第四章固体物理

第四章半导体的导电性ElectricalconductionofSemiconductors重点：1、迁移率(Mobility)2、散射机制(Scatteringmechanisms)3、迁移率、电阻率与温度的关系§4.1载流子的漂移运动迁移率Thedriftmotionofcarrier,mobility学习重点：漂移运动迁移率电导率1、漂移运动

漂移运动：载流子在外电场作用下的定向运动。漂移运动E电子空穴结论在严格周期性势场（理想）中运动的载流子在电场力的作用下将获得加速度，其漂移速度应越来越大。E电子实际情况存在破坏周期性势场的作用因素：杂质缺陷晶格热振动载流子的散射载流子在半导体中运动时，不断与振动着的晶格原子或杂质离子发生碰撞，碰撞后载流子速度的大小及方向均发生改变，这种现象称为载流子的散射。2、迁移率及半导体的电导率散射：晶格振动、杂质、缺陷以及表面因素等均会引起晶体中周期性势场的畸变。当载流子接近畸变区域时，其运动状态会发生随机性变化。这种现象可以理解为粒子波的散射，因此被称为载流子的散射。迁移率的

物理意义表征载流子在电场作用下做漂移运动的能力。迁移率：在单位电场下载流子的平均漂移速度。对n型半导体：σn=n0q（vd/E）=n0qμn（4-16）对P型半导体：σp=p0qμp（4-17）对一般半导体：

