半导体电导率和霍尔效应

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1、固体理论朱俊微电子与固体电子学院第六章半导体电子论ElectrontheoryofsemiconductorEFEFEA强p型（a）EFEFEi（b）（c）（d）（e）p型本征n型强n型EFED上一堂回顾类氢杂质能级——浅能级杂质：特点施主和受主:能级位置杂质半导体载流子浓度和费米能级由温度和杂质浓度决定。(1)N型半导体导带中电子浓度(2)P型半导体中空穴浓度上一堂回顾GaNp型掺杂难对于杂质浓度一定的半导体，随温度升高，载流子以杂质电离为主过渡到以本征激发为主。相应地费米能级从位于杂质能级附近移到禁带中线处。费米能级既反映导电

2、类型，也反映掺杂水平。(3)费米能级上一堂回顾1.半导体电导率在一般电场情况下，半导体的导电服从欧姆定律——为电导率——半导体中可以同时有两种载流子——空穴和电子在外场下获得的平均漂移速度电流密度5.4半导体电导与霍尔效应平均漂移速度和外场的关系——空穴和电子的迁移率欧姆定律电导率载流子的漂移运动是电场加速和半导体中散射的结果电子在输运过程中会受到一系列的散射：电子声子(声学、光学、压电)偶极子杂质原子合金无序界面粗糙度位错GaN新的散射机制偶极子散射位错散射散射来自于晶格振动和杂质——温度较高时，晶格振动对载流子的散射是主要的

3、——温度较低时，杂质的散射是主要的(库仑散射）——迁移率一方面决定于有效质量______加速作用另一方面决定于散射几率杂质激发的范围，主要是一种载流子掺杂不同的Ge半导体——导电率随温度变化1)低温范围，杂质激发的载流子起主要作用——载流子的数目与掺杂的情况有关2)高温范围，本征激发的载流子起主要作用——载流子的数目与掺杂的情况无关3)中间温度区间，温度升高时，导电率反而下降——晶格散射作用Tρ低温饱和本征电阻率与温度的关系示意图温度很低时，电阻率随温度升高而降低。因为这时本征激发极弱，可以忽略；载流子主要来源于杂质电离，随着温度

4、升高，载流子浓度逐步增加，电离杂质散射是主要散射机构，迁移率随温度升高而增大，导致电阻率随温度升高而降低。温度进一步增加（含室温），电阻率随温度升高而升高。在这一温度范围内，杂质已经全部电离，同时本征激发尚不明显，故载流子浓度基本没有变化。对散射起主要作用的是晶格散射，迁移率随温度升高而降低，导致电阻率随温度升高而升高温度再进一步增加，电阻率随温度升高而降低。这时本征激发越来越多，虽然迁移率随温度升高而降低，但是本征载流子增加很快，其影响大大超过了迁移率降低对电阻率的影响，导致电阻率随温度升高而降低。当然，温度超过器件的最高工作温

5、度时，器件已经不能正常工作了。2.半导体的霍耳效应Halleffect半导体片置于xy平面内——电流沿x方向——磁场垂直于半导体片沿z方向空穴导电的P型半导体，载流子受到洛伦兹力半导体片两端形成正负电荷的积累，产生静电场达到稳恒，满足电流密度电场强度——霍耳系数电子导电的N半导体电场强度——霍耳系数——半导体的霍耳系数与载流子浓度成反比——半导体的霍耳效应比金属强得多——测量霍耳系数可以直接测得载流子浓度——确定载流子的种类霍耳系数为正——空穴导电霍耳系数为负——电子导电——霍耳系数——霍耳系数5.5非平衡载流子N型半导体——主要

6、载流子是电子，也有少量的空穴载流子电子——多数载流子——多子空穴——少数载流子——少子P型半导体——主要载流子是空穴，也有少量的电子载流子空穴——多数载流子——多子电子——少数载流子——少子⒈热平衡下电子和空穴的浓度:半导体中的杂质电子，或价带中的电子通过吸收热能，激发到导带中——载流子的产生电子回落到价带中和空穴发生复合——载流子的复合——达到平衡时，载流子的产生率和复合率相等电子和空穴的浓度有了一定的分布电子和空穴的浓度满足——热平衡条件在外界的影响作用下，电子和空穴浓度可能偏离平衡值即有——称非平衡载流子非平衡电子和非平衡空

7、穴的浓度相同——如本征光吸收或电注入等——本征光吸收将会产生电子—空穴对EFEi⒉非平衡载流子对多子和少子的影响程度多子的数目很大——非平衡载流子对多子的影响不明显——对少子将产生很大影响——在讨论非平衡载流子的问题时主要关心的是非平衡少数载流子⑴.非平衡载流子的复合和寿命在热平衡下，载流子的浓度具有稳定值非平衡载流子——光照可以产生载流子——开始光照，载流子的产生率增大，同时复合率也增大载流子的浓度偏离热平衡时的浓度一段时间的光照后，非平衡载流子的浓度具有确定的数目——载流子的产生率和复合率相等载流子的浓度到达一个新的平衡——撤

8、去光照，载流子复合率大于产生率，经过一段时间后载流子的浓度又恢复到热平衡下的数值——单位时间、单位体积复合的载流子数目——光照稳定时的非平衡载流子浓度撤去光照后，非平衡载流子浓度随时间的变化关系——为非平衡载流子的寿命——载流子的复合是以固定概率