固体物理 (2)优秀课件.ppt

《固体物理 (2)优秀课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《固体物理 (2)优秀课件.ppt（35页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、固体物理(2)第1页，本讲稿共35页4.1 4.1 载流子的漂移运动载流子的漂移运动 迁移率迁移率The drift motion of carrier,mobilityThe drift motion of carrier,mobility学习重点：学习重点：漂移运动漂移运动漂移运动漂移运动 迁移率迁移率迁移率迁移率 电导率电导率电导率电导率第2页，本讲稿共35页1 1 1 1、漂移运动、漂移运动、漂移运动、漂移运动 漂移运动：漂移运动：漂移运动：漂移运动：载流子在外电场作用下的定向运动。载流子在外电场作用下的定向运动。载流子在外电场作用下的定向运动。载流子在外电场作用下的定向运动。漂移运动

2、E电子电子空穴空穴结论结论 在严格周期性势场（理想）中运动的载流子在电场力的在严格周期性势场（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。作用下将获得加速度，其漂移速度应越来越大。第3页，本讲稿共35页E电子电子实际情况存在破坏周期性势场的作用因素：杂质杂质缺陷缺陷晶格热振动晶格热振动载流子的散射载流子的散射载流子的散射载流子的散射 载流子在半导体中运动时，不断与振动着的晶载流子在半导体中运动时，不断与振动着的晶载流子在半导体中运动时，不断与振动着的晶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格原子或杂质离子发生碰撞，碰撞后

3、载流子速度的格原子或杂质离子发生碰撞，碰撞后载流子速度的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大小及方向均发生改变，这种现象称为载流子的散大小及方向均发生改变，这种现象称为载流子的散大小及方向均发生改变，这种现象称为载流子的散射。射。射。射。第4页，本讲稿共35页2 2 2 2、迁移率及半导体的电导率、迁移率及半导体的电导率、迁移率及半导体的电导率、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散射：晶格振动、杂质、缺陷以及表面因素等均会引起晶体散射：晶格振动、杂质、缺陷以及表面因素等均会引起晶体散射：晶格振动、杂

4、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。为载流子的散射。为载流子的散射。为载流子的散射。迁移率的迁移率的物理意义物理意义表征载流子在电场作用下

5、表征载流子在电场作用下做漂移运动的能力。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。迁移率：在单位电场下载流子的平均漂移速度。对对对对n n型半导体：型半导体：型半导体：型半导体：n n=n=n0 0q q（v vd d/E E）=n n0 0qqn n （4-164-16）对对对对P P型半导体：型半导体：型半导体：型半导体：p p=p=p0 0qqp p （4-174-17）对一般半导体：对一般半导体：=p p+p p=nq=nqn n+pq+pqp p （4-154-15）第5页，本讲稿共35页4.2 4.2 载流子的散射载流子的散射The Scattering of c

6、arriersThe Scattering of carriers学习重点：学习重点：散射散射散射散射 使迁移率减小使迁移率减小使迁移率减小使迁移率减小 散射机构散射机构散射机构散射机构 各种散射因素各种散射因素各种散射因素各种散射因素 散射：晶格振动、杂质、缺陷以及表面因素等均会引起晶体散射：晶格振动、杂质、缺陷以及表面因素等均会引起晶体散射：晶格振动、杂质、缺陷以及表面因素等均会引起晶体散射：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，其运动状态会中周期性势场的畸变。当载流子接近畸变区域时

7、，其运动状态会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。为载流子的散射。为载流子的散射。为载流子的散射。第6页，本讲稿共35页电子电子（1 1 1 1）载流子的热运动）载流子的热运动）载流子的热运动）载流子的热运动自由程：自由程：自由程：自由程：相邻两次散射之间自由运动的路程。相邻两次散射之间自由运动的路程。相邻两次散射之间自由运动的路程。相邻

8、两次散射之间自由运动的路程。平均自由程：平均自由程：平均自由程：平均自由程：连续两次散射间自由运动的平均路程。连续两次散射间自由运动的平均路程。连续两次散射间自由运动的平均路程。连续两次散射间自由运动的平均路程。平均自由时间：平均自由时间：平均自由时间：平均自由时间：连续两次散射间自由运动的平均运动时间。连续两次散射间自由运动的平均运动时间。连续两次散射间自由运动的平均运动时间。连续两次散射间自由运动的平均运动时间。1 1 1 1、载流子散射、载流子散射、载流子散射、载流子散射第7页，本讲稿共35页（2 2 2 2）载流子的漂移运动）载流子的漂移运动）载流子的漂移运动）载流子的漂移运动E电子电

