半导体物理与器件

电导率和电阻率电流密度：

对于一段长为l，截面面积为s，电阻率为ρ的均匀导体，若施加以电压V，则导体内建立均匀电场E，电场强度大小为： 对于这一均匀导体，有电流密度：I将电流密度与该处的电导率以及电场强度联系起来，称为欧姆定律的微分形式半导体的电阻率和电导率显然：电导率（电阻率）与载流子浓度（掺杂浓度）和迁移率有关问题：本征半导体的导电性（常温下）是否一定比掺杂半导体更差？其中σi是本征半导体的电导率，b=μn/μpσSi-min≈0.86σSi-I; σGaAs-min≈0.4σGaAs-I;右图所示为N型和P型硅单晶材料在室温(300K)条件下电阻率随掺杂浓度的变化关系曲线。电阻率和杂质浓度的关系右图所示为N型和P型锗、砷化镓以及磷化镓单晶材料在室温(300K)条件下电阻率随掺杂浓度的变化关系曲线。电阻率（电导率）同时受载流子浓度（杂质浓度）和迁移率的影响，因而电阻率和杂质浓度不是线性关系。对于非本征半导体来说，材料的电阻率（电导率）主要和多数载流子浓度以及迁移率有关。杂质浓度增高时，曲线严重偏离直线，主要原因：杂质在室温下不能完全电离迁移率随杂质浓度的增加而显著下降由于电子和空穴的迁移率不同，因而在一定温度下，不一定本征半导体的电导率最小。右图所示为一块N型半导体材料中，当施主杂质的掺杂浓度ND为1E15cm-3时，半导体材料中的电子浓度及其电导率随温度的变化关系曲线。电导率和温度的关系从图中可见，在非本征激发为主的中等温度区间内（即大约200K至450K之间），此时杂质完全离化，即电子的浓度基本保持不变，但是由于在此温度区间内载流子的迁移率随着温度的升高而下降，因此在此温度区间内半导体材料的电导率也随着温度的升高而出现了一段下降的情形。

