半导体的导电性PPT讲稿.ppt

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1、半导体的导电性第1页，共32页，编辑于2022年，星期五实际中，见到实际中，见到：存在破坏周期性势场的作用因素如：如：*杂质杂质 *缺陷缺陷 *晶格热振动晶格热振动 散射散射第2页，共32页，编辑于2022年，星期五2、漂移速度与迁移率漂移速度与迁移率n型型:电子浓度为电子浓度为n，在外电场下通过半导体的电流密度，在外电场下通过半导体的电流密度 迁移率迁移率：单位场强下电子的平均漂移速度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。它是表示半导体电迁移能力的重要参数。同理，对同理，对p型半导体型半导体第3页，共32页，编辑于2022年，星期五对一般半导体：对一般半导体：对本

2、征半导体对本征半导体：第4页，共32页，编辑于2022年，星期五4.2 载载 流流 子子 的的 散散 射射1、载流子散射、载流子散射（1）载流子的热运动）载流子的热运动自由程：相邻两次散射之间自由程：相邻两次散射之间 自由运动的路程。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程：连续两次散射间自由运动的平均路程第5页，共32页，编辑于2022年，星期五（2）、载流子的漂移运动）、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：在外电场作用下，实际上，载流子的运动是：热运动热运动+漂移运动漂移运动 电流电流单位时间内一个载流子被散射的次数单位时间内一个载流子被散

3、射的次数 散射几率散射几率P散射的原因：周期性势场被破坏散射的原因：周期性势场被破坏第6页，共32页，编辑于2022年，星期五2、半导体的主要散射机构、半导体的主要散射机构1）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 Pi Ni T-3/2（Ni：为杂质浓度总和）。：为杂质浓度总和）。a.电离施主电离施主 b.电离受主电离受主第7页，共32页，编辑于2022年，星期五2）晶格振动散射）晶格振动散射 有有N个原胞的晶体个原胞的晶体 有有N个格波波矢个格波波矢q 一个一个q=3支光学波支光学波(高频高频)+3支声学波支声学波(低频低频)振动方式振动方式:3个光学波个光学波=

4、1个纵波个纵波+2个横波个横波 3个声学波个声学波=1个纵波个纵波+2个横波个横波单一极值半导体中起主要散射作用的是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离子半导体中长纵光学波起主要作用第8页，共32页，编辑于2022年，星期五长波范围内长波范围内:声学波的频率与波数成正比声学波的频率与波数成正比-弹性散射弹性散射光学波的频率基本上与波数无关光学波的频率基本上与波数无关-非弹性散射非弹性散射声学波散射：声学波散射：Ps T 3/2光学波散射：光

5、学波散射：Po exp（hv/k0T）-1-1格波的能量效应以格波的能量效应以hva为单元为单元 声子声子第9页，共32页，编辑于2022年，星期五（1）等同能谷间散射）等同能谷间散射高温下显著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。射到另一个极值附近的散射。A、弹性散射、弹性散射 电子与长声学波散射电子与长声学波散射 B、非弹性散射、非弹性散射 电子与长光学波散射电子与长光学波散射分类：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

6、能谷散射到其他能谷上散射：从某一能谷散射到其他能谷上3)其它散射机构其它散射机构第10页，共32页，编辑于2022年，星期五（2）中性杂质散射）中性杂质散射在低温下重掺杂半导在低温下重掺杂半导 体中发生体中发生.（3）位错散射）位错散射位错密度位错密度104cm-2时发时发 生生,具有各向异性的特点具有各向异性的特点.（4）载流子与载流子间的散射载流子与载流子间的散射 在强简并下发生在强简并下发生第11页，共32页，编辑于2022年，星期五4.3 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（1）平均自由时间和散射几率的关系）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

7、，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间的时间内才作加速运动，这段时间称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。其平均值为自由时间。其平均值 称为平均自由时间称为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 P 是描述散射过是描述散射过程的两个重要参量程的两个重要参量设有设有N个电子以速度个电子以速度 v 沿某方向运动沿某方向运动第12页，共32页，编辑于2022年，星期五 tt+tN(t)N(t+t)t 到到 t+t 时间内被散射的电子数为时间内被散射的电子数为:N(t)P t 则则 N(t)N(t+t)=N(t)P t 当当t 很小时很小时上

8、式的解为上式的解为则则 t 到到 t+d t 时间内被散射的电子数为时间内被散射的电子数为:N,V未遭散射电未遭散射电子数子数平均自由时间平均自由时间第13页，共32页，编辑于2022年，星期五第14页，共32页，编辑于2022年，星期五t 到到 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设多次散射后的平均漂移速度为设多次散射后的平均漂移速度为 则则第15页，共32页，编辑于2022年，星期五第16页，共32页，编辑于2022年，星期五第17页，共32页，编辑于2022年，星期五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等能面为旋转椭球面的多极值半导体，没有各向同

