载流子浓度和电导率.ppt

二、本征载流子浓度及影响因素,本征载流子浓度ni,2.影响ni的因素,(1)mdn、mdp、Eg材料,(2)T的影响,T，lnT，1/T，ni,高温时，在lnni1/T坐标下，近似为一直线。,3.杂质半导体载流子浓度积与ni关系,强调：不仅适用于本征半导体材料，也适用于非简并的杂质半导体材料。,在常温下，已知施主浓度ND，并且全部电离，求导带电子浓度no和价带空穴浓度po,施主全部电离,no=ND,n型半导体,应用,在常温下，已知受主浓度NA，并且全部电离，求导带电子浓度no和价带空穴浓度po,受主全部电离,po=NA,P型半导体,三、本征半导体在应用上的限制,纯度达不到,本征激发是载流子的主要来源,（杂质原子/总原子本征载流子/总原子）,Si：原子密度1023/cm3，室温时，ni=1010/cm3,本征载流子/总原子=1010/1023=10-13杂质原子/总原子,要求Si的纯度必须高于99.9999999999999%！,本征载流子浓度随温度变化很大,在室温附近：,Si:T，8Kni一倍,Ge:T，12Kni一倍,本征半导体的电导率不能控制,四、杂质半导体载流子浓度和费米能级,带电粒子有：,电子、空穴、电离的施主和电离的受主,电中性条件（平衡条件下）：,p-n-NA+ND+=0,假设参杂原子全部电离，上式变为：,p-n-NA+ND=0,由np乘积关系可得,解得,讨论：,（1）本征半导体,（2）掺杂半导体（ND-NAni或NA-NDni）,（3）掺杂半导体（ND-NAni或ND-NAni）,（4）补偿半导体ND和NA是可比的但是不相等，这种材料称为补偿半导体。,杂质半导体费米能级的确定,n型Si中电子浓度n与温度T的关系：,杂质离化区,过渡区,本征激发区,ni,ND,0,ni,T,n,n型硅中电子浓度与温度关系,n,200,400,600,计算掺杂半导体的载流子浓度时，需首先考虑属于何种温区。,一般：T：300K左右，且掺杂浓度ni,属于饱和电离区,注意：,N型：n=NDNA,或n=ND,P型：p=NAND,或p=NA,例.已知：,解：,NAND，材料为P型,材料处于饱和电离区,或：,例.已知：Si中NA=1022/m3=1016/cm3T=300K和600K，分别求,解：,T=300K时，ni=1.51010/cm3NA,材料处于饱和电离区,po=NA=1016/cm3,或：,600K时，ni=81015/cm3,材料处于过渡区,五、简并半导体中的杂质能级,杂质能带：在简并半导体中，杂质浓度高，导致杂质原子之间电子波函数发生交叠，使孤立的杂质能级扩展为杂质能带。,简并半导体为重掺杂半导体,重掺杂：当半导体中的杂质浓度超过一定数量时，载流子开始简并化的现象叫。,杂质带导电：杂质能带中的电子通过在杂质原子之间的共有化运动参加导电的现象。,禁带变窄效应：重掺杂时，杂质能带进入导带或价带，形成新的简并能带，简并能带的尾部深入到禁带中，称为带尾，从而导致禁带宽度变窄。,导带,Eg,施主能级,价带,施主能带,本征导带,简并导带,能带边沿尾部,Eg,Eg,价带,简并：,ED0，EgEg,禁带变窄,施主能级分裂成能带；导带=本征导带+杂质能带在EC附近，gC(E)明显增加,杂质上的电子直接参与导电,电子占据量子态的几率：,费米分布函数,能量状态密度：,导带：gC(E)E1/2,价带：gV(E)-E1/2,第三章小结,载流子浓度：,导带电子浓度：,价带空穴浓度：,浓度积：,本征半导体：,杂质半导体(杂质原子全部电离)：,半导体中的导电性,第三章载流子输运,载流子的漂移运动和迁移率,迁移率和电导率随温度和杂质浓度的变化,4.1载流子的漂移运动和迁移率,一、漂移运动和漂移速度,外加电压时，半导体内部的载流子受到电场力的作用，作定向运动形成电流。,漂移运动：载流子在电场力作用下的运动。漂移速度：载流子定向漂移运动的速度。,E,外电场作用下电子的漂移运动,二、欧姆定律,金属：,电子,半导体：,电子、空穴,微分形式,电流密度J（A/m2):通过垂直于电流方向的单位面积的电流。,E为电场强度,电流I(A):单位时间内通过垂直于电流方向的某一面积的电量。,三、电导率的表达式,设：Vdn和Vdp分别为电子和空穴的平均漂移速度。,以柱形n型半导体为例，分析半导体的电导现象,ds表示A处与电流垂直的小面积元，小柱体的高为,Vdndt,在dt时间内通过ds的截面电荷量，就是A、B面间小柱体内的电子电荷量，即,A,Vdndt,B,ds,Vdn,其中n是电子浓度，q是电子电荷,电子漂移的电流密度Jn为,在电场不太强时，漂移电流遵守欧姆定律，即,其中为材料的电导率,E恒定，Vdn恒定E,J,Vdn,平均漂移速度的大小与电场强度成正比，其比值称为电子迁移率。,因为电子带负电，所以Vdn一般应和E反向，习惯上迁移率只取正值，即,上式为电导率和迁移率的关系,单位场强下电子的平均漂移速度,对于空穴，有：,n和p分别称为电子和空穴迁移率，,单位为cm2V-1s-1,影响迁移率的因素,1、与散射的关系：载流子迁移率的变化与半导体内发生散射的数量成反比，主要包括：晶格散射和电离杂质散射,2、与掺杂的关系：低掺杂浓度情况下，载流子的迁移率基本上与掺杂浓度无关，超过1015/cm3时，迁移率随着NA和ND的增加单调的减小,3、与温度的关系：对于NA或ND1014、cm3时，nT(-2.3),pT(-2.2),电阻率,半导体内总的电流密度和电导率为：,对n型半导体：,对p型半导体：,对本证半导体：,在饱和电离区：,n型，单一杂质：,no=ND,补偿型：no=NDNA,本征：,补偿型：po=NAND,P型，单一杂质：po=NA,电阻率的一般公式：,n型半导体：,p型半导体：,电阻率