第四章半导体的导电性培训讲学.ppt

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1、第四章半导体的导电性本节首先在不考虑载流子速度的统本节首先在不考虑载流子速度的统计分布情况下，采用简单的模型来计分布情况下，采用简单的模型来讨论电导率、迁移率和散射概率的讨论电导率、迁移率和散射概率的关系，进而讨论它们与杂质浓度和关系，进而讨论它们与杂质浓度和温度的关系。温度的关系。2第四章第四章02 载流子在电场中作漂移运动时，只有在连续载流子在电场中作漂移运动时，只有在连续两次散射之间的时间内才作加速运动，这两次散射之间的时间内才作加速运动，这段时间称为自由时间。段时间称为自由时间。自由时间长短不一，若取极多次而求得其平自由时间长短不一，若取极多次而求得其平均值则称为载流子的平均自由时间，

2、常用均值则称为载流子的平均自由时间，常用 来表示。来表示。平均平均 自由时间和散射概率是描述散射过程自由时间和散射概率是描述散射过程的两个重要参量。的两个重要参量。一、平均自由时间和散射概率的关系一、平均自由时间和散射概率的关系3第四章第四章02描述散射描述散射的物理量的物理量 散射概率：单位时间内一散射概率：单位时间内一个载流子受到的散射的次数个载流子受到的散射的次数平均自由时间：连续两平均自由时间：连续两次散射之间自由运动时间次散射之间自由运动时间的平均值的平均值4第四章第四章02n n下面以电子运动为例来求得两者的关系。下面以电子运动为例来求得两者的关系。设有设有 N个电子以速度个电子以

3、速度v沿某方向运动，沿某方向运动，N(t)表示在表示在t时刻尚未遭到散射的电子数，按散时刻尚未遭到散射的电子数，按散射概率的定义，在射概率的定义，在 t (t+t)时间内被散射时间内被散射的电子数为的电子数为 5第四章第四章02n n所以所以N(t)应该比在应该比在(t+t)时尚未遭到散射的时尚未遭到散射的电子数电子数N(t+t)多多 ，即，即n n当当 t很小时，可以写成很小时，可以写成6第四章第四章02上式的解为上式的解为 N0是是t0时刻未遭到散射的电子数，代入时刻未遭到散射的电子数，代入(4-34)，得到时间，得到时间t (t+d t)内被散射的电子数内被散射的电子数为为7第四章第四章

4、02n n在在t (t+dt)时间内遭到散射的所有电子的时间内遭到散射的所有电子的自由时间均为自由时间均为t，则这些电子的自由时间总，则这些电子的自由时间总和为和为n n对所有时间积分，就得到对所有时间积分，就得到N0个电子自由时个电子自由时间的总和，再除以间的总和，再除以N0便得到平均自由时间便得到平均自由时间也就是说，平均自由时间等于散射概率的倒数也就是说，平均自由时间等于散射概率的倒数t t dt dt8第四章第四章02二二.电导率、迁移率与平均自由时间的关系电导率、迁移率与平均自由时间的关系 求得和的关系，就可以求得和的关系，就可以 求、与的关系求、与的关系 9第四章第四章02设在设在

5、设在设在x x方向施加电场，设电子有效质量方向施加电场，设电子有效质量方向施加电场，设电子有效质量方向施加电场，设电子有效质量 各向同各向同各向同各向同性，受到的电场力性，受到的电场力性，受到的电场力性，受到的电场力 。在两次散射之间的加速度。在两次散射之间的加速度。在两次散射之间的加速度。在两次散射之间的加速度。刚好遭到一次散射的时刻作为记时起点，散射后。刚好遭到一次散射的时刻作为记时起点，散射后。刚好遭到一次散射的时刻作为记时起点，散射后。刚好遭到一次散射的时刻作为记时起点，散射后沿沿沿沿x x方向速度，经过方向速度，经过方向速度，经过方向速度，经过t t时间后又遭到散射，再次时间后又遭到

6、散射，再次时间后又遭到散射，再次时间后又遭到散射，再次散射前的速度散射前的速度散射前的速度散射前的速度 求在电场方向（即求在电场方向（即求在电场方向（即求在电场方向（即x x方向）获得的平均速度。方向）获得的平均速度。方向）获得的平均速度。方向）获得的平均速度。10第四章第四章02因为在因为在t (t+dt)时间内遭到散射的电子数为时间内遭到散射的电子数为每个电子在这期间获得的速度为每个电子在这期间获得的速度为两者相乘再对所有时间积分就得到两者相乘再对所有时间积分就得到N0个电子个电子漂移的速度总和，除以漂移的速度总和，除以N0就得到平均漂移就得到平均漂移速度速度11第四章第四章02n n因为

