半導(dǎo)體物理第四章教材

4.1載流子的漂移運(yùn)動(dòng)和遷移率4.2載流子的散射4.3遷移率和雜志濃度和溫度的關(guān)系4.4電導(dǎo)率4.5強(qiáng)電場(chǎng)下的效應(yīng)第四章半導(dǎo)體的導(dǎo)電性電子器件是通過(guò)載流子的輸運(yùn)實(shí)現(xiàn)信息的處理和存儲(chǔ)的，因此，了解載流子的輸運(yùn)規(guī)律（漂移和擴(kuò)散）是研究半導(dǎo)體器件性能的基礎(chǔ)。重點(diǎn)：

遷移率(Mobility)

散射(Scatteringmechanisms)

——影響遷移率的本質(zhì)因素漂移電流與擴(kuò)散電流弱電場(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)遷移率重點(diǎn):

漂移運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)遷移率2一、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)3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，其漂移速度應(yīng)越來(lái)越大。結(jié)論4實(shí)際中，見(jiàn)到：在理想周期性勢(shì)場(chǎng)作用下，載流子做自由運(yùn)動(dòng)。但任何破壞嚴(yán)格周期性勢(shì)場(chǎng)的因素都將使載流子遭受散射，從而使得載流子在電場(chǎng)作用下的加速運(yùn)動(dòng)的最大速度（漂移速度）受到限制。碰撞或散射，改變了粒子的速度特性--電子的微觀運(yùn)動(dòng)5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62、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7遷移率的意義：表征了在單位電場(chǎng)下載流子的平均漂移速度。它是表示半導(dǎo)體電遷移能力的重要參數(shù)。多子濃度決定電導(dǎo)率8同理，對(duì)p型半導(dǎo)體多子濃度決定電導(dǎo)率9T=300K時(shí)，低摻雜濃度下的典型遷移率值Si1350480GaAs8500400Ge3900190010例1：在一定溫度下，相同電阻率的n型Ge和Si半導(dǎo)體()，哪一個(gè)材料的少子濃度高？為什么？11對(duì)一般半導(dǎo)體12對(duì)本征半導(dǎo)體§4.2載流子的散射重點(diǎn)散射使遷移率減小散射機(jī)構(gòu)即各種散射因素13

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。特點(diǎn)：完全隨機(jī)的按照統(tǒng)計(jì)物理規(guī)律，電子的動(dòng)能滿足熱平衡時(shí)，由于電子的熱運(yùn)動(dòng)是完全隨機(jī)，故凈電流為零。在此過(guò)程中，將遭受各種散射。14平均自由程：連續(xù)兩次散射間自由

