半導(dǎo)體物理 第四章 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性1

1、 第四章 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性Electrical conduction of semiconductors重點(diǎn)： 遷移率(Mobility) 散射(Scattering mechanisms) 影響遷移率的本質(zhì)因素 弱電場(chǎng)下電導(dǎo)率的統(tǒng)計(jì)理論4.1 載流子的漂移運(yùn)動(dòng) 遷移率The drift motion of Carrier,Mobility漂移運(yùn)動(dòng) 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 遷移率 重 點(diǎn) 一、散射與漂移運(yùn)動(dòng) 加上外電場(chǎng)E的理想:載流子定向運(yùn)動(dòng)，即漂移運(yùn)動(dòng)。漂移運(yùn)動(dòng)The drift motion of Carrier,Mobility在嚴(yán)格周期性勢(shì)場(chǎng)（理想）中運(yùn)動(dòng)的載流子在電場(chǎng)力的作用下將獲得加速度，其漂移速

2、度應(yīng)越來(lái)越大。結(jié)論The drift motion of Carrier,Mobility實(shí)際中，見(jiàn)到：The drift motion of Carrier,Mobility存在破壞周期性勢(shì)場(chǎng)的作用因素：如： * 雜質(zhì) * 缺陷 * 晶格熱振動(dòng) 散射 The drift motion of Carrier,Mobility2、遷移率假設(shè)討論的是n型半導(dǎo)體，電子濃度為n0，在外電場(chǎng)下通過(guò)半導(dǎo)體的電流密度 The drift motion of Carrier,MobilityThe drift motion of Carrier,Mobility 表征了在單位電場(chǎng)下載流子的 平均漂移速度。 它

3、是表示半導(dǎo)體電遷移能力的重要參數(shù)。The drift motion of Carrier,Mobility遷移率同理，對(duì)p型半導(dǎo)體The drift motion of Carrier,Mobility對(duì)一般半導(dǎo)體The drift motion of Carrier,Mobility對(duì)本征半導(dǎo)體The drift motion of Carrier,Mobility4.2 載 流 子 的 散 射The Scattering of CarriersKEY 散射 使遷移率減小 散射機(jī)構(gòu) 即各種散射因素1、載流子散射（1）載流子的熱運(yùn)動(dòng)自由程l：相鄰兩次散射之 間自由運(yùn)動(dòng)的路程。The Scatt

4、ering of Carriers平均自由程：連續(xù)兩次散射間自由運(yùn)動(dòng) 的平均路程。（2）、載流子的漂移運(yùn)動(dòng)The Scattering of Carriers載流子在電場(chǎng)作用下不斷加速 理想情況 （無(wú)散射） 在外電場(chǎng)作用下，實(shí)際上，載流子的運(yùn)動(dòng)是： 熱運(yùn)動(dòng)+漂移運(yùn)動(dòng) 單位時(shí)間內(nèi)一個(gè)載流子被散射的次數(shù) 電流 散射幾率 P The Scattering of Carriers2、半導(dǎo)體的主要散射機(jī)構(gòu)電離雜質(zhì)散射 晶格振動(dòng)散射 等同能谷間的散射 中性雜質(zhì)散射 位錯(cuò)散射 載流子與載流子間的散射The Scattering of Carriers散射的概念半導(dǎo)體內(nèi)部的大量載流子，在作永不停息地、無(wú)規(guī)則的

5、熱運(yùn)動(dòng)；載流子不斷地與熱振動(dòng)著的晶格原子或雜質(zhì)原子發(fā)生作用或碰撞，碰撞后的速度大小及方向就發(fā)生改變；The Scattering of Carriers 載流子在兩次散射之間才真正是自由運(yùn)動(dòng)的。其連續(xù)兩次散射間自由運(yùn)動(dòng)的平均路程稱為平均自由程，而平均時(shí)間稱為平均自由時(shí)間。The Scattering of Carriers半導(dǎo)體中的散射機(jī)構(gòu): 散射的根本原因可以認(rèn)為是由于多種原因產(chǎn)生的附加勢(shì)場(chǎng)，破壞了周期性勢(shì)場(chǎng)，使能帶中的電子在不同狀態(tài)k間躍遷 。The Scattering of Carriers產(chǎn)生附加勢(shì)場(chǎng)的原因： 電離雜質(zhì)的散射：電離施主或受主周圍形成一個(gè)庫(kù)侖勢(shì)場(chǎng) 晶格振動(dòng)的散射 其它散

