第四章-半导体的导电性.ppt
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1、第四章 半导体的导电性1.4.1 载流子的漂移运动和迁移率1.欧姆定律 2、漂移速度和迁移速度平均漂移速度2.为迁移率,单位电场下电子的平均漂移速度。单位cm2/V.s3、半导体中的电导率和迁移率电子漂移电流和空穴漂移电流3.4.2 载流子的散射1、载流子散射的概念载流子在外场下的运动,能否无限加速?欧姆定律:电流密度恒定。电场存在时:载流子在电场力作用下运动,获得速度;电子受到散射失去速度。2、半导体的主要散射机构4.1)电离杂质散射:电离杂质散射散射概率P:单位时间内载流子受到散射的次数。散射概率和电离杂质浓度以及温度之间的关系5.2)晶格振动的散射在一定温度下,晶格中原子都在各自的平衡位
2、置附近作微小振动。振动在晶格中传播形成格波。格波有声学波和光学波。声学波:原胞质心的整体运动产生的格波;光学波:原胞中原子间的相对运动产生的格波。角频率为a的格波,能量是量子化的,只能是声子:晶格振动的能量量子。6.根据统计计算,格波的平均能量为包含平均声子数为晶格振动对载流子的散射可以看成载流子与声子的碰撞。7.8.声学波散射概率:离子性半导体中光学波对载流子的散射概率与温度的关系:f为一个缓慢变化的函数,大约从0.61.0。光学波频率较高,声子能量较大。当电子和光学声子相互作用时,电子将吸收或发射一个声子,同时电子的能量发生改变。如果载流子的能量低于声子能量,将不发射声子,只能出现吸收声子
3、散射。9.散射概率随温度的变化主要决定于指数因子,当温度较低是,指数因子迅速随温度下降而减小,散射概率减小。在低温时光学波对散射不起作用。如n型GaAs,光学波最高频率8.7x1012s-1,声子能量0.036eV,对应温度417K。在T100K时,可以认为光学波散射不起作用。10.(1)中性杂质散射:在温度很低时,未电离的杂质(中性杂质)的数目比电离杂质的数目大得多,这种中性杂质也对周期性势场有一定的微扰作用而引起散射但它只在重掺杂半导体中,当温度很低,晶格振动散射和电离杂质散射都很微弱的情况下,才起主要的散射作用3)其他散射机构(2)位错散射:位错线上的不饱和键具有受主中心作用,俘获电子后
4、成为一串负电中心,其周围将有电离施主杂质的积累,从而形成一个局部电场,这个电场成为载流子散射的附加电场。(3)等同能谷间散射:对于Ge、Si,导带结构是多能谷的,即导带能量极小值有几个不同的波矢值载流子在这些能谷中分布相同,这些能谷称为等同能谷对这种多能谷半导体,电子的散射将不只局限在一个能谷内,而可以从一个能谷散射到另一个能谷,这种散射称为谷间散射 11.4.3 迁移率与杂质浓度和温度的关系1、平均自由时间和散射概率的关系 散射几率一般都是载流子速度的函数,而且速度也是统计分布的,为简单起见,先不考虑载流子速度的统计分布的影响,而采用简单的模型来讨论迁移率、电导率和散射几率的关系,进而讨论它
5、们与杂质浓度和温度的关系自由时间:载流子在电场中作漂移运动时,会不断地遭到散射,只有在连续两次散射之间的时间内 作 加 速 运动,这段时 间称为自 由时 间平均自由时间:自由时间长短不一,取若干次而求 得 其 平 均值称为 载流 子 的 平 均 自 由时 间。12.设有N个电子以速度v沿某方向运动,N(t)和N(tt)分别表示在t时刻和tt时刻尚未遭到散射的电子数。则t到tt时间内被散射的电子数为N(t)Pt,即:13.设N N0 0为t t0 0时未遭散射的未遭散射的电子数。所以在子数。所以在t t到到t tdtdt时间内被散射的内被散射的电子数子数为:平均自由平均自由时间:2、电导率、迁移
6、率与平均自由时间的关系 设沿x方向施加电场E,考虑到载流子具有各向同性的有效质量,如在t0时,某个电子恰好遭到散射,散射后沿x方向的速度为vx0,经过时间t后又遭到散射,在t时间作加速运动,再次散射前的速度为:14.平均漂移速度平均漂移速度15.16.对等能面为旋转椭球面的多极值半导体,沿晶体的不同方向有效质量不同,所以迁移率与有效质量的关系较为复杂 下面以硅为例说明迁移率计算。100能谷中的电子,沿x方向的迁移率:1=qnml 其余能谷中的电子,沿x方向的迁移率:2=3=qnmt 17.设电子子浓度度为n n,每个能谷,每个能谷单位体位体积中有中有n/6n/6个个电子,子,电流密度流密度J
7、Jx x为:18.3、迁移率与杂质和温度的关系电离离杂质散射:散射:光学波散射:光学波散射:声学波散射:声学波散射:声学波散射:声学波散射:电离离杂质散射:散射:光学波散射:光学波散射:19.若几种散射同若几种散射同时起作用起作用时,则总的散射概率的散射概率应该是各是各种散射概率的种散射概率的总和,即:和,即:结论:多种散射机构同:多种散射机构同时存在存在时,与每种散射,与每种散射单独独存在存在时比起来,平均自由比起来,平均自由时间变得更短了,且得更短了,且趋向向于最短的那个平均自由于最短的那个平均自由时间;迁移率也更少了,且;迁移率也更少了,且趋向于最少的那个迁移率在向于最少的那个迁移率在实
8、际情况中,情况中,应找到找到起主要作用的散射机构,迁移率主要由它决定。起主要作用的散射机构,迁移率主要由它决定。20.下面以下面以掺杂SiSi、GeGe半半导体体为例,定性分析迁移率随例,定性分析迁移率随杂质浓度和温度的度和温度的变化情况在化情况在这种半种半导体中,通常起体中,通常起主要作用的散射机构是声学波散射和主要作用的散射机构是声学波散射和电离离杂质散射散射对-族化合物半族化合物半导体,如体,如GaAsGaAs,光学波散射,光学波散射不可忽略,不可忽略,总的迁移率表示的迁移率表示为:21.22.1)杂质浓度增加,在室温下,度增加,在室温下,杂质全部全部电离,因此离,因此杂质散射增散射增强
9、,迁移率减小,迁移率减小.2)当当杂质浓度度较低低时(小于小于1017cm3),起主要散射机,起主要散射机构构为声学波散射,声学波散射,电离离杂质散射忽略,所以温度升散射忽略,所以温度升高,迁移率迅速减小。高,迁移率迅速减小。3)当当杂质浓度度较高高时(大于大于1019cm3),低温区,温度,低温区,温度升高升高,迁移率有所上升;高温区,迁移率随温度升,迁移率有所上升;高温区,迁移率随温度升高而下降。高而下降。低温、高低温、高掺杂以以电离离杂质散射散射为主;高温、低主;高温、低掺杂以晶格散射以晶格散射为主。主。23.24.25.材料电子迁移(cm2/V.s)空穴迁移率(cm2/V.s)Ge38
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