半导体物理 第四章 半导体的导电性1

1、 第四章 半导体的导电性Electrical conduction of semiconductors重点： 迁移率(Mobility) 散射(Scattering mechanisms) 影响迁移率的本质因素 弱电场下电导率的统计理论4.1 载流子的漂移运动 迁移率The drift motion of Carrier,Mobility漂移运动 扩散运动 迁移率 重 点 一、散射与漂移运动 加上外电场E的理想:载流子定向运动，即漂移运动。漂移运动The drift motion of Carrier,Mobility在严格周期性势场（理想）中运动的载流子在电场力的作用下将获得加速度，其漂移速

2、度应越来越大。结论The drift motion of Carrier,Mobility实际中，见到：The drift motion of Carrier,Mobility存在破坏周期性势场的作用因素：如： * 杂质 * 缺陷 * 晶格热振动 散射 The drift motion of Carrier,Mobility2、迁移率假设讨论的是n型半导体，电子浓度为n0，在外电场下通过半导体的电流密度 The drift motion of Carrier,MobilityThe drift motion of Carrier,Mobility 表征了在单位电场下载流子的 平均漂移速度。 它

3、是表示半导体电迁移能力的重要参数。The drift motion of Carrier,Mobility迁移率同理，对p型半导体The drift motion of Carrier,Mobility对一般半导体The drift motion of Carrier,Mobility对本征半导体The drift motion of Carrier,Mobility4.2 载 流 子 的 散 射The Scattering of CarriersKEY 散射 使迁移率减小 散射机构 即各种散射因素1、载流子散射（1）载流子的热运动自由程l：相邻两次散射之 间自由运动的路程。The Scatt

4、ering of Carriers平均自由程：连续两次散射间自由运动 的平均路程。（2）、载流子的漂移运动The Scattering of Carriers载流子在电场作用下不断加速 理想情况 （无散射） 在外电场作用下，实际上，载流子的运动是： 热运动+漂移运动 单位时间内一个载流子被散射的次数 电流 散射几率 P The Scattering of Carriers2、半导体的主要散射机构电离杂质散射 晶格振动散射 等同能谷间的散射 中性杂质散射 位错散射 载流子与载流子间的散射The Scattering of Carriers散射的概念半导体内部的大量载流子，在作永不停息地、无规则的

5、热运动；载流子不断地与热振动着的晶格原子或杂质原子发生作用或碰撞，碰撞后的速度大小及方向就发生改变；The Scattering of Carriers 载流子在两次散射之间才真正是自由运动的。其连续两次散射间自由运动的平均路程称为平均自由程，而平均时间称为平均自由时间。The Scattering of Carriers半导体中的散射机构: 散射的根本原因可以认为是由于多种原因产生的附加势场，破坏了周期性势场，使能带中的电子在不同状态k间跃迁 。The Scattering of Carriers产生附加势场的原因： 电离杂质的散射：电离施主或受主周围形成一个库仑势场 晶格振动的散射 其它散

6、射因素： 等同的能谷间散射 未电离中性杂质散射 位错散射 载流子之间散射 The Scattering of Carriers1）电离杂质散射（即库仑散射）散射几率PiNiT-3/2 （Ni：为杂质浓度总和）The Scattering of CarriersThe Scattering of Carriers2）晶格振动散射有N个原胞的晶体 有N个格波波矢q 一个q=3支光学波(高频)+3支声学波(低频) 振动方式: 3个光学波=1个纵波+2个横波 3个声学波=1个纵波+2个横波 格波的能量效应以ha为单元 声子The Scattering of Carriers晶格振动散射晶格振动：格点原

7、子在平衡位置做微振动： q和为振动格波的波矢量和角频率低的格波称为 声学波，频率高的称为光学波。一般地，如晶体中含N个晶胞，每个晶胞有n个原子，则：晶体振动共有：N个波矢； 3nN个振动频率； 3N支声学波； 3N(n-1)支光学波。The Scattering of Carriers 格波的速度（相速度）为 : 由于晶格结构的周期性，频率v的格波的能量是量子化的，格波的能量以=hv为单元。把格波的能量量子称为声子 The Scattering of Carriers声学波散射: 能带具有单一极值的半导体中起主要散射作用的是长波，也就是波长比原子间距大很多倍的格波。 纵波在散射中起主要作用。长

8、纵声学波传播时会造成原子分布的疏密变化；禁带宽度随原于间距变化，疏处禁带宽度减小、密处增大。引起能带极值的改变。处于导带底或价带顶的电子或空穴，在半导体的不同地点，其能量就有差别。纵波引起的能带起伏，对载流子如同附加势场的作用，对电子产生散射作用。横声学波要引起一定的切变，对具有多极值、旋转椭球等能面的锗、硅来说，也将引起能带极值的变化。The Scattering of Carriers光学波散射: 离子性半导体中，长纵光学波有重要的散射作用。每个原胞内正负离子振动位移相反，正负离子形成硫密相间的区域，造成在一半个波长区域内带正电，另一半个波长区域内带负电，将产生微区电场，引起载流子散射。 长声学波振动，声子的速度很小，散射前后电子能量基本不变，弹性散射 光学波频率较高，声子能量较大，散射前后电子能量有较大的改变，非弹性散射。The Scattering of Carriers纵光学波(a)和纵声学波（b)示意图特点：各向同性。 a、声学波散射： PsT3/2 举例：Ge、Si b、光学波散射： P oexp（hv/k0T）-1 举例：GaAsThe Scattering of Carriers3)其它散射机构（1）等同能谷间散射高温下显著 分类：A、弹性散射 B、非弹性散射 The Scattering of Carriers谷间 散射电子在等同能谷中从一个极值附近散