9、子空穴空穴载流子在电场作用下不断加速载流子在电场作用下不断加速载流子在电场作用下不断加速载流子在电场作用下不断加速理想情况理想情况E电子电子热运动热运动热运动热运动+漂移运动漂移运动漂移运动漂移运动实际情况实际情况第8页，本讲稿共35页 电离杂质散射电离杂质散射电离杂质散射电离杂质散射 晶格振动散射晶格振动散射晶格振动散射晶格振动散射 中性杂质散射（在低温重掺杂半导体中较为显著）中性杂质散射（在低温重掺杂半导体中较为显著）中性杂质散射（在低温重掺杂半导体中较为显著）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（位错密度大于晶格缺陷散射（位错密度大于晶格缺陷散射（位错密度大于晶格缺陷

10、散射（位错密度大于10104 4cmcm-2-2时较为显著）时较为显著）时较为显著）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载流子与载流子间的散射（载流子浓度很高时较为显载流子与载流子间的散射（载流子浓度很高时较为显载流子与载流子间的散射（载流子浓度很高时较为显 著）著）著）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：等同能谷间散射高温下较易发生；不同能谷间散射：等同能谷间散射高温下较易发生；不同能谷间散射：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。能谷间散射一般在强电场下发生。能谷间散射一般在强电场下发生。能谷间散射一般在强电场下发

11、生。2 2 2 2、半导体的主要散射机构、半导体的主要散射机构、半导体的主要散射机构、半导体的主要散射机构第9页，本讲稿共35页（1 1 1 1）电离杂质散射（即库仑散射）电离杂质散射（即库仑散射）电离杂质散射（即库仑散射）电离杂质散射（即库仑散射）散射几率散射几率散射几率散射几率P Pi iN Ni iT T-3/2-3/2（N Ni i：为杂质浓度总和）：为杂质浓度总和）：为杂质浓度总和）：为杂质浓度总和）载流子的散射几率载流子的散射几率载流子的散射几率载流子的散射几率P P 单位时间内一个载流子受到散射的平均次数。单位时间内一个载流子受到散射的平均次数。单位时间内一个载流子受到散射的平均

12、次数。单位时间内一个载流子受到散射的平均次数。主要用于描述散射的强弱。主要用于描述散射的强弱。主要用于描述散射的强弱。主要用于描述散射的强弱。第10页，本讲稿共35页（2 2 2 2）晶格振动散射）晶格振动散射）晶格振动散射）晶格振动散射晶格振动表现为格波晶格振动表现为格波晶格振动表现为格波晶格振动表现为格波N N个原胞组成的晶体个原胞组成的晶体个原胞组成的晶体个原胞组成的晶体格波波矢有格波波矢有格波波矢有格波波矢有N N个。格波的总数等个。格波的总数等个。格波的总数等个。格波的总数等于原子自由度总数于原子自由度总数于原子自由度总数于原子自由度总数一个格波波矢一个格波波矢一个格波波矢一个格波波

13、矢q q 对应对应对应对应3(n-1)3(n-1)支光学波支光学波支光学波支光学波+3+3支声学波。支声学波。支声学波。支声学波。光学波光学波光学波光学波=N(n-1)=N(n-1)个纵波个纵波个纵波个纵波+2 N(n-1)+2 N(n-1)个横波个横波个横波个横波 声学波声学波声学波声学波=N=N个纵波个纵波个纵波个纵波+2N+2N个横波个横波个横波个横波晶格振动散射可理解为载流子与声子的碰撞，遵循两大守晶格振动散射可理解为载流子与声子的碰撞，遵循两大守晶格振动散射可理解为载流子与声子的碰撞，遵循两大守晶格振动散射可理解为载流子与声子的碰撞，遵循两大守恒法则恒法则恒法则恒法则 准动量守恒准动