当温度进一步升高，则进入本征激发区，此时本征载流子的浓度随着温度的上升而迅速增加，因此电导率也随着温度的上升而迅速增加。

而当温度比较低时，则由于杂质原子的冻结效应，载流子浓度和半导体材料的电导率都随着温度的下降而不断减小。电阻率和温度的变化关系：Tρ低温饱和本征低温下晶格振动不明显，本征载流子浓度低。电离中心散射随温度升高而减弱，迁移率增加杂质全部电离，载流子浓度不变；晶格振动散射起主要作用，随温度升高迁移率下降本征区，载流子浓度随温度升高而迅速升高，载流胆子的研漂移谱速度架饱和朴效应贤前边巡寿关于部迁移光率的导讨论裹一直尖建立糕在一佩个基橡础之裹上：弱场条件筋。即仰电场维造成汇的漂虫移速链度和坑热运构动速垫度相愚比较睛小，系从而叉不显著著改羊变载弄流子侄的平袖均自共由时腔间。横但在支强场修下，惊载流维子从益电场目获得铲的能散量较佳多，灿从而叛其速筑度（跟动量工）有丝式较大蹄的改叮变，拣这时肃，会价造成国平均陵自由释时间纳减小汉，散抹射增贿强，引最终聪导致蓬迁移糟率下水降，宾速度塘饱和暂。对诸于热丸运动卧的电修子：上述丸随机遗热运寄动能政量对咬应于女硅材乒料中姻电子诸的平永均热寨运动浴速度延为107cm雪/s；如咐果我啦们假岂设在睛低掺适杂浓暗度下哲硅材远料中鹿电子悠的迁俊移率所为μn=1两35淹0c惹m2/V办·s，则辱当外初加电纯场为75纳V/匆cm时，岂对应符的载界流子铲定向妇漂移语运动防速度疾仅为105cm嘱/s，只巾有平驻均热附运动维速度岔的百分熄之一。在弱场条件若下，哪载流都子的平均下自由芬运动决时间基本幅上由薄载流像子的热运提动速叹度决定义，不芽随电哄场的纽奉改变胀而发辞生变连化，瓶因此虹弱场划下载冷流子轮的迁筋移率孕可以捧看成蚊是一促个常锁数。烧当外伤加电胖场增邀强为7.峰5k偏V/川cm之后裂，对栽应的她载流蠢子定欧向漂江移运并动速棒度将嘉达到107cm抛/s，这院与载朵流子以的平吓均热俊运动蛙速度斩持平葬。此慎时，简载流态子的黎平均做自由远运动承时间祥将由虫热运鸣动速里度和结定向亿漂移有运动找速度渔共同撤决定析，因盗此载括流子询的平均业自由仇运动漂时间将随老着外氧加电鞠场的总增强蝇而不谜断下降，由片此导丙致载部流子锤的迁辆移率铸随着单外加眯电场甚的不侧断增些大而屠出现环逐渐颗下降玻的趋驶势，鱼最终挎使得锣载流妙子的估漂移镰运动骨速度盏出现饱和现象妖，即困载流俊子的毛漂移翼运动烈速度顾不再俗随着凯外加盒电场旺的增帝加而祝继续轮增大肤。简单招模型假设留载流直子在奖两次投碰撞革之间护的自鸟由路咸程为l，自例由时咳间为г，载芳流子血的运掘动速授度为v：在电响场作厌用下月：vd为电闹场中赏的漂位移速颜度，vth为热瓣运动悼速度缠。弱场徒：平均凤漂移走速度晌：较强唇电场柏：强电众场：∴平仔均漂向移速划度Vd随电烧场增盘加而幼缓慢汤增大速度踪蝶饱和右图室所示亿为锗得、硅明及砷嘱化镓拖单晶挺材料赴中电夫子和奏空穴咐的漂碌移运责动速牙度随凯着外兵加电棚场强林度的饱变化暖关系巩。迁移沉率和卷电场类的关毛系从上溪述载疗流子依漂移次速度兆随外像加电婚场的母变化港关系窄曲线再中可此以看右出，棒在弱场条件考下，贸漂移款速度磁与外宜加电贫场成线性变化死关系机，曲雾线的斜率就是砌载流浮子的迁移游率；而译在高悉电场依条件疾下，凤漂移做速度年与电备场之胳间的装变化厉关系彻将逐佩渐偏粉离低型电场限条件士下的母线性绕变化桃关系耍。以恶硅单翠晶材虎料中态的电贴子为街例，府当外渠加电维场增显加到30短kV茄/c口m时，座其漂鲁移速趴度将配达到饱和汇值，即肚达到107cm纱/s；当辅载流毫子的漂移贺速度出现项饱和友时，漂移碗电流减密度也将俗出现全饱和毛特性锈，即涛漂移条电流帝密度锁不再董随着姜外加泽电场始的进陷一步筒升高倒而增任大。堪对于砷化刑镓晶体导材料榴来说需，其猾载流已子的晶漂移叹速度阿随外捞加电辛场的蔬变化碰关系择要比钢硅和市锗单用晶材查料中银的情腿况复遍杂得湾多，嘴这主什要是甩由砷毙化镓死材料情特殊应的能带销结构所决迹定的谦。负微摊分迁你移率从砷惑化镓难晶体范材料看中电猎子漂裙移速志度随肌外加侧电场负的变什化关址系曲披线可爪以看捆出，粱在低径电场杯条件劲下，范漂移分速度军与外神加电来场成楼线性呈变化铃关系之，曲鱼线的斜率就是煮低电傻场下探电子区的迁移洁率，为85垃00政cm2/V添·s，这挪个数野值要央比硅村单晶巡寿材料应高出桌很多煎；随残着外务加电松场的泰不断迟增强阶，电讲子的江漂移俘速度猴逐渐石达到及一个鸡峰值验点，劫然后芝又开剂始下引降，滨此时雅就会刮出现途一段负微查分迁篮移率的区办间，批此效葡应又刃将导砌致负微议分电针阻特性遥的出形现。敌此特虫性可万用于鸟振荡拘器电庙路的摧设计席。殃负锁微分糟迁移面率效重应的犬出现夸可以遇从砷捞化镓灿单晶栋材料监的E-裂k关系犬曲线救来解翁释：雅低电韵场下蔬，砷贩化镓沃单晶郑材料院导带伤中的龟电子杰能量歼比较善低，近主要却集中驾在E-疤k关系稻图中权态密跃度有则效质酿量比死较小鬼的下卸能谷斧，mn*=粘0.序06礼7m0，因当此具猴有比臭较大菠的迁撤移率掘。当电待场比冈较强转时，色导带危中的谷电子址将被背电场固加速届并获膀得能厕量，赔使得伟部分挤下能滨谷中姥的电门子被六散射递到E-鞋k关系您图中迅态密骡度有色效质筝量比细较大钥的上古能谷笨，mn*=廊0.艘55厚m0，因光此这疤部分夕电子脑的迁蓄移率角将会仪出现稻下降档的情寄形，当这样发就会悼导致狐导带好中电蓬子的漏总迁燃移率挤随着序电场报的增眼强而乌下降绣，从棋而引寸起负微茅分迁隙移率和负微挂