半导体物理(第4章).ppt

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1、第4章半导体的导电性本章主要讨论载流子在外加电场资源下的漂移运动，半导体的迁移率、电阻率随杂质浓度和温度的变化规律。为了深入理解迁移率的本质，引入了散射的概念。定性讲解了强电场下的效应，并介绍了热载流子的概念。应用谷间散射解释耿氏效应。1§4.1载流子的漂移运动和迁移率§4.1.1欧姆定律欧姆定律为了半导体内部常遇到电流分布不均匀的情况，推导出欧姆定律的微分形式式中σ=1/ρ为半导体电导率。VIR2§4.1载流子的漂移运动和迁移率§4.1.2漂移速度和迁移率无外场时，半导体中的载流子作无规则的热运动在外电场下，载流子受到电场力

2、F总的效果是，载流子在电场力的作用下作定向运动—漂移运动：dv/dt=(1/m*)F3§4.1载流子的漂移运动和迁移率§4.1.2漂移速度和迁移率载流子在电场力作用下的运动称为漂移运动，其定向运动的速度称为漂移速度。带电粒子的定向运动形成电流，所以对电子而言，电流密度应为式中是电子的平均漂移速度（反映电子飘逸运动的能力）4§4.1载流子的漂移运动和迁移率§4.1.2漂移速度和迁移率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

3、强度成正比例为迁移率，表征单位场强下电子平均飘移速度，单位为m2/V·s或cm2/V·s，迁移率一般取正值由此得到电导率和迁移率的关系5§4.1载流子的漂移运动和迁移率§4.1.3半导体的电导率在实际半导体中：n型半导体：p型半导体：本征型半导体：6§4.2载流子散射§4.2.1载流子散射的概念理想的完整晶体里的电子处在严格的周期性势场中,如果没有其他因素的作用,其运动状态保持不变(用波矢k标志).但实际晶体中存在的各种晶格缺陷和晶格原子振动会在理想的周期性势场上附加一个势场,它可以改变载流子的状态.这种势场引起的载流子状态的

4、改变就是载流子散射.原子振动、晶格缺陷等引起的载流子散射,也常被称为它们和载流子的碰撞.散射机理:晶格原子振动、杂质和缺陷附加势场改变载流子状态载流子散射载流子无规则运动热平衡状态半导体内无电流7§4.2载流子散射§4.2.2半导体的主要散射机构1.电离杂质散射半导体中的电离杂质形成正、负电中心，对载流子有吸引或排斥作用，从而引起载流子散射。图为电离施主对电子和空穴的散射.电离杂质对载流子的散射载流子的轨道是双曲线，电离杂质在双曲线的一个焦点上。电离杂质散射几率,代表单位时间内一个载流子受到散射的次数。温度越高，载流子热运动平

5、均速度越大，载流子更易掠过电离杂质，偏转就小，散射概率越小。8§4.2载流子散射§4.2.2半导体的主要散射机构2.晶格散射（1）声学波和光学波晶格振动：晶体中的原子在其平衡位置附近作微振动格波：晶格振动可以分解成若干基本振动,对应的基本波动,即为格波格波能够在整个晶体中传播.格波的波矢q：q=1/λ9格波波数矢量：取决于晶体原胞中的原子数，每个原子对应一个q具有3个格波。频率低的为声学波，频率高的是光学波。无论声学波还是光学波均为一纵（振动与波传播方向相同）两横（振动与波传播方向垂直）。在长波范围内，声学波的频率与波数成正比

6、，光学波的频率近似是一个常数。格波的能量是量子化的:10图4-7图4-8纵波横波声学波光学波11图4-6金刚石结构,3支声学波,(1支LA,2支TA)3支光学波(1支LO,2支TO)12§4.2载流子散射§4.2.2半导体的主要散射机构格波能量每增加或减少，称作吸收或释放一个声子。声子--格波的能量子能量hυ,准动量hq根据玻耳兹曼统计理论，温度为T时，频率为υa的格波的平均能量平均声子数13§4.2载流子散射§4.2.2半导体的主要散射机构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一般而言，长声学波散射前后电子的能量

7、基本不变，为弹性散射。光学波散射前后电子的能量变化较大，为非弹性散射。14§4.2载流子散射§4.2.2半导体的主要散射机构（2）声学波散射在长声学波中，纵波对散射其主要作用，通过体变产生附加势场。单一极值，球形等能面的半导体其中u纵弹性波波速15图4-10纵声学波造成原子分布疏密变化纵光学波形成空间带正,负电区域16§4.2载流子散射§4.2.2半导体的主要散射机构（3）光学波散射正负离子的振动位移产生附加势场离子晶体中光学波对载流子的散射几率17§4.2载流子散射§4.2.3半导体的其它散射机构1.等同的能谷间散射g散射：

8、同一坐标轴能谷间散射f散射：不同坐标轴能谷间散射其中第一项对应吸收一个声子的概率18§4.2载流子散射§4.2.3半导体的主要散射机构第二项对应发射一个声子的概率2.中性杂质散射在重掺杂半导体中起作用3.位错散射各向异性，位错密度高的材料不能忽略19§4.3迁移率与杂质浓度和