14、量守恒准动量守恒准动量守恒 能量守恒能量守恒能量守恒能量守恒由准动量守恒可知，晶格振动散射以长波为主。由准动量守恒可知，晶格振动散射以长波为主。由准动量守恒可知，晶格振动散射以长波为主。由准动量守恒可知，晶格振动散射以长波为主。第11页，本讲稿共35页n n一般，长声学波散射前后电子的能量基本不变，为弹性散射。一般，长声学波散射前后电子的能量基本不变，为弹性散射。一般，长声学波散射前后电子的能量基本不变，为弹性散射。一般，长声学波散射前后电子的能量基本不变，为弹性散射。光学波散射前后电子的能量变化较大，为非弹性散射。光学波散射前后电子的能量变化较大，为非弹性散射。光学波散射前后电子的能量变化较

15、大，为非弹性散射。光学波散射前后电子的能量变化较大，为非弹性散射。（A A）声学波散射：）声学波散射：）声学波散射：）声学波散射：n n在长声学波中，纵波对散射起主要作用（通过体变产在长声学波中，纵波对散射起主要作用（通过体变产在长声学波中，纵波对散射起主要作用（通过体变产在长声学波中，纵波对散射起主要作用（通过体变产生附加势场）。生附加势场）。生附加势场）。生附加势场）。n n对于单一极值，球形等能面的半导体，理论推导得到对于单一极值，球形等能面的半导体，理论推导得到对于单一极值，球形等能面的半导体，理论推导得到对于单一极值，球形等能面的半导体，理论推导得到其中其中其中其中u u u u纵弹

16、性波波速。纵弹性波波速。纵弹性波波速。纵弹性波波速。由上式可知由上式可知由上式可知由上式可知 此式对于其它能带结构的半导体也适用此式对于其它能带结构的半导体也适用此式对于其它能带结构的半导体也适用此式对于其它能带结构的半导体也适用第12页，本讲稿共35页（B B）光学波散射：）光学波散射：）光学波散射：）光学波散射：n n正负离子的振动位移会产生附加势场，因此化合物正负离子的振动位移会产生附加势场，因此化合物正负离子的振动位移会产生附加势场，因此化合物正负离子的振动位移会产生附加势场，因此化合物半导体中光学波散射较强。半导体中光学波散射较强。半导体中光学波散射较强。半导体中光学波散射较强。例如

17、：例如：例如：例如：GaAsGaAsn n对于元素半导体，只是在高温条件下才考虑光学波对于元素半导体，只是在高温条件下才考虑光学波对于元素半导体，只是在高温条件下才考虑光学波对于元素半导体，只是在高温条件下才考虑光学波散射的作用。散射的作用。散射的作用。散射的作用。例如：例如：例如：例如：GeGe、SiSin n离子晶体中光学波对载流子的散射几率离子晶体中光学波对载流子的散射几率离子晶体中光学波对载流子的散射几率离子晶体中光学波对载流子的散射几率第13页，本讲稿共35页4.3 4.3 迁移率与杂质浓度和温度的关系迁移率与杂质浓度和温度的关系当几种散射机构同时存在时当几种散射机构同时存在时当几种

18、散射机构同时存在时当几种散射机构同时存在时1 1、平均自由时间、平均自由时间、平均自由时间、平均自由时间 和散射几率和散射几率和散射几率和散射几率P P的关系的关系的关系的关系j总散射几率：总散射几率：总散射几率：总散射几率：相应的平均自由时间：相应的平均自由时间：相应的平均自由时间：相应的平均自由时间：j第14页，本讲稿共35页用用用用N(t)N(t)表示表示表示表示t t时刻未遭到散射的电子数，则时刻未遭到散射的电子数，则时刻未遭到散射的电子数，则时刻未遭到散射的电子数，则在在在在 被散被散被散被散射的电子数射的电子数射的电子数射的电子数上式的解为上式的解为上式的解为上式的解为其中其中其中

