半导体物理第4章[1]

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1、第4章半导体的导电性本章重点¢探讨载流子在外加电场作用下的漂移运动。¢讨论半导体的迁移率、电导率、电阻率随温度和杂质浓度的变化规律。宏观电路中的电阻¢4.1载流子的漂移运动和迁移率4.1.1欧姆定律VI=RlR=ρs1σ=ρ电流密度IJ=sVE=lJ=σE欧姆定律的微分形式4.1.2漂移速度和迁移率•在外场

2、E

3、的作用下，半导体中载流子要逆(顺)电场方向作定向运动，这种运动称为漂移运动。•定向运动速度称为漂移速度，它大小不一，取其平均值称作平均漂移速度。J=−nqvd电子的平均漂移速度图中截面积为s的均匀

4、样品，内部电场为

5、E

6、，电子浓度为n。在其中取相距为υ⋅t的A和B两d个截面，这两个截面间所围成的体积中总电子数为N=nsυdt，图4.1平均漂移速度分析模型这N个电子经过t时间后都将通过A面，因此按照电流强度的定义Q−qN−nqsυdtI====−nqsυdttt与电流方向垂直的单位面积上所通过的电流强度定义为电流密度，用J表示，那么IJ==−nqυds对掺杂浓度一定的半导体，当外加电场恒定时，平均漂移速度应不变，相应的电流密度也恒定；电场增加，电流密度和平均漂移速度也相应增大。即平均漂移速度与电场强度

7、成正比例v=μEd迁移率，表征单位场强下电子平均漂移速度，单位为m2/V·s或J=nqμEcm2/V·s，σ=nqμ迁移率一般取正值4.1.3半导体的电导率和迁移率•若在半导体两端加上电压，内部就形成电场.•电子和空穴漂移方向相反•但所形成的漂移电流密度都是与电场方向一致的，因此总漂移电流密度是两者之和。图4.2电子和空穴漂移电流密度•由于电子在半导体中作“自由”运动，而空穴运动实际上是共价键上电子在共价键之间的运动。•所以两者在外电场作用下的平均漂移速度显然不同，用μ和μ分别表示电子和空穴的迁移率。np

8、在半导体中电子和空穴同时导电J=+=JJ()nqμμ+pqEnpnp¢在电场强度不是很大的情况下σ=+()nqμμpqnpn型半导体，n>>p,σ=nqμ;np型半导体，p>>n,σ=pqμ;p本征型半导体，n=p=n,σ=nq(μ+μ)iiinpi4.2载流子的散射¢4.2.1载流子散射的概念¢热运动：无规则的、杂乱无章的运动¢半导体中的载流子在没有外电场作用时，做无规则热运动，与格点原子、杂质原子(离子)和其它载流子发生碰撞，用波的概念就是电子波在传播过程中遭到散射。¢在电场力作用下的载流子一方面遭受

9、散射，使载流子速度的方向和大小不断改变。c另一方面，载流子受电场力作用，沿电场方向（空穴）或反电场方向（电子）定向运动。c二者作用的结果是载流子以一定的平均漂移速度做定向运动。¢电场对载流子的加速作用只存在于连续的两次散射之间。¢而“自由”载流子只是在连续的两次散射之间才是“自由”的。¢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4.2.2半导体的主要散射机构¢半导体中载流子遭到散射的根本原因：在于晶格周期性势场遭到破坏而存在有附加势场。¢因此凡是能够导致晶格周期性

10、势场遭到破坏的因素都会引发载流子的散射。1.电离杂质散射施主杂质在半导体中未电离时是中性的，电离后成为正电中心，而受主杂质电离后接受电子成为负电中心，因此离化的杂质原子周围就会形成库仑势场，载流子因运动靠近后其速度大小和方向均会发生改变，也就是发生了散射，这种散射机构就称作电离杂质散射。θ电离杂质对电子和空穴的散射电离杂质对载流子散射的问题，与α粒子被原子核散射的情形很类似。载流子的轨道是双曲线，电离杂质在双曲线的一个焦点上。为描述散射作用强弱，引入散射几率P，它定义为单位时间内一个载流子受到散射的次数。

11、如果离化的杂质浓度为Ni，电离杂质散射的散射几率Pi与Ni及其温度的关系为−32PN∝Tii上式表明：¢Ni越高，载流子受电离杂质散射的几率越大；¢温度升高导致载流子的热运动速度增大，从而更容易掠过电离杂质周围的库仑势场，遭电离杂质散射的几率反而越小。说明：¢对于经过杂质补偿的n型半导体，在杂质充分电离时，补偿后的有效施主浓度为ND-NA，导带电子浓度n0=ND-NA；¢而电离杂质散射几率Pi中的Ni应为ND+NA，因为此时施主和受主杂质全部电离，分别形成了正电中心和负电中心及其相应的库仑势场，它们都对载

12、流子的散射作出了贡献，这一点与杂质补偿作用是不同的。2.晶格振动散射¢一定温度下的晶体其格点原子(或离子)在各自平衡位置附近振动。半导体中格点原子的振动同样要引起载流子的散射，称为晶格振动散射。¢格点原子的振动都是由若干个不同基本波动按照波的迭加原理迭加而成。¢基本波动被称作格波¢常用格波波矢

13、q

14、=1/λ表示格波波长以及格波传播方向¢由N个原胞组成的一块半导体，共有6N个格波，分成六支。¢其中频率低的三支称为声学波，三支声学