6、射因素： 等同的能谷間散射 未電離中性雜質(zhì)散射 位錯(cuò)散射 載流子之間散射 The Scattering of Carriers1）電離雜質(zhì)散射（即庫(kù)侖散射）散射幾率PiNiT-3/2 （Ni：為雜質(zhì)濃度總和）The Scattering of CarriersThe Scattering of Carriers2）晶格振動(dòng)散射有N個(gè)原胞的晶體 有N個(gè)格波波矢q 一個(gè)q=3支光學(xué)波(高頻)+3支聲學(xué)波(低頻) 振動(dòng)方式: 3個(gè)光學(xué)波=1個(gè)縱波+2個(gè)橫波 3個(gè)聲學(xué)波=1個(gè)縱波+2個(gè)橫波 格波的能量效應(yīng)以ha為單元 聲子The Scattering of Carriers晶格振動(dòng)散射晶格振動(dòng)：格點(diǎn)原

7、子在平衡位置做微振動(dòng)： q和為振動(dòng)格波的波矢量和角頻率低的格波稱為 聲學(xué)波，頻率高的稱為光學(xué)波。一般地，如晶體中含N個(gè)晶胞，每個(gè)晶胞有n個(gè)原子，則：晶體振動(dòng)共有：N個(gè)波矢； 3nN個(gè)振動(dòng)頻率； 3N支聲學(xué)波； 3N(n-1)支光學(xué)波。The Scattering of Carriers 格波的速度（相速度）為 : 由于晶格結(jié)構(gòu)的周期性，頻率v的格波的能量是量子化的，格波的能量以=hv為單元。把格波的能量量子稱為聲子 The Scattering of Carriers聲學(xué)波散射: 能帶具有單一極值的半導(dǎo)體中起主要散射作用的是長(zhǎng)波，也就是波長(zhǎng)比原子間距大很多倍的格波。 縱波在散射中起主要作用。長(zhǎng)

8、縱聲學(xué)波傳播時(shí)會(huì)造成原子分布的疏密變化；禁帶寬度隨原于間距變化，疏處禁帶寬度減小、密處增大。引起能帶極值的改變。處于導(dǎo)帶底或價(jià)帶頂?shù)碾娮踊蚩昭?，在半?dǎo)體的不同地點(diǎn)，其能量就有差別?？v波引起的能帶起伏，對(duì)載流子如同附加勢(shì)場(chǎng)的作用，對(duì)電子產(chǎn)生散射作用。橫聲學(xué)波要引起一定的切變，對(duì)具有多極值、旋轉(zhuǎn)橢球等能面的鍺、硅來(lái)說(shuō)，也將引起能帶極值的變化。The Scattering of Carriers光學(xué)波散射: 離子性半導(dǎo)體中，長(zhǎng)縱光學(xué)波有重要的散射作用。每個(gè)原胞內(nèi)正負(fù)離子振動(dòng)位移相反，正負(fù)離子形成硫密相間的區(qū)域，造成在一半個(gè)波長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)帶正電，另一半個(gè)波長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)帶負(fù)電，將產(chǎn)生微區(qū)電場(chǎng)，引起載流子散射。 長(zhǎng)聲學(xué)波振動(dòng)，聲子的速度很小，散射前后電子能量基本不變，彈性散射 光學(xué)波頻率較高，聲子能量較大，散射前后電子能量有較大的改變，非彈性散射。The Scattering of Carriers縱光學(xué)波(a)和縱聲學(xué)波（b)示意圖特點(diǎn)：各向同性。 a、聲學(xué)波散射： PsT3/2 舉例：Ge、Si b、光學(xué)波散射： P oexp（hv/k0T）-1 舉例：GaAsThe Scattering of Carriers3)其它散射機(jī)構(gòu)（1）等同能谷間散射高溫下顯著 分類：A、彈性散射 B、非彈性散射 The Scattering of Carriers谷間 散射電子在等同能谷中從一個(gè)極值附近散