19、其中N N N N0 0 0 0为为为为t=0t=0t=0t=0时刻未遭散射的电子数时刻未遭散射的电子数时刻未遭散射的电子数时刻未遭散射的电子数在在在在 被散射的电子数被散射的电子数被散射的电子数被散射的电子数 平均自由时间平均自由时间平均自由时间平均自由时间-P P关系的数学推导关系的数学推导关系的数学推导关系的数学推导第15页，本讲稿共35页2 2、电导率、电导率、电导率、电导率 和迁移率和迁移率和迁移率和迁移率 与平均自由时间与平均自由时间与平均自由时间与平均自由时间 的关系的关系的关系的关系t=0t=0t=0t=0时刻电子遭到散射，经过时刻电子遭到散射，经过时刻电子遭到散射，经过时刻电

20、子遭到散射，经过t t t t时间后再次被散射前时间后再次被散射前时间后再次被散射前时间后再次被散射前将所有的自由加速过程取平均，可以认为将所有的自由加速过程取平均，可以认为将所有的自由加速过程取平均，可以认为将所有的自由加速过程取平均，可以认为根据迁移率的定义根据迁移率的定义根据迁移率的定义根据迁移率的定义 第16页，本讲稿共35页对一般半导体：对一般半导体：对一般半导体：对一般半导体：电子迁移率电子迁移率电子迁移率电子迁移率空穴迁移率空穴迁移率空穴迁移率空穴迁移率各种不同类型材料的电导率各种不同类型材料的电导率各种不同类型材料的电导率各种不同类型材料的电导率n n n n型：型：型：型：p

21、 p p p型：型：型：型：第17页，本讲稿共35页3 3、多能谷半导体的电流密度及电导有效质量、多能谷半导体的电流密度及电导有效质量、多能谷半导体的电流密度及电导有效质量、多能谷半导体的电流密度及电导有效质量硅在三个晶轴方向上分布六个对称的为旋转椭球等能面硅在三个晶轴方向上分布六个对称的为旋转椭球等能面硅在三个晶轴方向上分布六个对称的为旋转椭球等能面硅在三个晶轴方向上分布六个对称的为旋转椭球等能面的能谷，则的能谷，则的能谷，则的能谷，则令令令令其中其中其中其中对于硅、锗，均可证明对于硅、锗，均可证明对于硅、锗，均可证明对于硅、锗，均可证明n n 称为电导迁移率，称为电导迁移率，称为电导迁移率

22、，称为电导迁移率，m m m mc c c c称为电导有效称为电导有效称为电导有效称为电导有效 质量，质量，质量，质量，n n对于硅对于硅对于硅对于硅m m m mc c c c=0.26m=0.26m=0.26m=0.26m0 0 0 0n n由于电子电导有效质量小于空穴电导有效质量，所以电子迁移率由于电子电导有效质量小于空穴电导有效质量，所以电子迁移率由于电子电导有效质量小于空穴电导有效质量，所以电子迁移率由于电子电导有效质量小于空穴电导有效质量，所以电子迁移率大于空穴迁移率大于空穴迁移率大于空穴迁移率大于空穴迁移率。第18页，本讲稿共35页 由前面可知由前面可知由前面可知由前面可知4 4

23、、迁移率、迁移率、迁移率、迁移率 与杂质浓度和温度的关系与杂质浓度和温度的关系与杂质浓度和温度的关系与杂质浓度和温度的关系电离杂质散射：电离杂质散射：电离杂质散射：电离杂质散射：声学波散射：声学波散射：声学波散射：声学波散射：光学波散射：光学波散射：光学波散射：光学波散射：对对对对GeGe和和和和SiSi：对对对对GaAsGaAs：所以所以所以所以第19页，本讲稿共35页4.4 4.4 电阻率及其与杂质浓度和温度的关系电阻率及其与杂质浓度和温度的关系Temperature Dependence of Resistivity and Impurity concentrationTemperatu

24、re Dependence of Resistivity and Impurity concentration电阻率电阻率电阻率电阻率对对对对n n型半导体：型半导体：型半导体：型半导体：对对对对p p型半导体：型半导体：型半导体：型半导体：对一般半导体：对一般半导体：对一般半导体：对一般半导体：对本征半导体：对本征半导体：对本征半导体：对本征半导体：（1 1）（2 2）（3 3）（4 4）第20页，本讲稿共35页1 1、与与与与N ND D或或或或N NA A的关系的关系的关系的关系 轻掺杂轻掺杂10101616-10-101818cmcm-3 -3 (室温室温室温室温)重掺杂重掺杂1010

