高二物理竞赛载流子的输运课件

第四章载流子的输运半导体中载流子的输运有三种形式：漂移：载流子在外电场中的运动扩散：因化学势不同，由高浓度到低浓度产生和复合：能带间跃迁硅、锗、砷化镓300K时电阻率与杂质浓度关系

电阻率与杂质浓度的关系原因？特征？说明：轻掺杂时（1016~1018cm-3）n＝NDp＝NA迁移率为常数反比杂质浓度增加时，曲线严重偏离直线不能全部电离迁移率显著下降对比变化趋势是怎么样的？电阻率随温度的变化本征半导体：ni随温度的上升而急剧增加，而迁移率随T升高而下降较慢，所以本征半导体的电阻率随着温度增加而单调下降，这是半导体区别于金属的一个重要特征。载流子浓度：杂质电离、本征激发迁移率：电离杂质、晶格散射有何特征？思考题：为什么金属的电阻率随温度的升高而增加？杂质半导体：低温区：①EF>ED，施主未全部电离。T↑，电离施主增多，n↑②在此范围晶体振动不明显→电离杂质为主（μ随T↑而增加，尽管电离施主数量的增多在一定程度上限制迁移率增加），总效果仍使电阻率随温度的升高而下降饱和区：①杂质全部电离

②晶体散射起作用，使μ随T↑而下降，ρ随T↑而↑本征区：本征激发很快增大，本征载流子的产生远大于迁移率减小对电阻率的影响。硅电阻率与温度关系示意图（一定施主杂质浓度）电离杂质散射晶格振动散射本征激发填空：杂质浓度越高，进入本征载流子导电占优势的温度（）；材料的禁带宽度越小，则同一温度下本征载流子的浓度（），进入本征导电的温度（）。欧姆定律的偏移实验表明：在外电场E不是很强时，μ是常数，；欧姆定律成立。当电场超过一定强度后，J与E的关系偏离欧姆定律，μ

就不再是一个常数，为场强的函数。平均漂移速度与电场强度的关系（300K）低场强时：大于（饱和）电场在范围内偏离欧姆定律①平均漂移速度与E不再成正比②μ随电场改变强电场效应：平均漂移速度随外电场的增加速率开始缓慢，最后趋于一个不随场强变化的定值，达到饱和漂移速度。如何说明？上述现象的解释（载流子与晶格散射的能量交换）载流子的速度（μ∝τ）低电场时：载流子平均漂移速度vd比平均热运动速度vT小得多，τ决定于vT

，而与|E|无关，μ是一常数。增加到临界场强时（vd接近vT

）：电场足够强时：载流子速度足够大，晶体振动散射变得非常强，使平均速度趋于饱和值。E↑，vd↑，τ↓，μ↓，vd不再与E成正比，而变为随电场增加较为缓慢。核心：载流子与晶格的散射作用散射机制（导带电子为例）无电场：载流子和晶格散射时，将吸收声子或发射声子，与晶格交换动量和能量，交换的净能量为0，载流子的平均能量与晶格的相同，两都处于热平衡状态。低电场：载流子发射的声子数多于吸收的声子数。但是载流子从电场获得的能量很小，通过与晶体散射达到平衡，电子温度Te与晶体温度Tl差别不明显，μ与|E|无关，J∝|E|高电场：载流子从电场中获得的能量很多，载流子和晶格系统不再处于平衡状态，Te明显超过Tl，此时称其为热载流子。其速度大于热平衡状态时的速度，。电子受到晶格振动的散射主要表现为发射声子的形式，即将焦耳热传送给晶格。再增强：发射光学波声子，获得的能量大部分消失，vd饱和。练习一、判断1、在半导体中，原子最外层电子的共有化运动最显著。（）2、不同的k值可标志自由电子的不同状态，但它不可标志晶体中电子的共有化状态。（）3、空位表现为施主作用，间隙原子表现为受主作用。（）4、半导体中两种载流子数目相同的为高纯半导体。（）练习5、杂质总共可分为两大类（）和（），施主杂质为（），受主杂质为（）。6、施主杂质向（）带提供（）成为（）电中心；受主杂质向（）带提供（）成为（）电中心。7、热平衡时，能级E处的空穴浓度为（）。8、在半导体中，载流子的三种输运方式为（）、（）和（）。ABC电阻率温度杂质电离化区过渡区高温本征激发区1、电阻率随温度的变化练习2、多数载流子浓度与温度的关系n/ND0100200300400500600T（K）2.01.51.00.5非本征区低温区本征区ni/NDn=0n=ND+n=NDn=ni

可忽略可忽略占主导非本征区本征区低温区0K3、欧姆定率的偏离与强电场效应N型锗样品电流与电场强度的关系10102