7、每次散射后，因为每次散射后，方向完全无规则，即散方向完全无规则，即散射后向各个方向运动的概率相等，所以，射后向各个方向运动的概率相等，所以，多次散射后多次散射后 ，所以，所以 n n 表示电子的平均自由时间。表示电子的平均自由时间。12第四章第四章02n n根据迁移率的定义根据迁移率的定义 ，可以得到：，可以得到：n n同理同理13第四章第四章02n n结合电导率的定义，可以得到电导率和平结合电导率的定义，可以得到电导率和平均自由时间的关系：均自由时间的关系：14第四章第四章02之前假设、是各向同性的，对于之前假设、是各向同性的，对于之前假设、是各向同性的，对于之前假设、是各向同性的，对于Si

8、SiSiSi、Ge Ge Ge Ge 半导体，、半导体，、半导体，、半导体，、是各向异性的，沿晶体不同方是各向异性的，沿晶体不同方是各向异性的，沿晶体不同方是各向异性的，沿晶体不同方 向向向向 、不同。、不同。、不同。、不同。如：如：Si导带极值有六个，等能面为旋转椭球，长轴方导带极值有六个，等能面为旋转椭球，长轴方向的有效质量，短轴。设电场沿向的有效质量，短轴。设电场沿x轴轴(设为长设为长轴轴)方向。方向。15第四章第四章02设电子浓度为设电子浓度为设电子浓度为设电子浓度为n n，硅的导带极值有，硅的导带极值有，硅的导带极值有，硅的导带极值有6 6个，则每个能谷个，则每个能谷个，则每个能谷个

9、，则每个能谷中单位体积内的电子为中单位体积内的电子为中单位体积内的电子为中单位体积内的电子为n n/6/6，总的电流密度：总的电流密度：总的电流密度：总的电流密度：16第四章第四章0217第四章第四章02三三.迁移率与杂质和温度的关系迁移率与杂质和温度的关系 散射几率与温度的关系为：散射几率与温度的关系为：18第四章第四章0219第四章第四章02因为任何情况下，几种散射机制都会因为任何情况下，几种散射机制都会同时存在。同时存在。对于同时有多种散射机构存在时，对于同时有多种散射机构存在时，就需要找出其主要作用的散射机构，就需要找出其主要作用的散射机构，它的平均自由时间特别短，散射概率它的平均自由

10、时间特别短，散射概率特别大，因此，其他散射机构的贡献特别大，因此，其他散射机构的贡献就可以忽略，迁移率也主要由这种散就可以忽略，迁移率也主要由这种散射机构决定。射机构决定。20第四章第四章02对对对对SiSi、GeGe主要的散射机构是声学波散射和电离杂质散射主要的散射机构是声学波散射和电离杂质散射主要的散射机构是声学波散射和电离杂质散射主要的散射机构是声学波散射和电离杂质散射对于对于GaAs，光学波，光学波散射也很重要：散射也很重要：21第四章第四章02对低掺杂（高纯）的样品，如，对低掺杂（高纯）的样品，如，对低掺杂（高纯）的样品，如，对低掺杂（高纯）的样品，如，N Ni i10101313c

11、mcm-3-3，迁移率随温度增加而迅速减小，这是因为迁移率随温度增加而迅速减小，这是因为迁移率随温度增加而迅速减小，这是因为迁移率随温度增加而迅速减小，这是因为N Ni i很小，很小，很小，很小，BNBNi i/T/T3/23/2可忽略，即可忽略，即可忽略，即可忽略，即P Ps sPPi i,晶格散射起主要作用。晶格散射起主要作用。晶格散射起主要作用。晶格散射起主要作用。随着随着Ni的逐渐增加，迁移率随温度的升高而下降的逐渐增加，迁移率随温度的升高而下降趋势就不太显著了，这说明杂质散射机构的影响趋势就不太显著了，这说明杂质散射机构的影响在逐渐加强。在逐渐加强。实验表明：22第四章第四章02对于

12、高掺杂对于高掺杂样品样品 （Ni1019/cm3）低温下（低温下（以下），杂质以下），杂质散射起主要作用，随散射起主要作用，随高温下（高温下（以上），晶格以上），晶格散射起主要作用，随散射起主要作用，随 同一温度下，同一温度下，随随Ni的增加，均减小。就是说，的增加，均减小。就是说，晶格振动不变时，杂质越多，散射越强，迁移率越晶格振动不变时，杂质越多，散射越强，迁移率越小。小。实验表明：23第四章第四章02对于补偿型半导体，载流子浓度决定对于补偿型半导体，载流子浓度决定于两种杂质浓度之差，即于两种杂质浓度之差，即n=ND-NA或或P=NA-ND。但是迁移率与电离杂质的。但是迁移率与电离杂质的总

13、浓度有关，即决定于总浓度有关，即决定于ND+NA。24第四章第四章02不同掺杂浓度下，不同掺杂浓度下，Si中电子，空穴的迁移率中电子，空穴的迁移率-温度曲线温度曲线25第四章第四章02n因为同种掺杂浓度下，电子的迁移因为同种掺杂浓度下，电子的迁移率大于空穴的迁移率，所以图率大于空穴的迁移率，所以图a是是p型半导体，通过空穴导电，图型半导体，通过空穴导电，图b是是n型半导体，通过电子导电。型半导体，通过电子导电。n又因为同一温度下，掺杂浓度越高，又因为同一温度下，掺杂浓度越高，迁移率越低，所以迁移率越低，所以N1N2N3N41018cm-3）:曲线偏离反比关系曲线偏离反比关系 杂质在室温下不能全