25、1818cmcm-3 -3 (室温室温室温室温)与与与与N Ni i呈非线性关系。呈非线性关系。呈非线性关系。呈非线性关系。第21页，本讲稿共35页2 2、电阻率随温度的变化、电阻率随温度的变化、电阻率随温度的变化、电阻率随温度的变化 本征半导体本征半导体 杂质半导体杂质半导体电离杂质散射电离杂质散射电离杂质散射电离杂质散射随着温度随着温度随着温度随着温度T T的增加，电阻率的增加，电阻率的增加，电阻率的增加，电阻率 下降。下降。下降。下降。声学波散射声学波散射声学波散射声学波散射ABC电阻率温度杂质离化区过渡区高温本征激发区第22页，本讲稿共35页3 3、多数载流子浓度与温度的关系、多数载流

26、子浓度与温度的关系、多数载流子浓度与温度的关系、多数载流子浓度与温度的关系样品为硅中掺入样品为硅中掺入样品为硅中掺入样品为硅中掺入N ND D=10=101515cmcm-3-3的磷。的磷。的磷。的磷。n/Nn/ND D0 100 200 300 400 500 600T T（KK）2.01.51.00.5非本征区非本征区非本征区非本征区低温区低温区低温区低温区本征区本征区本征区本征区n ni i/N/ND Dn=0 n=Nn=0 n=ND D+n=N n=ND D n=n n=ni i 可忽略可忽略可忽略可忽略可忽略可忽略可忽略可忽略占主导占主导占主导占主导非本征区非本征区非本征区非本征区本

27、征区本征区本征区本征区低温区低温区低温区低温区0 K0 K第23页，本讲稿共35页4.6 4.6 4.6 4.6 强电场下的效应强电场下的效应强电场下的效应强电场下的效应 热载流子热载流子热载流子热载流子Effect at Large Field,Hot CarrierEffect at Large Field,Hot Carrier学习重点：学习重点：学习重点：学习重点：强电场下欧姆定律发生偏离的原因强电场下欧姆定律发生偏离的原因强电场下欧姆定律发生偏离的原因强电场下欧姆定律发生偏离的原因第24页，本讲稿共35页1 1、欧姆定率的偏离与强电场效应、欧姆定率的偏离与强电场效应、欧姆定率的偏离与

28、强电场效应、欧姆定率的偏离与强电场效应N N型锗样品电流与电场强度的关系型锗样品电流与电场强度的关系型锗样品电流与电场强度的关系型锗样品电流与电场强度的关系10 102 103 104 106 10210310电场强度电场强度电场强度电场强度E(E(伏伏伏伏 厘米厘米厘米厘米-1-1)电流密度电流密度电流密度电流密度 J(J(安培安培安培安培 厘米厘米厘米厘米-2-2)100 K100 K第25页，本讲稿共35页强电场效应强电场效应强电场效应强电场效应：实验发现，当电场增强到一定程度后，半导实验发现，当电场增强到一定程度后，半导实验发现，当电场增强到一定程度后，半导实验发现，当电场增强到一定程

29、度后，半导体的电流密度不再与电场强度成正比，偏离了体的电流密度不再与电场强度成正比，偏离了体的电流密度不再与电场强度成正比，偏离了体的电流密度不再与电场强度成正比，偏离了欧姆定律，场强进一步增加时，平均漂移速度欧姆定律，场强进一步增加时，平均漂移速度欧姆定律，场强进一步增加时，平均漂移速度欧姆定律，场强进一步增加时，平均漂移速度会趋于饱和，强电场引起的这种现象称为强电会趋于饱和，强电场引起的这种现象称为强电会趋于饱和，强电场引起的这种现象称为强电会趋于饱和，强电场引起的这种现象称为强电场效应。场效应。场效应。场效应。2 2、热载流子、热载流子、热载流子、热载流子载流子有效温度载流子有效温度载流

