半导体物理 第四章 半导体的导电性2

1、第四章 半导体的导电性Electrical conduction of semiconductors重点： 迁移率(Mobility) 散射(Scattering mechanisms) 影响迁移率的本质因素 弱电场下电导率的统计理论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，只有在连续两次散射之间的时间内才作加速运动，其平均值则称为载流子的平均自由时间，常用来表示.平均自由时间和散射几率的关系: 受到散射的电子 : 电子平均自由时间: 平均自由时间的数值等于散射几率的倒数:4.3 迁移率与杂质浓度and温度的关系 Temperature Dependence of Carr

2、ier Concentration and Mobility The Scattering of Carriers外电场作用下电子的平均漂移速度电子在两次散射期间作加速运动，第二次散射前的速度变： 电子平均速度变化即是漂移速度：The Scattering of Carriers电导率( )和迁移率( )与平均自由时间的关系:Temperature Dependence of Carrier Concentration and Mobility 电子迁移率: 空穴迁移率:n型半导体电导率: p型半导体电导率: 一般混合型半导体: The Scattering of Carriers 硅导电电子

3、导带极值有六个，等能面为旋转椭球面，椭球长轴方向沿，有效质量分别为mt和ml。不同极值的能谷中的电子，沿电场强度E方向x的迁移率不同。迁移率:电导有效质量: The Scattering of Carriers 对等能面为多极值半导体迁移率与有效质量的关系要稍复杂 :迁移率和杂质与温度关系迁移率和杂质与温度关系:The Scattering of Carriers 杂质浓度较低， 随温度升高迅速减小，晶格散射起主要作用； 杂质浓度高， 下降趋势不显著，说明杂质散射机构的影响为主。当杂质浓度很高时，低温范围内，随温度升高，电子 缓慢上升，直到很高温度(约550K左右)才稍有下降，这说明杂质散射起

4、主要作用。晶格振动散射与前者比影响不大，所以 随温度升高而增大；温度继续升高后，又以晶格振动散射为主，故 随温度下降。The Scattering of Carriers有多种散射机构同时存在时：散射几率为各散射机构之和: Temperature Dependence of Carrier Concentration and Mobility 补偿杂质半导体中的载流子密度为两者差，但迁移率决定于两种载流子之和。Temperature Dependence of Carrier Concentration and Mobility Temperature Dependence of Carrie

5、r Concentration and Mobility Temperature Dependence of Carrier Concentration and Mobility Temperature Dependence of Carrier Concentration and Mobility 这是Ge在300K下的电子迁移率和空穴迁移率示意图Temperature Dependence of Carrier Concentration and Mobility 电子迁移率空穴迁移率4.4 电阻率及其与杂质浓度和温度的关系Temperature Dependence of Resitiv

6、ity and Impurity Concentration 电阻率及其与杂质浓度和温度的关系: 电阻率与迁移率：The Scattering of Carriers电阻率和杂质浓度的关系： 轻掺杂时，室温下杂质全部电离，半导体中载流子浓度近似等于杂质浓度，随杂质的变化不大而认为是常数。所以电阻率与杂质浓度成简单反比关系，杂质浓度越高电阻率越小，在坐标中两者近似为直线 重掺杂时，当杂质浓度增高，电阻率和杂质浓度对数曲线会明显偏离直线，原因： 一：杂质在室温下不能全部电离，重掺杂简并半导体中情况更加明显 二： 随杂质浓度的增加会显著下降 本征半导体中载流子浓度随温度上升而快速增加，其电阻率随温度

7、增加而单调地下降（半导体区别于金属的一个重要特征） 杂质半导体，有杂质电离和本征激发两个因素存在，又有电离杂质散射和晶格散射等散射机构的存在，因而电阻率随温度的变化关系较复杂。电阻率随温度的变化 :AB段：温度很低，本征激发可忽略，载流子主要由杂质电离提供它随温度升高而增加；散射主要电离杂质决定、迁移率随温度升高而增大，电阻率随温度升高而下降； BC段：温度继续升高（包括室温），杂质全都电离，本征激发不显著，载流子基本上不随温度变化，晶格振动散射为主，迁移率随温度升高降低，电阻率随温度升高而增大；杂质样品的电阻率和温度的关系曲线大致分为三段 ：C段： 温度很高时，本征激发为主，本征载流子的产生

8、远超过迁移率减小对电阻率的影响，半导体的电阻率将随温度的升高而急剧地下降，表现出同本征半导体相似的特征。杂质浓度越高，进入本征导电占优势的温度越高，材料的禁带宽度越大，进入本征导电的温度也越高 。 根据载流子在电场中的加速以及它们的散射概念，求出了在一定电场下载流子的平均漂移速度，从而得出电导率、迁移率与散射几率或平均自由时间的关系。但是这种分析过于简单，原因有以下两点：上述载流子输运理论的局限性： 计算中把平均自由时间看作个常数，应是载流子速度的函数，没有考虑载流子速度的统计分布和载流子热运动速度的区别，需对具有不同热运动速度的载流子的漂移速度求统计平均值，才能得出精确的结果。 计算中假设散

9、射后的速度完全无规则，即散射后载流子向各个方向运动的几率相等。这只适用于各向同性的散射对纵声学波和纵光学波的散射确实是各向同性的但是电离杂质的散射则偏向于小角散射。所以精确计算还应考虑散射的方向性。下节介绍：较精确地计算半导体的电导率，为简单起见，仍限 于讨论各向同性的散射。 Temperature Dependence of Resitivity and Impurity ConcentrationTemperature Dependence of Resitivity and Impurity Concentration2.电阻率随温度的变化Temperature Dependence of Resitivity and Impurity Concentration(2.2)杂质半导体过渡区 Temperatur