14、部电离。杂质在室温下不能全部电离。迁移率随杂质浓度增加而下降。迁移率随杂质浓度增加而下降。31第四章第四章02 工艺生产中，用四探针法可以直接测出硅片的电工艺生产中，用四探针法可以直接测出硅片的电工艺生产中，用四探针法可以直接测出硅片的电工艺生产中，用四探针法可以直接测出硅片的电阻率，就可以查表知道杂质浓度。反之知道杂质阻率，就可以查表知道杂质浓度。反之知道杂质阻率，就可以查表知道杂质浓度。反之知道杂质阻率，就可以查表知道杂质浓度。反之知道杂质浓度，就可以查表得电阻率。浓度，就可以查表得电阻率。浓度，就可以查表得电阻率。浓度，就可以查表得电阻率。但是对高度补偿型半导体，杂质很多，导电载流但是对

15、高度补偿型半导体，杂质很多，导电载流但是对高度补偿型半导体，杂质很多，导电载流但是对高度补偿型半导体，杂质很多，导电载流子却很少，电阻率很大，不能以此来判断材料的子却很少，电阻率很大，不能以此来判断材料的子却很少，电阻率很大，不能以此来判断材料的子却很少，电阻率很大，不能以此来判断材料的纯度。而且这种材料杂质很多，迁移率很小，因纯度。而且这种材料杂质很多，迁移率很小，因纯度。而且这种材料杂质很多，迁移率很小，因纯度。而且这种材料杂质很多，迁移率很小，因此不能用于制造器件。此不能用于制造器件。此不能用于制造器件。此不能用于制造器件。32第四章第四章02(2)与与的关系（本征半导体和杂质半导体）的

16、关系（本征半导体和杂质半导体）随温度的升高随温度的升高ni急剧增加，急剧增加，只有少许下降，所以只有少许下降，所以随随升高而降低。升高而降低。如：如：Si在室温附近，每增加在室温附近，每增加，ni增加倍，增加倍，下降下降一半。一半。Ge在室温附近，每增加在室温附近，每增加12，ni增加倍，增加倍，下降一半。下降一半。33第四章第四章02杂质半导体：随温度增加，有杂质电离和本征激杂质半导体：随温度增加，有杂质电离和本征激发，发，有电离杂质散射和晶格振动散射。有电离杂质散射和晶格振动散射。（1）AB段段:低温杂质电离区低温杂质电离区温度很低，本征激发可以温度很低，本征激发可以忽略。载流子主要由杂质

17、忽略。载流子主要由杂质电离提供，随电离提供，随上升，上升，n增增加。迁移率主要由电离杂加。迁移率主要由电离杂质散射起主要作用，质散射起主要作用，随随上升而增加。上升而增加。所以，电阻率随温度升高所以，电阻率随温度升高而下降。而下降。34（2）BC段段:饱和区饱和区杂质全部电离，本征激发不十分显杂质全部电离，本征激发不十分显著，载流子浓度基本不变，晶格散著，载流子浓度基本不变，晶格散射起主要作用，射起主要作用，随随的增加而降的增加而降低。所以电阻率随低。所以电阻率随的增加而增加。的增加而增加。4.电阻率与杂质浓度和温度的关系电阻率与杂质浓度和温度的关系35（3）CD段段:高温本征激发区高温本征激

18、发区大量本征载流子的产生远远超过迁大量本征载流子的产生远远超过迁移率的减少对电阻率的影响，移率的减少对电阻率的影响，随随上升而急剧下降，表现为本征载流上升而急剧下降，表现为本征载流子的特性。子的特性。36第四章第四章02电阻率与温度的关系电阻率与温度的关系载流子主要由电离杂质提供杂质全部电离，晶格振动散射上升为主要矛盾本征激发成为主要矛盾37第四章第四章02填空：填空：u杂质浓度越高，进入本征导电占优势的温度（杂质浓度越高，进入本征导电占优势的温度（）；）；u材料的禁带宽度越小，则同一温度下本征载流子的材料的禁带宽度越小，则同一温度下本征载流子的浓度（浓度（），进入本征导电的温度（），进入本征

19、导电的温度（）。）。高，越大，越低高，越大，越低38进入本征导电区的温度与掺杂浓度和禁带进入本征导电区的温度与掺杂浓度和禁带宽度有关。同一种半导体材料，掺杂浓度宽度有关。同一种半导体材料，掺杂浓度高，进入本征激发的温度高；不同种材料，高，进入本征激发的温度高；不同种材料，Eg大，进入本征激发温度高。到本征激发大，进入本征激发温度高。到本征激发区，器件就不能正常工作。区，器件就不能正常工作。Ge器件最高工作温度器件最高工作温度100Si器件最高工作温度器件最高工作温度250 GaAs器件最高工作温度器件最高工作温度450 39第四章第四章02此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