30、子有效温度载流子有效温度T Te e：当有电场存在时，载流子的平均动能比热当有电场存在时，载流子的平均动能比热当有电场存在时，载流子的平均动能比热当有电场存在时，载流子的平均动能比热平衡时高，相当于更高温度下的载流子，称此温度平衡时高，相当于更高温度下的载流子，称此温度平衡时高，相当于更高温度下的载流子，称此温度平衡时高，相当于更高温度下的载流子，称此温度为载流子有效温度。为载流子有效温度。为载流子有效温度。为载流子有效温度。热载流子热载流子热载流子热载流子：在强电场情况下，载流子从电场中获得的能量在强电场情况下，载流子从电场中获得的能量在强电场情况下，载流子从电场中获得的能量在强电场情况下，

31、载流子从电场中获得的能量很多，载流子的平均能量大于晶格系统的能量，很多，载流子的平均能量大于晶格系统的能量，很多，载流子的平均能量大于晶格系统的能量，很多，载流子的平均能量大于晶格系统的能量，将这种不再处于热平衡状态的载流子称为热载将这种不再处于热平衡状态的载流子称为热载将这种不再处于热平衡状态的载流子称为热载将这种不再处于热平衡状态的载流子称为热载流子。流子。流子。流子。第26页，本讲稿共35页3 3、平均漂移速度与电场强度的关系、平均漂移速度与电场强度的关系、平均漂移速度与电场强度的关系、平均漂移速度与电场强度的关系（1 1）0 0|v|v 时时时时式中，式中，式中，式中，0 0为光学声子

32、的能量，锗为为光学声子的能量，锗为为光学声子的能量，锗为为光学声子的能量，锗为0.037eV0.037eV、硅为、硅为、硅为、硅为0.063eV0.063eV、砷化镓为、砷化镓为、砷化镓为、砷化镓为0.035eV0.035eV。第27页，本讲稿共35页4.7 4.7 多能谷散射多能谷散射 耿氏效应耿氏效应1 1、双能谷模型和砷化镓的能带结构、双能谷模型和砷化镓的能带结构、双能谷模型和砷化镓的能带结构、双能谷模型和砷化镓的能带结构（1 1）负微分电导、负微分迁移率）负微分电导、负微分迁移率）负微分电导、负微分迁移率）负微分电导、负微分迁移率 半导体材料的载流子运动速度随电场的增加而减小称为负微半

33、导体材料的载流子运动速度随电场的增加而减小称为负微半导体材料的载流子运动速度随电场的增加而减小称为负微半导体材料的载流子运动速度随电场的增加而减小称为负微分电导。分电导。分电导。分电导。第28页，本讲稿共35页（2 2）双能谷模型）双能谷模型）双能谷模型）双能谷模型 半导体有两个能谷，它们之间有能量间隔半导体有两个能谷，它们之间有能量间隔半导体有两个能谷，它们之间有能量间隔半导体有两个能谷，它们之间有能量间隔E E。在外电场为零时，。在外电场为零时，。在外电场为零时，。在外电场为零时，导带电子按晶格温度和各自的状态密度所决定的分布规律分布于两能谷导带电子按晶格温度和各自的状态密度所决定的分布规

34、律分布于两能谷导带电子按晶格温度和各自的状态密度所决定的分布规律分布于两能谷导带电子按晶格温度和各自的状态密度所决定的分布规律分布于两能谷之中。外电场增加时载流子将重新分布，设低能谷处电子的有效质量为之中。外电场增加时载流子将重新分布，设低能谷处电子的有效质量为之中。外电场增加时载流子将重新分布，设低能谷处电子的有效质量为之中。外电场增加时载流子将重新分布，设低能谷处电子的有效质量为mm1 1*，迁移率为，迁移率为，迁移率为，迁移率为 1 1，电子浓度为，电子浓度为，电子浓度为，电子浓度为n n1 1，状态密度为，状态密度为，状态密度为，状态密度为N N1 1；高能谷的相应各；高能谷的相应各；

35、高能谷的相应各；高能谷的相应各物理为物理为物理为物理为mm2 2*、2 2、n n2 2和和和和N N2 2，则双能谷半导体的电导率为：，则双能谷半导体的电导率为：，则双能谷半导体的电导率为：，则双能谷半导体的电导率为：式中式中式中式中n n=n n1 1+n n2 2，为总载流子浓度，为总载流子浓度，为总载流子浓度，为总载流子浓度，为平均迁移率。为平均迁移率。为平均迁移率。为平均迁移率。第29页，本讲稿共35页在电场作用下通过此样品的电流密度及及平均漂移速度为：在电场作用下通过此样品的电流密度及及平均漂移速度为：在电场作用下通过此样品的电流密度及及平均漂移速度为：在电场作用下通过此样品的电流

