriers格波的能量根据玻耳兹曼统计理论，温度为T时，频 率为a的格波的平均能量平均声子数The Scattering of Carriers 电子与声子的碰撞遵循两大守恒法则 准动量守恒 能量守恒 长声学波 弹性散射 光学波 非弹性散射 The Scattering of Carriersa、声学波散射：在长声学波中，纵波对 散射起主要作用，通过体变产生附加势场 。 PsT3/2 举例：Ge、Si b、光学波散射：正负离子的振动位移产 生附加势场。举例：GaAsThe Scattering of Carriers 其它散射机构 （1）等同能谷间散射高温下显著 谷间 散射电子在等同能谷中

6、从一个极值附近散 射到另一个极值附近的散射。g散射：同一坐标轴能谷间散射 f散射：不同坐标轴能谷间散射The Scattering of Carriers（2）中性杂质散射在低温下重掺杂半导 体中发生. （3）位错散射位错密度104cm-2时发 生，具有各向异性 （4）合金散射同族原子的随机排列 （5）载流子与载流子间的散射 在强简并下发生 The Scattering of Carriers4.3 迁移率与杂质浓度和温度的关系 Temperature Dependence of Impurity Concentration and Mobility 4.3.2电导率、迁移率与平均自由时 间的

7、关系Temperature Dependence of Impurity Concentration and Mobility Temperature Dependence of Impurity Concentration and Mobility Temperature Dependence of Impurity Concentration and Mobility 等能面为旋转椭球面的多极值半导体椭球长轴方向沿，有效质量分别为Temperature Dependence of Impurity Concentration and Mobility 电离杂质散射声学波散射光学波散射总的散

8、射概率平均自由时间为4.3.3 迁移率与杂质和温度的关系对掺杂的锗、硅等原子半导体，主要的散射机构为 声学波散射和电离杂质散射，有：对三五族化合物，硅中电子和空穴迁移率与杂质和温度的关系分析300K时，锗、硅、砷化镓迁移率与杂质浓度的关系当杂质浓度增大时，迁移率下降。4.4 电阻率与杂质浓度和温度关系 半导体的电阻率可以方便地用四探针法直接读出 。所以，一般实际生活中常采用电阻率讨论问题 。N型P型本征Ge、Si、GaAs电阻率与杂质浓度的关系硅电阻率与温度关系示意图AB段：温度很低，本征激发可忽略，载流子由杂质电离提供，散射主 要由电离杂质决定，迁移率随温度升高而增大；BC段：温度升高，杂质已全部电离，本征激发不显著，载流子不随温 度变化，晶格振动散射为主要散射，迁移率随温度升高而降低；C段：本征激发，载流子大量增加远远超过迁移率减小对电阻率的影响。