半导体物理06省名师优质课赛课获奖课件市赛课一等奖课件

本章主要讨论半导体中载流子在外加电场作用下漂移运动，经过对载流子散射讨论，了解迁移率物理本质和半导体中载流子迁移率、电导率、电阻率随温度和杂质浓度改变规律。第四章半导体导电性主要半导体材料参数：禁带宽度，临界雪崩击穿电场强度，介电常数，载流子饱和速度以及载流子迁移率，载流子密度，少子寿命。第1页载流子漂移运动和迁移率

迁移率和电导率随温度和杂质浓度改变载流子散射强电场效应本章主要内容第2页一、欧姆定律微分形式§4.1载流子漂移运动和迁移率金属：—电子I并不能完全反应导体材料性能，尤其是在导体导电性不够均匀，各处电流分布不够一致情况下，经常使用电流密度这一概念。电流密度是指经过垂直于电流方向单位面积电流，即σ为材料电导率VLσIρS第3页欧姆定律微分表示式导体某处电流密度与材料在该处电导率及电场强度直接联络起来二、

漂移速度和迁移率漂移运动：电子在电场作用下做定向运动称为漂移运动。漂移速度：定向运动速度平均速度

第4页漂移电流

引入迁移率概念漂移电流与迁移率关系漂移电流密度迁移率是用来描述半导体中载流子在单位电场下运动快慢物理量，是描述载流子输运现象一个主要参数，第5页三、半导体电导率和迁移率半导体中有电子和空穴两种载流子，n、p随T和掺杂浓度改变而改变，所以σ随掺杂浓度和T改变。半导体在电场作用下：

与比较，可得：电导率μn和μp分别称为电子和空穴迁移率，单位：cm2/(V·s)第6页导电电子是在导带中，他们是脱离了共价键能够在半导体中自由运动电子；而导电空穴是在价带中，空穴电流实际上是代表了共价键上电子在价键间运动时所产生电流，所以在相同电场作用下，电子和空穴迁移率不一样。迁移率

单位电场作用下载流子取得平均速度，反应了载

流子在电场作用下输运能力。第7页表：本征半导体在温度为300K时，电子迁移率

μn和空穴迁移率μp

且迁移率随杂质浓度和温度改变而改变半导体材料

μn(cm2/v·s)μp(cm2/v·s)Ge

39001900Si

1350500GaAs8000100~300第8页高纯Si,GaAs和Ge中载流子漂移速度与外加电场关系第9页n型半导体P型半导体本征半导体电阻率与载流子浓度与迁移率相关，二者均与杂质浓度和温度相关。第10页在饱和电离区：N型：单一杂质：no=ND

赔偿型：no=ND－NA

P型：单一杂质：po=NA，赔偿型：po=NA－ND，第11页四、恒定电场下载流子漂移运动微观描述在有外加电场时，载梳子在电场力作用下作加速运动，漂移速度应该不停增大，因而电流密度将无限增大。不过欧姆定律指出，在恒定电场作用下，电流密度应该是恒定，岂非矛盾?载流子随机热运动示意图无外电场散射作用使全部载流子在两次散射之间积累起来动量化为零，即平均速度为零。导体和半导体中存在着能够随机改变载流子运动速度微观机构，即散射机构。第12页有外电场E外电场作用下电子漂移运动稳定外加电场作用下，散射原因使得载流子只能在有限时间

平均自由时间内受到电场加速而取得有限速度累积，产生一定平均漂移速度。第13页半导体中电子和空穴运动12341234电场E1234无外场条件下载流子无规则热运动外场条件下空穴热运动和定向运动外场条件下电子热运动和定向运动第14页描述散射物理量

散射概率Ｐ：单位时间内一个载流子受到散射次数平均自由时间：连续两次散射之间自由运动时间平均值平均自由程经典值为10-5cm，平均自由时间则约为1微微秒(ps,即10-5cm/vth≈10-12s）。平均自由程：连续两次散射之间自由运动平均旅程。

第15页1、平均自由时间连续两次散射之间自由运动平均时间。设

1为第一次散射时间，

2…,

N为第N次散射时间平均自由时间

为:平均自由程：连续两次散射之间自由运动平均旅程。在t=0时，有Ｎ0个电子以速度v运动，N(t)为在t时刻未受散射电子数目，则在t～t+

t间隔内受散射电子数：第16页△t→0，在dt内，受到第一次散射电子数为：它们自由运动时间均为t它们自由时间总和为：第17页即：散射平均自由时间等于散射概率倒数。平均自由时间为：2、平均漂移速度t=0第18页对t～t+dt时间内受到散射电子速度之和对全部电子求平均：半导体中载流子迁移率决定载流子本身有效质量大小和散射机构作用强弱。第19页电子迁移率