運(yùn)動(dòng)的平均路程。

15（2插）、漸載流春子的僵漂移紗運(yùn)動(dòng)16在外業(yè)電場(chǎng)被作用澇下，節(jié)實(shí)際例上，潮載流見(jiàn)子的行運(yùn)動(dòng)探是：熱運(yùn)愚動(dòng)+真漂移瞞運(yùn)動(dòng)電流I散射智幾率P散射褲幾率個(gè)：?jiǎn)螖U(kuò)位時(shí)訂間內(nèi)段一個(gè)兩載流股子被塊散射薯的次撞數(shù)172、溫半導(dǎo)哲體的禿主要侄散射認(rèn)機(jī)構(gòu)電離要雜質(zhì)型散射晶格割振動(dòng)棉散射等同睛能谷悄間的蛛散射中性按雜質(zhì)崗散射位錯(cuò)失散射載流絞子與席載流幫子間扣的散旬射181）電離掙雜質(zhì)封散射（即腐庫(kù)侖穴散射推）散射左幾率Pi∝NiT-3幼/2Ni：為雜布質(zhì)濃垃度總澆和。192）晶格穴振動(dòng)唱散射有N個(gè)原砍胞的拐晶體滴有N個(gè)格訪波波溜矢q一個(gè)q=辰3支光損學(xué)波(高頻)+削3支聲宵學(xué)波(低頻)振動(dòng)哈方式:3個(gè)光僻學(xué)波=1個(gè)縱邪波+2個(gè)橫灰波3個(gè)聲弦學(xué)波=1個(gè)縱榴波+2個(gè)橫漫波格波龜?shù)哪苊髁啃虘?yīng)以hνa為單昌元聲子20晶格探振動(dòng)勤散射紗特點(diǎn)淡：各金向同捐性。a、聲學(xué)鋤波散矛射：Ps∝T3/瞞2舉例：Ge麗、S裕ib、光學(xué)勝波散自射：Po∝[孕ex原p（葬hv統(tǒng)/k0T）巧]-1舉例：Ga獻(xiàn)As213)其它危散射蔽機(jī)構(gòu)（1齡）等棉同能歲谷間腿散射——高溫趣下顯銹著谷間橋散射：電子紙?jiān)诘缺馔軘」手袩囊煌苽€(gè)極叉值附語(yǔ)近散射到傳另一身個(gè)極槍值附秀近的怨散射練。分類賄：A、彈性宴散射B、非彈建性散堵射22（2局）中榨性雜盜質(zhì)散雙射——在低永溫下蘆重?fù)酱嚯s半毅導(dǎo)體中典發(fā)生.（3丈）位鳴錯(cuò)散隸射——位錯(cuò)惠密度>1獸04cm-2時(shí)發(fā)生具種有各誤向異讓性的繼特點(diǎn).（4開(kāi)）載流醫(yī)子與鼓載流牲子間番的散鍵射——在強(qiáng)秤簡(jiǎn)并永下發(fā)畝生23§4.3獸遷惕移率窗與雜傷質(zhì)濃睛度和究溫度值的關(guān)今系242526電子頂在電是場(chǎng)的閘作用所下（虹沿電鑄場(chǎng)反享方向悼）定廳向運(yùn)印動(dòng)，陡這種謎運(yùn)動(dòng)君就叫零漂移換運(yùn)動(dòng)皆。EcEvEFE散射27遷移異率與雞有效江質(zhì)量給的關(guān)匪系：傾對(duì)等備能面襯為旋呆轉(zhuǎn)橢囑球面火的多吹極值器半導(dǎo)述體，鐮沿晶指的不篇同方劈燕向有摔效質(zhì)漿量不果同，襖故28為電桂導(dǎo)遷坡移率上，遷大移率號(hào)與有課效質(zhì)秧量的墨關(guān)系異應(yīng)表晉征為mc為電捐導(dǎo)有裝效質(zhì)妹量：結(jié)論貿(mào)：對(duì)鮮多能關(guān)谷半元導(dǎo)體溝，遷賴移率攝中的有效代質(zhì)量俗應(yīng)采相用電麗導(dǎo)有第效質(zhì)賠量29對(duì)于座電子敘和空選穴，勸如設(shè)用兩者平均珠自由享時(shí)間億相同根，303132Si在3雄00K下的電子畜遷移得率和空穴加遷移婆率電子?jì)D的遷陸移率壺大于塌空穴社的遷姿移率占，是毀因?yàn)榍f電子棋的有浙效質(zhì)吹量小箭于空戚穴的僚有效牌質(zhì)量池。因此艘，提仇高載維流子可的遷死移率君的主絮要方外法有路：（1歇）減間小有破效質(zhì)投量（蠻改變伍能帶執(zhí)結(jié)構(gòu)除）（2廈）減緞小散朝射幾綢率33重?fù)侥╇sSi的空用穴遷感移率231Nii-m電離失雜質(zhì)雀散射私占主握導(dǎo)晶格躲振動(dòng)絡(luò)散射妻占主熄導(dǎo)T34§4番.4鴿電束阻率踩及其茶與雜皆質(zhì)援濃辰度和蟻溫度周的關(guān)篩系3536372.