硅電阻率隨摻雜影響課件

摻雜對硅的電阻率的影響一、電阻率和雜質(zhì)濃度的關(guān)系二、電阻率隨溫度的變化硅電阻率隨摻雜影響電阻率：物質(zhì)的電阻與橫截面積的乘積與長度的比值

國際制單位是歐姆米，常用單位是“歐姆·厘米”電阻率是導(dǎo)體材料本身的電學(xué)性質(zhì)，與溫度有關(guān)。電阻率2個決定性因素1.載流子濃度

即電流載體的濃度，

半導(dǎo)體中有兩種載流子：

電子和空穴。2.遷移率

指單位電場強度下所產(chǎn)生的載流子平均飄逸速度；代表載流子導(dǎo)電能力的大小。硅電阻率隨摻雜影響載流子濃度載流子遷移率2個有關(guān)因素雜質(zhì)濃度溫度硅電阻率隨摻雜影響1.電阻率和雜質(zhì)濃度的關(guān)系①雜質(zhì)濃度較低時1016~1018cm-3

電阻率與雜質(zhì)濃度成反比關(guān)系，

即雜質(zhì)濃度越高，電阻率越小。②雜質(zhì)濃度較高時

雜質(zhì)在室溫下不能全部電離，在重?fù)诫s的簡并半導(dǎo)體中情況更加嚴(yán)重；

遷移率隨著雜質(zhì)濃度的增加明顯下降硅電阻率隨摻雜影響硅電阻率隨摻雜影響2.電阻率隨溫度的變化關(guān)系①對純半導(dǎo)體材料

純半導(dǎo)體材料的電阻率主要由本征載流子濃度ni決定。

ni隨溫度的上升而急劇增加。

在室溫附近，溫度每增加8℃，硅的ni會增加一倍，此時遷移率稍微下降，電阻率因此增加一半左右。②對雜志半導(dǎo)體材料

存在雜質(zhì)電離和本征激發(fā)

兩個因素

存在電離質(zhì)散射和晶格散射

兩種散射機構(gòu)的存在硅電阻率隨摻雜影響電阻率溫度ABCAB段溫度較低，本征激發(fā)可以忽略，載流子主要由雜質(zhì)電離提供，隨溫度的升高而增加；散射主要由電離雜質(zhì)決定，遷移率也隨著溫度升高而增大，所以，電阻率隨著溫度的升高而降低。BC段溫度繼續(xù)升高到雜質(zhì)全部電離時，載流子不隨溫度而改變。晶格的振動散射上升為主要矛盾，此時遷移率隨溫度升高而降低，所以，電阻率隨著溫度的升高而升高。C段本征激發(fā)成為主要矛盾，雜質(zhì)半導(dǎo)體的電阻率隨溫度的升高而急劇下降。但溫度高到本征導(dǎo)電起主要作用時，一般器件就不能正常工作。硅電阻率隨摻雜影響量子霍爾效應(yīng)一、調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)和二維電子氣二、實現(xiàn)只填充最低子帶的條件三、朗道能級和實現(xiàn)量子霍爾效應(yīng)的條件四、二維電磁輸運和量子霍爾效應(yīng)硅電阻率隨摻雜影響一、調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)和二維電子氣異質(zhì)結(jié)：兩種不同半導(dǎo)體相接觸所形成的界面區(qū)域。半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)是許多微電子器件和光電子器件的工作基礎(chǔ)如果異質(zhì)結(jié)的兩邊摻雜情況不同，則異質(zhì)結(jié)的性質(zhì)也將不同。調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)是指在一邊摻雜、另一邊不摻雜的異質(zhì)結(jié)。二維電子氣：如果三維固體中電子的運動在某一個方向(如z方向)上受到阻擋(限制),那么,電子就只能在另外兩個方向(x、y方向)上自由運動,這種具有兩個自由度的自由電子就稱為二維電子氣（2-DEG）。2-DEG是許多場效應(yīng)器件（例如MOSFET、HEMT）工作的基礎(chǔ)。硅電阻率隨摻雜影響調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)一般用分子束外延法生長，結(jié)構(gòu)如下圖。n階的Ga0.68Al0.32As/GaAs能隙比GaAs能隙寬，主要在導(dǎo)帶形成300meV的臺階；Ga0.68Al0.32As/GaAs中導(dǎo)帶的電子勢必將流入GaAs，從而在界面形成空間電荷區(qū)及三角形勢壘。硅電阻率隨摻雜影響二、實現(xiàn)只填充最低子帶的條件為提供量子霍爾實驗的條件，首先應(yīng)保證電子只限于最低子帶。假使電子過多，進(jìn)入較高的子帶，將使實驗結(jié)果是幾個子帶的疊加，造成分析困難。故在制備樣品時要控制載流子數(shù)目。利用態(tài)密度公式m*/πh，可知在最低子帶ε0

與上一個子帶ε1之間的狀態(tài)數(shù)為m*（ε1-ε0

）/πh2

，那么單位界面上電子數(shù)目為硅電阻率隨摻雜影響三、朗道能級和實現(xiàn)量子霍爾效應(yīng)的條件在xy平面上電子是自由運動的，加垂直磁場B后，軌道將量子化形成朗道能級。這種改變可以看作是量子態(tài)的一種改組，在改組中，量子態(tài)的總數(shù)是不變的。朗道能級是高度簡并的。整數(shù)量子霍爾效應(yīng)，對應(yīng)于電子填充一個、兩個、三個……朗道能級。硅電阻率隨摻雜影響四、二維電磁輸運和量子霍爾效應(yīng)在垂直磁場下，二維輸運在線性范圍的普遍表示式為：由于方程對繞B轉(zhuǎn)動任意角度的變換保持不變，很容易證明：硅電阻率隨摻雜影響量子霍爾效應(yīng)（quantumHalleffect）是量子力學(xué)版本的霍爾效應(yīng)，需要在低溫強磁場的極端條件下才可以被觀察到，此時霍爾電阻與磁場不再呈現(xiàn)線性關(guān)系，而出現(xiàn)量子化平臺?；魻栃?yīng)的發(fā)現(xiàn)定義了磁場和感應(yīng)電壓之間的關(guān)系。當(dāng)電流通過一個位于磁場中的導(dǎo)體的時候，磁場會對導(dǎo)體中的電子產(chǎn)生一個橫向的作用力，從而在導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電壓差。硅電阻率隨摻雜影響量子霍爾效應(yīng)的兩種形式（a）霍爾電阻ρxy與磁場B的關(guān)系假設(shè)n不變，改變磁場B，測量霍爾電阻在某些B值出現(xiàn)平臺，如圖11-29所示。平臺值是量子化的，精確地等于h/e2

的正整數(shù)分之一倍，其精度可達(dá)10-6以上。硅電阻率隨摻雜影響（b）霍爾電阻與外電壓VG的關(guān)系這類實驗是保持磁場B不變，通過加外電壓改變載流子的數(shù)目，一般這類實驗是在半導(dǎo)體MOS器件的反型層上進(jìn)行的，其典型現(xiàn)象類似上面實驗。在某些VG

處，霍爾電阻出現(xiàn)平臺，如圖所示，