半导体的导电性

半导体的导电性第1页，共32页，2023年，2月20日，星期一实际中，见到：存在破坏周期性势场的作用因素如：*杂质*缺陷*晶格热振动

散射第2页，共32页，2023年，2月20日，星期一2、漂移速度与迁移率

n型:电子浓度为n，在外电场下通过半导体的电流密度

迁移率：单位场强下电子的平均漂移速度

它是表示半导体电迁移能力的重要参数。同理，对p型半导体第3页，共32页，2023年，2月20日，星期一对一般半导体：对本征半导体：第4页，共32页，2023年，2月20日，星期一§4.2载流子的散射1、载流子散射（1）载流子的热运动自由程：相邻两次散射之间自由运动的路程。平均自由程：连续两次散射间自由运动的平均路程第5页，共32页，2023年，2月20日，星期一（2）、载流子的漂移运动在外电场作用下，实际上，载流子的运动是：

热运动+漂移运动电流单位时间内一个载流子被散射的次数

散射几率P散射的原因：周期性势场被破坏第6页，共32页，2023年，2月20日，星期一2、半导体的主要散射机构1）电离杂质散射：即库仑散射散射几率Pi∝NiT-3/2（Ni：为杂质浓度总和）。

a.电离施主

b.电离受主第7页，共32页，2023年，2月20日，星期一2）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个横波单一极值半导体中起主要散射作用的是长波即波长比原子间距大很多倍的格波长声学波中纵波其主要散射作用离子半导体中长纵光学波起主要作用第8页，共32页，2023年，2月20日，星期一长波范围内:声学波的频率与波数成正比--------弹性散射光学波的频率基本上与波数无关--------非弹性散射声学波散射：

Ps∝T3/2光学波散射：Po∝[exp（hv

/k0T）-1]-1格波的能量效应以hva为单元声子第9页，共32页，2023年，2月20日，星期一（1）等同能谷间散射——高温下显著谷间散射：电子在等同能谷中从一个极值附近散射到另一个极值附近的散射。A、弹性散射电子与长声学波散射B、非弹性散射电子与长光学波散射分类：g散射：从某一能谷散射到同一坐标轴上相对应的另一能谷上f散射：从某一能谷散射到其他能谷上3)其它散射机构第10页，共32页，2023年，2月20日，星期一（2）中性杂质散射——在低温下重掺杂半导

体中发生.（3）位错散射——位错密度>104cm-2时发生,具有各向异性的特点.（4）载流子与载流子间的散射——在强简并下发生第11页，共32页，2023年，2月20日，星期一§4.3迁移率与杂质浓度和温度的关系（1）平均自由时间和散射几率的关系载流子在电场中作漂移运动时，只有在连续两次散射间的时间内才作加速运动，这段时间称为自由时间。其平均值称为平均自由时间平均自由时间和散射几率P是描述散射过程的两个重要参量设有N个电子以速度v沿某方向运动第12页，共32页，2023年，2月20日，星期一tt+∆tN(t)N(t+∆t)t到t+∆t时间内被散射的电子数为:N(t)P∆t则N(t)–N(t+∆t)=N(t)P∆t

当∆t很小时上式的解为则t到t+dt时间内被散射的电子数为:N,V未遭散射电子数平均自由时间第13页，共32页，2023年，2月20日，星期一第14页，共32页，2023年，2月20日，星期一t到t+dt时间内遭到散射的电子数为设多次散射后的平均漂移速度为则第15页，共32页，2023年，2月20日，星期一第16页，共32页，2023年，2月20日，星期一第17页，共32页，2023年，2月20日，星期一等能面为旋转椭球面的多极值半导体，没有各向同性的有效质量硅导带极值有六个，等能面为旋转椭球面，椭球长轴沿<100>,有效质量分别为ml和mt，取x，y，z轴沿[100]，[010]，[001]方向，不同极值的能谷中的电子沿x，y，z方向的迁移率不同。E设场强沿x方向，则[100]能谷中的电子沿x方向的迁移率为μ1，其余能谷中的电子沿x方向的迁移率分别为μ2、μ3

。第18页，共32页，2023年，2月20日，星期一μc

称为电导迁移率mc称为电导有效质量即在多极值半导体中，应以mc作为有效质量设电子浓度为n，则每个能谷单位体积中有n/6个电子第19页，共32页，2023年，2月20日，星期一对于补偿材料:载流子浓度决定于两种杂质浓度之差，迁移率与电离杂质总浓度有关Pi∝NiT-3/2

Ps∝T3/2Po∝[exp（hv/k0T）-1]-1第20页，共32页，2023年，2月20日，星期一

当几种散射机构同时存在时，要尽力找出起主要作用的散射机构

对于硅、锗等原子半导体主要的散射机构是声学波和电离杂质的散射

对于砷化镓等离子键占优势的半导体光学波的散射也很重要第21页，共32页，2023年，2月20日，星期一迁移率随杂质浓度和温度的变化：对硅：当Ni很小时(Ni<1017cm-3):T当Ni很大时(Ni>1019cm-3):低温时T温度很高时才稍有下降第22页，共32页，2023年，2月20日，星期一第23页，共32页，2023年，2月20日，星期一此图是Ge在300K下的

电子迁移率和空穴迁移率第24页，共32页，2023年，2月20日，星期一§4.4电阻率及其与杂质浓度和温度的关系电阻率决定于载流子浓度和迁移率，两者均与杂质浓度和温度有关第25页，共32页，2023年，2月20日，星期一偏离线形的原因：1.杂质在室温下不能全部电离2.迁移率随杂质浓度的增加将显著下降1.电阻率与杂质浓度的关系第26页，共32页，2023年，2月20日，星期一2.电阻率随温度的变化（2.2）杂质半导体杂质离化区过渡区高温本征激发区AB段:温度低，本征激发可忽略，载流子主要由杂质电离提供，它随T升高而增加，散射主要由杂质电离决定，迁移率随T升高而增加，所以，电阻率随T升高而下降。BC段：温度升高，杂质全部电离，本征激发还不十分显著，载流子基本上不随T变化，晶格散射上升为主要矛盾，迁移率随T升高而降低，电阻率随T升高而增大。C段：温度继续升高，本征激发很快增加，其影响远远超过迁移率减小对电阻率的影响，杂质半导体的电阻率将随温度的升高而急剧地下降，温度高到本征导电起主要作用时，一般器件就不能正常工作，这就是器件的最高工作温度。AB段BC段C段第27页，共32页，2023年，2月20日，星期一§4.5强电场下的效应

热载流子第28页，共32页，2023年，2月20日，星期一欧姆定律的偏离电场不太强时，欧姆定律成立，平均漂移速度与场强成正比当场强增大到103V/cm以上时，实验发现，J与E不再成正比偏离了欧姆定律，这表明电导率不再是常数，随电场而变。强电场下欧姆定律发生偏离的原因：

强电场下载流子从电场中获得的能量很多，载流子的平均能量比热平衡状态时的大，因而载流子和晶格系统不再处于热平衡状态。这种状态的载流子称为热载流子。强电场下：载流子的有效温度Te比T高载流子的平均能量比晶格的大第29页，共32页，2023年，2月20日，星期一设强场下的迁移率