耗電阻艇率隨稱溫度害的變精化38(2保.2辣)雜羨質(zhì)半腥導(dǎo)體雜質(zhì)捷離化腹區(qū)糟過(guò)渡驢區(qū)唱高餡溫本舒征激該發(fā)區(qū)部分墊電離胸區(qū)集非懇本征裙區(qū)啄本征謹(jǐn)區(qū)39例判題使講解例2或：證走明當(dāng)紛且逼電子的濃度恒和盟空穴鏡濃度網(wǎng)時(shí)，陜材料南的電及導(dǎo)率寺最小弟，并白求餡的筍表達(dá)套式。證明售一：4142根據(jù)扁柯西午不等蒼式，患當(dāng)a=蘿b時(shí)，所以43證明李二：例3停：分別苦計(jì)算坑摻有城下列訴雜質(zhì)匹的Si誕，在室暢溫下預(yù)的載宵流子振濃度拉、遷爬移率五和電肥導(dǎo)率伏：（1卵）2恰×1企015cm-3的B；（2喬）2×湖1015cm-3的B+佛3×1化015cm-3的P。解:(拴1)在室左溫下NA=2×爐1015cm-3>1帖0ni故雜辯質(zhì)全郊電離薦,有p0=末NA=2×瓜1015cm-3所以n0=ni2/鬼p0=(闊1.抱5×1父010)2/2×遣1015=1淡.1選25×1惰05(cm-3)44由Ni=曲NA=2×恐1015cm-3查圖化4-債14明得到45在室貓溫下ND*=扭ND-NA=1×1防015cm-3>1傾0ni故雜格質(zhì)全妨電離張,有n0=妄ND*=張1×1宗015cm-3所以p0=ni2/n熄p0=(躁1.挪5×1哀010)2/1×1積015=2脆.2瞇5×1厭05(cm-3)46由Ni=濃NA+徐ND=伐5×1過(guò)015cm-3查圖姜4-版14甚得到47答：（1漏）在室利溫下背的載裝流子喘濃度旨分別舊是p0=2×文1015cm-3和n0=1茄.1遙25×1續(xù)05(cm-3);事空穴嚼和電熱子遷媽移率唇分別柜是4悶40cm2/V筑s和1忽20釣0cm2/V炭s,電導(dǎo)狀率為任.（2茶）在室芒溫下躲的載蒙流子選濃度掩分別婆是n0=1.搭0×問(wèn)1015cm-3和p0=2趣.2戒5×1航05(cm-3);基空穴犯和電痕子遷販移率把分別畝是4弱20cm2/V浴s和1梁80乏0cm2/V枕s,電導(dǎo)染率為悠.48§4執(zhí).5熱波些爾茲騎曼方累程炕電導(dǎo)普率的盞統(tǒng)計(jì)梢理論重點(diǎn)：分布猛函數(shù)f滿足撲的方懂程49fB：熱平叔衡狀室態(tài)下紹的分室布函輪數(shù)50f=茫f（芹k，習(xí)r，玩t）黑：非平共衡態(tài)簡(jiǎn)的分揮布函恰數(shù)影響感分布牽函數(shù)材的因系素：（1寶）外賀場(chǎng)——漂移（2聰）散燃射機(jī)蘿構(gòu)——散射1、寬Bo摟lt量zm堤an路n方程5152因此脅，得爽到非誦平衡俊態(tài)下Bo霞lt愁zm酬an雅n方程送的一假般形珠式：53討論勾：54552、桑馳豫拔時(shí)間卵近似穩(wěn)定魄狀態(tài)直時(shí)，瓣如果耍分布忘函數(shù)f與平侮衡時(shí)脖的f0偏離微不大步，則由萍（4設(shè)）所捐作的弄近似欲描述欣的由商非平鞋衡態(tài)劑向平韻衡態(tài)遙恢復(fù)堆的過(guò)泉程就脂稱為憐馳豫默時(shí)間鑼近似徹。完臂成馳僚豫過(guò)堆程所毛需要磨的時(shí)蒸間就果叫馳殺豫時(shí)逆間563、市弱場(chǎng)權(quán)近似匆下遷翅移率焰的統(tǒng)勾計(jì)表銜達(dá)式575859§4簽.6牧強(qiáng)電和場(chǎng)下有的效害應(yīng)段熱對(duì)載流捆子（箱自學(xué)軟）速度耗隨電桃場(chǎng)線形齒變化的關(guān)壓系只司在弱場(chǎng)下成夕立。鄰其成現(xiàn)立條減件是放：受綿電場(chǎng)絹加速奏的載繞流子躺仍然耗能與踏晶格援處于咸熱平端衡。高場(chǎng)下，餡載流倡子從含電場(chǎng)脂中獲