σ=σp+σp=nqμn+pqμp（4-15）§4.2载流子的散射TheScatteringofcarriers学习重点：散射

—使迁移率减小散射机构

—各种散射因素散射：晶格振动、杂质、缺陷以及表面因素等均会引起晶体中周期性势场的畸变。当载流子接近畸变区域时，其运动状态会发生随机性变化。这种现象可以理解为粒子波的散射，因此被称为载流子的散射。电子（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。平均自由时间：连续两次散射间自由运动的平均运动时间。1、载流子散射（2）载流子的漂移运动E电子空穴载流子在电场作用下不断加速理想情况E电子热运动+漂移运动实际情况电离杂质散射晶格振动散射中性杂质散射（在低温重掺杂半导体中较为显著）晶格缺陷散射（位错密度大于104cm-2时较为显著）载流子与载流子间的散射（载流子浓度很高时较为显著）能谷间散射：等同能谷间散射高温下较易发生；不同能谷间散射一般在强电场下发生。2、半导体的主要散射机构（1）电某离杂干质散它射（缓即库挡仑散嫁射）散射绑几率Pi∝NiT-3繁/2（Ni：为季杂质板浓度伞总和扇）载流勺子的育散射暑几率P单位离时间姓内一绑个载全流子莲受到喝散射倦的平完均次夹数。夹主要惰用于序描述役散射灯的强混弱。（2）晶题格振略动散弯射晶格绘振动犬表现旅为格蛇波N个原忠胞组辜成的奏晶体潜→格摄波波棋矢有N个。闭格波增的总予数等绵于原剪子自虑由度蚂总数一个经格波疲波矢q对应3(亡n-败1)支光攻学波+3支声介学波挺。光学质波=N晓(界n-飘1)个纵幻玉波+2蛮N恭(溜n-串1)个横挽波声学差波=N个纵屑波+2锤N个横挨波晶格士振动叉散射金可理盲解为皱载流炮子与薪声子医的碰筐撞，杀遵循还两大登守恒幻玉法则准动朱量守浪恒能量缴守恒由准提动量花守恒刚可知泥，晶膏格振渗动散搁射以怀长波绢为主房诚。一般受，长尾声学站波散邮射前洲后电升子的朴能量育基本逮不变掏，为冤弹性顽散射础。光肢学波收散射辱前后槽电子失的能咱量变挎化较检大，仿为非浸弹性详散射葱。（A）声申学波滋散射吩：在长勉声学家波中拘，纵粘波对梯散射东起主冒要作洪用（否通过录体变侨产生捕附加康势场鹅）。对于硬单一吹极值已，球贿形等劲能面广的半们导体窄，理累论推迈导得妥到其中u纵弹饭性波纲波速竭。由上拿式可兄知此式术对于株其它奴能带性结构探的半尺导体跪也适切用（B）光造学波姨散射浮：正负隆离子织的振职动位妨移会挤产生罪附加之势场旅，因晶此化齐合物卷半导纤体中崭光学雄波散哪射较汤强。例如赌：Ga般As对于康元素贡半导卸体，走只是纷在高初温条根件下询才考棉虑光惨学波满散射胜的作子用。例如须：Ge、Si离子截晶体枕中光驻学波施对载集流子吧的散盲射几舅率§4芹.3迁移扔率与变杂质没浓度针和温饿度的坝关系当几趴种散纽奉射机击构同旬时存最在时1、平业均自耗由时博间τ和散晒射几晕率P的关畏系j总散裁射几浊率：相应掩的平辜均自洋由时甩间：j用N(裕t)表示t时刻趟未遭部到散乔射的愤电子教数，惧则在交被孕散射昆的电已子数上式年的解巩为其中N0为t=炉0时刻拦未遭础散射挑的电唉子数在炕被散驴射的械电子瞒数平均匆自由复时间τ-P关系处的数发学推乐导2、电财导率σ和迁丸移率μ与平窑均自磨由时漠间τ的关偶系t=娘0时刻各电子天遭到额散射去，经释过t时间箩后再衔次被推散射重前将所涉有的脸自由暑加速阅过程申取平时均，塌可以腊认为根据蹦迁移凡率的锻定义对一童般半谈导体棒：电子心迁移供率空穴夜迁移颜率各种艇不同柔类型漆材料学的电歌导率n型：p型：3、多乓能谷围半导挂体的伐电流岛密度引及电郊导有慈效质味量硅在母三个脸晶轴敬方向垮上分针布六候个对所称的攻为旋罢转椭脑球等扬能面的能森谷，怪则令其中对于际硅、悠锗，班均可刺证明称为百电导喂迁移销率，mc称为痛电导众有效洗质躁量，对于痛硅mc=陈0.恋26迎m0由于汗电子励电导弄有效怨质量浓小于秋空穴深电导孕有效猎质量猪，所耀以电广子迁边移率辈大于开空穴豪迁移芒率。由前圾面可秋知4、迁惕移率μ与杂勇质浓药度和粉温度隔的关者系电离陆杂质员散射散：声学舅波散披射：光学帝波散受射：对Ge和Si：对Ga查As：所以§4银.4电阻从率及灵其与饭杂质捡浓度唐和温蝴度的陵关系Te迅mp笛er学at煎ur违e愉De下pe债nd型en是ce办o推fRe固si设st截iv浙it愉yan澡d迎I鲁mp违ur制it耍y加co沫nc朗en紫tr协at薄io葡n电阻贡率对n型半时导体恭：对p型半广导体恰：对一唉般半圆导体段：对本王征半菠导体副：（1）（2）（3）（4）1、ρ与ND或NA的关访系轻掺赵杂1016-1愿018cm-3(室温)重掺敬杂>1盗018cm-3(室温)ρ与Ni呈非勤线性境关系迅。2、电搜阻率恩随温纱度的钳变化本征研半导捏体杂质皇半导职体电离乓杂质缠散射随着邀温度T的增幸加，跃电阻岸率ρ下降进。声学付波散怀射ABC电阻蛮率温度杂质捧离化绵区过渡刚区高温家本征核激发柄区3、多躬数载瓶流子柱浓度贫与温焦度的月关系样品司为硅代中掺佩入ND=1款015cm-3的磷房诚。n/耗ND0从1顶00径20同0较3眉00该4蚀00登5连00敬6益00T（K）2.络01.绢51.盖00.迅5非本枪征区低温迈区本征窝区ni/NDn=生0友n昨=ND+n=哪NDn=ni可忽茂略可忽孩略占主创导非本震征区本征赶区低温溜区0晴K§4衡.6强电严场下誓的效鹊应佛热载肢流子Ef教fe洽ct怀a意t厅La详rg智e灿Fi更el阅d,汇H胆ot在C唱ar棋ri访er学习胞重点众：强电鸭场下测欧姆汽定律话发生趟偏离智的原恰因1、欧极姆定互率的柴偏离捆与强苍电场冬效应N型锗唱样品琴电流退与电势场强包度的猾关系10102103104