空穴迁移率

第20页(1)单极值半导体材料(2)多极值半导体材料电子有效质量各向异性导带多能谷半导体，因为不一样能谷中电子沿同一电场方向有效质量不一样，所以迁移率与有效质量关系要稍复杂些。me*<mP*,μn>μP第21页001100xz010y纵向ml←Ex如：Si导带极值有六个，等能面为旋转椭球，长轴方向有效质量，短轴。设电场沿x轴方向。[100]能谷电子：x方向[010]能谷电子：[001]能谷电子：设电子浓度为n，则每个能谷中单位体积内电子为n/6,总电流密度：第22页第23页硅ml=0.98m0，mt=0.19m0，所以mc=0.26m0。砷化镓等材料含有各向同性电子有效质量，惯用半导体空穴有效质量普通按各向同性对待，均不存在上述问题。mdn为导带底电子态密度有效质量第24页3、各种散射机构同时起作用时迁移率总平均自由时间则为第25页对Si、Ge主要散射机构是声学波散射和电离杂质散射对于GaAs，光学波散射也很主要：第26页§4.2载流子散射一、散射物理本质半导体中载流子运动作为一个在晶格周期势场中传输波，周期势场任何永久和暂时改变都会引发载流子运动状态改变。晶格周期势场对其理想状态任何偏离即组成对载流子散射机构。把周期势场改变看成是在周期势场上叠加一个附加势场∆V。附加势场∆V引发能带中电子在不一样k状态间跃迁。也就是说，原来沿某一个方向以v(k)运动电子，附加势场能够将它散射到其它某个方向，改为以速度v(k´)运动。第27页当有外电场时，首先载流子沿电场方向定向运动，另首先，载流子仍不停地遭到散射，使载流子运动方向不停地改变。在外电场力和散射双重作用下，载流子以一定平均速度沿力方向漂移，形成了电流，而且在恒定电场作用下，电流密度是恒定。无外加电场有外加电场第28页最主要两种散射机制：影响迁移率原因：晶格散射(latticescattering)杂质散射(impurityscattering)。第29页二、散射机构1.电离杂质散射低温、掺杂浓度高电离杂质在它周围邻近地域形成库仑场，其大小为：Z—电离杂质电荷数r—载流子与离子距离+–V′V′VV电离施主散射电离受主散射电离杂质散射示意图电子空穴第30页Ni大，受到散射机会多T大，平均热运动速度快，可较快擦过杂质离子，偏转小，不易被散射Ni指全部电离杂质，不分极性，所以Ni=ND＋NA。平均自由时间第31页2.晶格振动散射晶体中原子振动由若干不一样基本波动按照波叠加原理组合而成，这些基本波动称为格波。波矢q作为表示格波基本参数│q│=1/

对于同一波矢，能够有三种不一样振动形式：纵波L、横波T1

、横波T2格波依据相邻原子在振动过程中相对位移方式不一样分为声学波和光学波两种模式（mode）。

大多数半导体原胞中含有两个原子。振动中同一原胞两个原子沿同一方向运动，即原胞质心跟原子一起振动叫声学波；振动中两个原子运动方向相反，即原胞质心不动叫光学波。第32页光学波—频率

高，相邻两个原子振动方向相反；声学波—频率低，相邻两个原子振动方向相同；纵波—波传输方向与原子振动方向平行；横波—波传输方向与原子振动方向垂直；第33页每一个原胞中有一个原子，有三支声学波，无光学波每一个原胞中有2个原子，则有三支声学波，三支光学波若一个原胞中有n个原子，则有3n支声学波，3（n-1）支是光学波

同一波矢q，能够有六种波：TA1TA2LATO1TO2LON个原胞组成晶体，q有N个不同取值，共

有6N个不一样格波横纵光学波声学波纵横长波

q[110]格波频率：第34页EcEv晶格原子热振动造成势场周期性遭到破坏，相当于增加了一个附加势理想晶格原子排列以一定模式振动晶格原子晶格原子振动以格波来描述。格波能量量子化，格波能量改变以声子为单位。电子和晶格之间作用相当于电子和声子碰撞。第35页（1）格波与声子：

