半导体物理基础(3)

4.1.载流子的漂移（drift）运动半导体中的载流子在外场的作用下，作定向运动---漂移运动。相应的运动速度---漂移速度。漂移运动引起的电流---漂移电流。空穴电子漂移速度pndvvv::电场第4章半导体的导电性(ElectricalConductivity)1、drift(漂移)定性分析：迁移率的大小反映了载流子迁移的难易程度。载流子的平均自由时间载流子的有效质量,m可以证明：pppnnnmqmqmq2Mobility（迁移率）ddvv------迁移率单位电场下，载流子的平均漂移速度3影响迁移率的因素pppnnnmqmq不同材料，载流子的有效质量不同；但材料一定，有效质量则确定。对于一定的材料，迁移率由平均自由时间决定。也就是由载流子被散射的情况来决定的。半导体的主要散射（scatting）机构：*Phonon（lattice）scattering声子（晶格）散射*Ionizedimpurityscattering电离杂质散射*scatteringbyneutralimpurityanddefects中性杂质和缺陷散射*Carrier-carrierscattering载流子之间的散射*Piezoelectricscattering压电散射能带边缘非周期性起伏（1）晶格振动散射声学波声子散射几率：23TPs光学波声子散射几率：11~111)()(00021023TkhvTkhveTkhvfeTkhvPo（2）电离杂质散射电离杂质散射几率：23TNPII总的散射几率：P=PS+PO+PI+----总的迁移率：IOS1111主要散射机制电离杂质的散射：晶格振动的散射：ivT越易掠过杂质中心载格晶格散射晶格振动T温度对散射的影响轻掺杂时电离杂质散射可忽略迁移率4.2迁移率与杂质浓度和温度的关系1.迁移率~杂质浓度非轻掺杂时杂质浓度电离杂质散射2.迁移率与温度的关系轻掺：忽略电离杂质散射μ高温：晶格振动散射为主μT晶格振动散射μ非轻掺：低温：电离杂质散射为主T电离杂质散射T晶格振动散射4.3载流子的迁移率与电导率的关系(Mobility~Conductivity)RVI殴姆定律slRlV其中J:电流密度大小J即电导率外加电场漂移电流密度J-------殴姆定律的微分形式1.殴姆定律的微分形式的电荷量通过时间内dSdttt,dsdtnqvdQnnnnnqvJnqvdSdtdQ,ppnnvpqJvnqJ,那么pnJJJ总显然2.电流密度另一表现形式nnqn半导体型显然3.电导率与迁移率的关系pnpnpnpqnqvpqvnqvpqvnqJppqp半导体型pnpqnq半导体混合型pniqn本征半导体Ez电导迁移率电导有效质量ccm4.4电阻率与掺杂、温度的关系pnpqnq11pn,1.电阻率与杂质浓度的关系轻掺杂：μ~常数；n=NDp=NA电阻率与杂质浓度成简单反比关系。非轻掺杂｛μ：杂质浓度μρn、p：未全电离;杂质浓度n（p）ρ杂质浓度增高时，曲线严重偏离直线。原因2.电阻率与温度的关系μ：T电离杂质散射μρ*低温n（未全电离）：Tnρρμ：T晶格振动散射μρ*中温n（全电离）：n=ND饱和ρμ：T晶格振动散射μρ*高温n（本征激发开始）：Tnρρ例题例.室温下,本征锗的电阻率为47Ω·㎝，(1)试求本征载流子浓度。(2)若掺入锑杂质，使每106个锗中有一个杂质原子，计算室温下电子浓度和空穴浓度。（3）计算该半导体材料的电阻率。设杂质全部电离。锗原子浓度为4.4×/㎝3,μn=3600/V·s且不随掺杂而变化.31319pnipni1/cm102.517003600101.6471μμρq1nμμqnρ1解:3160316622/1104.4/1104.410104.4)2(cmNncmNDD31016213020/11042.1104.4105.2cmnnpicmΩ1043600101.6104.41qμn1ρ321916n0n4.5Hight-FieldEffects(强电场效应)1欧姆定律的偏离电场不太强时：ddvvμ与电场无关，欧姆定律成立。电场强到一定程度（103V/cm）后：μ与电场有关，欧姆定律不成立。dv平均漂移速度随外电场的增加而加快的速度变得比较慢。饱和漂移速度/极限漂移速度。电场很强时：平均漂移速度趋于饱和解释：*载流子与晶格振动散射交换能量过程*平均自由时间与载流子运动速度有关加弱电场时，载流子从电场获得能量，使载流子发射的声子数略多于吸收的声子数。但仍可认为载流子系统与晶格系统保持热平衡状态。加强电场时，载流子从电场获得很多能量，使载流子的平均能量比热平衡状态时的大，因而载流子系统与晶格系统不再处于热平衡状态。LeTTvlLdvvl*平均自由时间与载流子运动速度有关载流子平均热运动速度载流子平均漂移速度载流子Tdvvv)(constl平均自由程无电场时：Tvv平均自由时间与电场无关低电场时：Tvvd平均自由时间与电场基本无关强电场时：Tvvd平均自由时间由两者共同决定。dv与光学波声子散射载流子从电场获得的能量大部分又消失,故平均漂移速度可以达到饱和。极强电场时：4.3IntervalleyCarrierTransfer（能谷间的载流子转移）1IntervalleyScattering(能谷间散射）物理机制：从能带结构分析n1n2*Centralvalley*Satellitevalley中心谷：12310/105072.01nsVcmmm卫星谷：2220/10036.02nsVcmmm卫星能谷中电子的漂移远比中心能谷中电子的漂移慢.谷2（卫星谷）：E-k曲线曲率小m12212211nnnn1电场很低02n2电场增强21nn1nn21nnn3电场很强01n2nn2Negetivedifferentialconductance(负微分电导)在某一个电场强度区域，电流密度随电场强度的增大而减小。负的微分电导（negetivedifferentialconductance）。NDCdvnqEnqJ0阈电场（thresholdfield）对于GaAs：cmkV/30时样品厚度cmL31025GHz5振荡频率实验现象：3Gunneffect(耿氏效应)