半导体物理课件第四章.ppt

2.漂移速度和迁移率 §4.2 载 流 子 的 散 射 热运动：无规则的、杂乱无章的运动 载流子散射：载流子在半导体中运动时，不断地与热振动着的晶格原子或电离了的杂质离子发生碰撞。用波的概念，即电子波在半导体中传播时遭到了散射 平均自由程：连续两次散射间自由运动的平均路程 平均自由时间：连续两次散射间的平均时间 有外电场作用时 载流子受到电场力的作用作定向运动 载流子不断遭到散射，使运动方向改变 (2)、载流子的漂移运动 （3）其它散射机构 §4.3 迁移率与杂质 浓度和温度的关系 §4.4 电阻率及其与杂质 浓度和温度的关系 2.电阻率随温度的变化 §4.5 波尔兹曼方程  电导率的统计理论 §4.6 强电场下的效应 热载流子（自学） §4.7多能谷散射、耿氏效应（自学） 各种不同类型材料的电导率 对于等能面为旋转椭球面的多极值半导体 令 所以 mc称为电导有效质量，对于硅mc = 0.26m0 由于电子电导有效质量小于空穴电导有效质量， 所以电子迁移率大于空穴迁移率。 3.迁移率与杂质和温度的关系 平均自由时间和温度的关系 声学波散射 电离杂质散射 光学波散射 声学波散射 电离杂质散射 光学波散射 迁移率与温度的关系 同时存在几种散射的时候 这是Ge在300K下的电子迁移率和空穴迁移率示意图 电子迁移率 空穴迁移率 定性分析迁移率和杂质浓度的关系 (2.2)杂质半导体 杂质离化区 过渡区 高温本征激发区 f0：热平衡状态下的分布函数 根据费米能级，量子态被电子占据的概率为： f=f（k，r，t）：非平衡态的分布函数 影响分布函数的因素： （1）外场——漂移 （2）散射机构——散射 当有外场和温度梯度时,系统处于非平衡态 定义在相空间体积元dkdr中t时刻的电子数： 若dt很小，用泰勒级数展开 经过dt时间，同体元中的在t+dt时刻的电子数： 则体积元dkdr中的电子数增长率 漂移项在单位时间内对电子数的增加 散射项在单位时间内对电子数的增加 由于 因此，得到非平衡态下Boltzmann方程的一般形式： 2、驰豫时间近似 假定电子只有在时间t内是自由的，散射后又恢复到无规则的分布，即分布函数又恢复到f0。在外场作用下，经过 时间 若 很小 若稳态时分布函数f与f0偏离不大 代入 得 又有 * 第四篇 半导体的导电性 中心问题： 载流子在外场下的漂移运动和迁移率相关的散射的概念； 迁移率、电导率和电阻率随温度和杂质浓度的变化规律。 主要内容： ●漂移运动和迁移率 ●载流子的散射概念 ●迁移率与杂质浓度和温度的关系 ●电阻率及其与杂质浓度和温度的关系 ●玻耳兹曼方程、电导的统计理论（了解） ●强电场下的效应、热载流子（理解） 本章讨论的重点： §4.1 载流子的漂移运动和迁移率 1.欧姆定律 电流密度 欧姆定律 漂移运动：电子在电场力作用下的运动 漂移速度：定向运动的速度 实验发现在电场强度不太大时，半导体中的载流子在外电场的作用下也遵循欧姆定律。 3.半导体的迁移率与电导率 半导体中的导电作用是电子导电和空穴导电的总和 假设讨论的是n型半导体，电子浓度为n，在外电场下通过半导体的电流密度 同理，对p型半导体 迁移率的意义：在单位电场下载流子的平均漂移速度。 是表示半导体电迁移能力的重要参数。 在饱和电离区： n 型，单一杂质： no=ND 补偿型：no=ND－NA 本征： 补偿型：po=NA－ND P 型，单一杂质：po=NA 对一般半导体 ： 对本征半导体 ： J J恒定 为什么？？ 1、载流子散射 （1）载流子的热运动 热运动+漂移运动 电流I 在外力和散射作用下，载流子以一定的平均速度沿力的方向漂移，即为平均漂移速度 在外电场作用下，实际上，载流子的运动是： 存在破坏周期性势场的作用因素： 杂质 缺陷 晶格热振动 2、半导体的主要散射机构 散射的原因：附加势场的存在 (1)电离杂质散射：即库仑散射 a.电离施主 b.电离受主 定义：单位时间内一个载流子被散射的次数 为散射几率P。 散射几率Pi∝NiT-3/2（Ni：为杂质浓度总和）。 具体分析发现： 常用散射几率P来描述散射的强弱 格波：晶格中原子的振动都是由若干不同的基本波动按照波的叠加原理组合而成，这些基本波称为格波 格波波数：有N个原胞的晶体有N个格波波矢q,一个q具有6个格波。频率低的为声学波，频率高的是光学波。 (2)晶格振动散射 振动方式: 3个光学波=1个纵波+2个横波