36、密度及及平均漂移速度为：电子速度电子速度电子速度电子速度0 10 20 30 40 50 60 704321电场强度电场强度电场强度电场强度（kV/cmkV/cm）E Ea aE Eb b 1 1 2 2双能谷模型的负微分迁移率双能谷模型的负微分迁移率双能谷模型的负微分迁移率双能谷模型的负微分迁移率第30页，本讲稿共35页电子转移导致负微分迁移率所必须满足的条件电子转移导致负微分迁移率所必须满足的条件 低能谷和高能谷的能量间隔必须比热运动能量低能谷和高能谷的能量间隔必须比热运动能量低能谷和高能谷的能量间隔必须比热运动能量低能谷和高能谷的能量间隔必须比热运动能量k k0 0T T大许多倍，以免低

37、大许多倍，以免低大许多倍，以免低大许多倍，以免低电场时在高能谷中已经进入许多电子；电场时在高能谷中已经进入许多电子；电场时在高能谷中已经进入许多电子；电场时在高能谷中已经进入许多电子；材料的禁带宽度要大于两能谷的能量间隔，以免在谷间电子转材料的禁带宽度要大于两能谷的能量间隔，以免在谷间电子转材料的禁带宽度要大于两能谷的能量间隔，以免在谷间电子转材料的禁带宽度要大于两能谷的能量间隔，以免在谷间电子转移之前发生越过禁带的雪崩击穿；移之前发生越过禁带的雪崩击穿；移之前发生越过禁带的雪崩击穿；移之前发生越过禁带的雪崩击穿；高能谷的电子有效质量必须明显高于低能谷的电子有效质量，高能谷的电子有效质量必须明

38、显高于低能谷的电子有效质量，高能谷的电子有效质量必须明显高于低能谷的电子有效质量，高能谷的电子有效质量必须明显高于低能谷的电子有效质量，使高能谷的状态密度明显大于低能谷的状态密度，以便减少转使高能谷的状态密度明显大于低能谷的状态密度，以便减少转使高能谷的状态密度明显大于低能谷的状态密度，以便减少转使高能谷的状态密度明显大于低能谷的状态密度，以便减少转移到高能谷的电子返回低能谷的几率；移到高能谷的电子返回低能谷的几率；移到高能谷的电子返回低能谷的几率；移到高能谷的电子返回低能谷的几率；高能谷的电子迁移率必须远小于低能谷的电子迁移率。高能谷的电子迁移率必须远小于低能谷的电子迁移率。高能谷的电子迁移

39、率必须远小于低能谷的电子迁移率。高能谷的电子迁移率必须远小于低能谷的电子迁移率。第31页，本讲稿共35页（3 3）砷化镓能带结构）砷化镓能带结构）砷化镓能带结构）砷化镓能带结构 导带的最低能谷在导带的最低能谷在导带的最低能谷在导带的最低能谷在k=0k=0处，低场时导带电子大都位于此谷中，处，低场时导带电子大都位于此谷中，处，低场时导带电子大都位于此谷中，处，低场时导带电子大都位于此谷中，故称这主能谷或中心能谷。在故称这主能谷或中心能谷。在故称这主能谷或中心能谷。在故称这主能谷或中心能谷。在方向还有一个极值约高出方向还有一个极值约高出方向还有一个极值约高出方向还有一个极值约高出0.29eV0.29eV的能谷，称为卫星谷或子能谷。的能谷，称为卫星谷或子能谷。的能谷，称为卫星谷或子能谷。的能谷，称为卫星谷或子能谷。L L 111111 X X100100第32页，本讲稿共35页 Si Si的能带结构的能带结构的能带结构的能带结构L L 111111 X X100100第33页，本讲稿共35页 Ge Ge的能带结构的能带结构的能带结构的能带结构L L 111111 X X100100第34页，本讲稿共35页2 2、高场畴及耿氏振荡、高场畴及耿氏振荡、高场畴及耿氏振荡、高场畴及耿氏振荡第35页，本讲稿共35页