在固体物理中，把晶格振动看作格波，格波分为声学波（频率低）和光学波（频率高）。

频率为

a格波，它能量只能是量子化，把格波能量量子称为声子。声子能量为：

电子或空穴被晶格散射，就是电子和声子碰撞，且在这个相互作用过程中恪守能量守恒和准动量守恒定律。则载流子受晶格振动散射

载流子与声子相互作用，把能量为（n+1/2）h

a格波描述为n个属于这一格波声子。当格波能量降低一个h

a时，就称作湮灭一个声子；增加一个h

a时，产生一个声子。

第36页电子和声子碰撞恪守动量守恒和能量守恒。“+”吸收一个声子“-”发出一个声子若散射前后，电子波矢大小近似相等，则单声子过程：散射前电子波矢

，能量E，散射后，电子波矢

，能量E，则：′第37页室温下，电子热运动速度约为105m/s，由hk=mnv可预计电子波波长约为λ＝1/k＝h/mnv≈10-8m。当电子和声子相互作用时，依据准动量守恒，声子动量应和电子动量具同数量级，即格波波长范围也应是10-8m。晶体中原子间距数量级为10-10m，因而对电子起主要散射作用是波长在几十个原子间距以上长波。第38页声学波尤其是长声学波声子能量较小，吸收或发射长声学声子散射对电子能量改变不大，这种散射称为弹性散射；光学声子能量较大，吸收或发射光学声子散射对电子能量改变较大，这种散射称为非弹性散射。（2）声学波散射（弹性散射）横声学波起主要作用是长纵声学波。长波即波长比原子间距大很多倍格波。平衡时○○○○○○○○○○波传输方向振动时第39页平衡时••••••••••振动方向→←振动方向12345678910••••••••••疏密疏波振动

纵声学波•→←•第40页膨胀状态--原子间距增大压缩状态—原子间距减小纵声学波示意图第41页ABEcEv导带禁带价带Eg长纵声学波经过对点阵原子疏密状态周期改变引入附加周期势场而对电子产生散射。第42页纵声学波→原子疏密改变→Eg改变→附加势→形变势→电子从k态改变到k′态。纵声学波散射几率Ps与温度关系为：（3）光学波散射（非弹性散射）长纵光学波起主要散射作用，尤其是对含有离子键特征Ⅲ－Ⅴ族，Ⅱ－Ⅵ族化合物．

第43页平衡时••••••••••振动方向←°•→←•°→

振动方向12345678910•••••••••••疏•密•疏°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°密°疏°密－+－

第44页平衡状态第45页+++-++++--+++---+----+---+++-++++--++++++-++++--+++---+----+---+-+-+纵光学波离子晶体极化场正离子密区和负离子疏区相结合，从而造成半区带正电，半区带负电，形成附加电场，对载流子有一附加势场作用。第46页纵光学波散射几率Po:Ｔ，光学波散射几率增大

格波散射几率Pc

纵长波对载流子散射起较大作用，这是因为纵长波能使原子间距发生改变。而横波并不能引发纵向间距改变，对载流子散射影响不大。如同跨栏比赛，栏间距对选手影响大，而栏高度影响不太大。第47页对原子晶体：主要是纵声学波散射；对离子晶体：主要是纵光学波散射。低温时，主要是电离杂质散射；高温时，主要是晶格散射。第48页3.其它原因引发散射（1）谷内散射和谷间散射硅能带含有六个极值能量相等旋转椭球等能面，载流子在这些能谷中分布相同，这些能谷称为等同能谷。电子能够从一个极值附近散射到另一个极值附近，这种散射称为能谷散射。电子在一个能谷内部散射准动量和能量改变小，长声学波散射谷间散射：电子波矢从一个能谷到另一个波矢改变较大，hk2-hk1=hq,所以普通要吸收或发射短波声子。第49页因为等价谷间散射能量改变不大，而短波声子，即便是短波声学声子能量也比较大，因而等价谷间散射会伴随长波光学声子发射，而不等价谷间散射因为能量改变也大，所以只吸收或发射短波声学声子或短波光学声子。谷间散射分等价谷间散射不等价谷间散射（２）中性杂质散射

当掺杂浓度很高，温度比较低时，杂质没有全部电离，这种没有电离中性杂质对周期性势场有一定微扰作用，而引发散射。第50页（3）位错散射

位错处，共价键不饱和，易于俘获电子或空穴，位错线周围形成了一个圆柱形带正电空间电荷区（带负电），正电荷是电离了施主杂质，在圆柱形内形成电场，对载流子有附加势场，受到散射。试验表明，当位错密度低于104cm-2时，位错散射并不显著，但对位错密度很高材料，位错散射就不能忽略。

（4）合金散射

AlxGa1-xAs中，As占据一套面心立方，Al、Ga占据一套面心立方，但Al、Ga两种不一样原子在Ⅲ族位置上排列是随机，对周期性势场产生一定微扰作用，因而引发对载流子散射作用，称为合金散射。

合金散射是混合晶体特有散射机制。在原子有序排列混合合金中，几乎不存在合金散射