9、性的有效质量硅导带极值有六个，等能面为旋转椭球面，椭球长轴沿硅导带极值有六个，等能面为旋转椭球面，椭球长轴沿,有效质有效质量分别为量分别为 m ml l 和和 m mt t，取，取 x x，y y，z z轴沿轴沿100100，010010，001001方向，不同方向，不同极值的能谷中的电子极值的能谷中的电子沿沿x x，y y，z z方向的迁移率不同。方向的迁移率不同。E设场强沿设场强沿 x x 方向，则方向，则100100能谷中能谷中的电子沿的电子沿 x x 方向的迁移率为方向的迁移率为 1 1，其余能谷中的电子沿其余能谷中的电子沿x x方向的迁方向的迁移率分别为移率分别为 2 2、3 3 。

10、第18页，共32页，编辑于2022年，星期五 c c 称为电导迁移率称为电导迁移率 m mc c 称为电导有效质量称为电导有效质量即在多极值半导体中，应以即在多极值半导体中，应以 m mc c 作为有效质量作为有效质量设电子浓度为设电子浓度为n n，则每个能谷单位体积中有，则每个能谷单位体积中有n/6n/6个电子个电子第19页，共32页，编辑于2022年，星期五对于补偿材料对于补偿材料:载流子浓度决定于两种杂质浓度之差，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迁移率与电离杂质总浓度有关Pi Ni T-3/2 Ps T 3/2 Po exp（hv/k0T）-1-1第20页，共

11、32页，编辑于2022年，星期五 当几种散射机构同时存在时，要尽力找出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很重要第21页，共32页，编辑于2022年，星期五迁移率随杂质浓度和温度的变化：迁移率随杂质浓度和温度的变化：对硅：对硅：当当 Ni 很小时很小时(Ni1019cm-3):低温时低温时 T温度很高时才稍有下降温度很高时才稍有下降第

12、22页，共32页，编辑于2022年，星期五第23页，共32页，编辑于2022年，星期五此图是此图是Ge在在300K下的下的电子迁移率电子迁移率和和空穴迁移率空穴迁移率第24页，共32页，编辑于2022年，星期五4.4 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电阻率决定于载流子浓度和迁移率，两者均与杂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质浓度和温度有关第25页，共32页，编辑于2022年，星期五偏离线形的原因：偏离线形的原因：1.杂质在室温下不能全部电离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迁移率随杂质浓度的增加将显著下降1.

13、电阻率与杂质浓度的关系电阻率与杂质浓度的关系第26页，共32页，编辑于2022年，星期五2.电阻率随温度的变化电阻率随温度的变化（2.22.2）杂质半导体）杂质半导体杂质离化区杂质离化区过渡区过渡区高温本征高温本征激发区激发区AB段段:温度低，本征激发可忽略，温度低，本征激发可忽略，载流子主载流子主要由杂质电离提供，它随要由杂质电离提供，它随 T升高而增加，散射升高而增加，散射主要由杂质电离决定，迁移率随主要由杂质电离决定，迁移率随 T 升高而增升高而增加，所以，电阻率随加，所以，电阻率随 T 升高而下降。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，载流子基段：温度升高

14、，杂质全部电离，本征激发还不十分显著，载流子基 本上不随本上不随 T 变化，晶格散射上升为主要矛盾，迁移率随变化，晶格散射上升为主要矛盾，迁移率随 T 升高而降低，电阻率随升高而降低，电阻率随 T 升高而增大。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，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，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。一般器件就不能正常工作

15、，这就是器件的最高工作温度。AB段段 BC段段 C段段第27页，共32页，编辑于2022年，星期五4.5 强电场下的效应强电场下的效应 热载流子热载流子第28页，共32页，编辑于2022年，星期五欧姆定律的偏离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当场强增大到103V/cm以上时，实验发现，以上时，实验发现，J与与E不再成正比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。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：强电场下欧姆定律发生偏离的原因：强

16、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。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。这种状态的载流子称为热载流子。强电场下：载流子的有效温度强电场下：载流子的有效温度 Te比比 T 高高 载流子的平均能量比晶格的大载流子的平均能量比晶格的大第29页，共32页，编辑于2022年，星期五设强场下的迁移率为设强场下的迁移率为 弱场下的迁移率为弱场下的迁移率为当载流子和晶格处于热平衡时，当载流子和晶格处于热平衡时，Te=T，所以，所以，4.6多能谷散射多能谷散射 耿氏效应耿氏效应耿氏效应：耿氏效应：在在n型砷化镓两端电极上加以电压，当场强超过型砷化镓两端电极上加以电压，当场强超过 3103V/cm时，半导体内的电流便以很高的频率震荡。时，半导体内的电流便以很高的频率震荡。第30页，共32页，编辑于2022年，星期五第31页，共32页，编辑于2022年，星期五第32页，共32页，编辑于2022年，星期五