10610210310电场强度E(伏·厘米-1)电流密度J(安培·厘米-2)100K强电炸场效贪应：实验水发现唇，当检电场刷增强园到一愈定程舟度后剂，半姓导体吃的电制流密副度不拦再与歇电场冠强度遮成正找比，骂偏离胸了欧趁姆定闭律，爸场强蜻进一煌步增究加时极，平皂均漂池移速浆度会歉趋于庸饱和盏，强庸电场筛引起粮的这纷种现绵象称纵为强庙电场拼效应折。2、热使载流殃子载流伐子有芦效温壳度Te：当有买电场告存在监时，耀载流付子的装平均最动能祥比热巷平衡己时高居，相及当于杆更高枝温度歪下的切载流刺子，手称此底温度丹为载特流子蒜有效序温度哥。热载及流子：在强明电场陕情况努下，梳载流孩子从席电场盖中获沾得的绒能量该很多枪，载逮流子窜的平叛均能件量大吓于晶妻格系楚统的窝能量矩，将待这种厌不再柴处于栽热平待衡状芬态的仓载流瓶子称炭为热蹄载流础子。3、平笛均漂上移速封度与届电场草强度弄的关莫系（1）μ0|肠|焦<<电子四热运遭动速浆度v时（2）μ0|甜|与v接近舰时（3）丢进耍一步批增大咐，μ0|岗|圈>>绵v时式中攀，ε0为光米学声适子的练能量叉，锗摩为0.饶03乏7e腥V、硅贩为0.普06悄3e恒V、砷美化镓动为0.尼03槐5e座V。§4陵.7多能柜谷散另射侮耿氏缓效应1、双坐能谷斗模型鱼和砷寇化镓粒的能疼带结去构（1）负煮微分集电导挣、负研微分薯迁移吊率半导达体材系料的狐载流筋子运巩动速劳度随像电场董的增牛加而蜘减小舱称为抖负微受分电载导。（2）双政能谷庆模型半导鸽体有葱两个续能谷丝式，它怪们之不间有掉能量娇间隔△E。在僵外电养场为虚零时访，导床带电罩子按清晶格逼温度梨和各赠自的悠状态胞密度私所决吼定的胀分布脏规律屡分布叮于两绒能谷旗之中渔。外测电场叨增加拼时载窄流子隔将重膨新分芒布，扎设低钱能谷嗽处电造子的滥有效惑质量乡丰为m1*，迁恭移率浇为μ1，电疮子浓兽度为n1，状都态密辆度为N1；高守能谷毫的相央应各找物理敌为m2*、μ2、n2和N2，则贿双能帐谷半削导体阔的电篮导率视为：式中n=n1+n2，为壤总载利流子值浓度君，为平燥均迁盾移率引。在电威场作拌用下来通过益此样欺品的犬电流拆密度敲及及冶平均矮漂移热速度服为：电子文速度0允1舌0输20弯30纯4箩0售5赚0掩6替0友7盈04321电场侄强度（kV钳/c慈m）EaEbμ1μ2双能罚谷模诊型的纲负微男分迁章移率电子舅转移汗导致吨负微哈分迁砌移率滥所必尼须满棉足的祸条件低能乌谷和靠高能宁谷的巧能量砌间隔迹必须悟比热之运动姑能量k0T大许滥多倍德，以营免低腰电场拘时在扫高能博谷