半导体材料的基本特性参数培训资料

E
F EV KT

0
V
其
中
：
NC

2 2 m nkT
h3
3/2

T 3/2
N V 2
2 m pkT
h3
3/2
T 3/2
m
、
n
m
为
p
态
密
度
有
效
质
量
。
简并半导体的载流子密度统计
n0 2NCF1/2EFKTEC
p0
2NVF1/2EVKTEF

[
(T
/ 300)1.5 2502

(T
/
300)3.25 591
]1(cm2
/
(V
.S ))
▪ 电离杂质的散射
▪
半导体的杂质，电离后以静电力对运动于
附近的电子和空穴产生散射作用。低温重掺杂 时起主要作用
▪
完全由电离杂质散射决定载流子迁移率大
小时，迁移率与温度和电离杂质的浓度呈下列 关系
uI Ni1T1.5
▪ 强电场作用下的载流子散射
▪
弱电场下，μ为常数；
Baidu Nhomakorabea
▪
强电场下，μ随电场增加而减小
▪ 强电场下载流子漂移速度偏离弱场规律，
▪ 主要有两种表现：
▪
速度饱和效应
▪
负微分迁移率现象
▪ 迁移率与外场的关系
μμ 0[1212
13(μ 0 E)2]1/2
8u
μ 0 为电子与晶格处于热平衡时的迁移率，μ为热电
d2E
dk2

电阻率与击穿电压的关系
雪崩击穿电压与轻参杂的n型材料的 电阻率关系
UB mρn
其中因子m和幂指数n对不同的器件制造工艺和材料电阻率略 有些变化。
第三节 少数载流子寿命
器件击穿
▪ 雪崩击穿： 高电压击穿；
▪ 条件：
足够高U和适当的WK
▪ 器件穿通
▪ 若pn结轻参杂层设计的不够宽，以至雪 崩击穿尚未发生而空间电荷区已扩展到与 电极相接，则器件先于击穿的发生而失去 阻断能力。这种现象称为穿通
载流子统计
n N e

EC E KT
F

0
C
p N e
▪
载流子被晶格散射过程，可以是吸
收或发射声学声子，也可以是吸收或发射
光学声子。
uLn,pu0n,p(T/300)α n,p
▪ 两个常用的经验公式
▪ 电子迁移率：
uLn

[ (T
/ 300)1.5 4195

(T
/ 300)3.13 2153
]1(cm2
/
(V .S ))
▪ 空穴迁移率：
uLp
▪ ▪ 重掺杂（杂质原子百分比≥1/1000）时，会出现
禁带窄化效应；
▪ 杂质原子近距减小，相互作用增强，能带出现杂 化，能级分裂成能带；
问题讨论
ρ=
1
q(nun pup )
D KT uq
爱因斯坦关系中，扩散系数D，载流 子的扩散
载流子饱和速度公式
vsat
hv0 m*
其中m*h/
▪ 载流子之间的散射
▪
载流子对载流子的散射是运动着的多个电
荷环绕其公共质心的相互散射。
▪ 相同极性载流子散射对迁移率没有影响或很 小。
▪ 相反极性的载流子之间的散射可以使双方动 量的弛豫，使迁移率下降。
▪ucc只考虑n载p流.ln子[1散1射.44作2.85用4*的*110载02流101(子n迁p)移1率/3]：
子的迁移率，u为格波传播的速度，
漂移速度的表示
▪ 弱电场下：Vd=uE ▪ 强电场下，以声学声子交换能量时：
Vd32/31/4 u0uE
▪ 更强的电场下，以光学声子交换能量时：
vsat
hv0 m*
其中m*
h/
d2E
dk2

▪ 速度饱和效应的物理解释： ▪
▪ 当电场足够强时，电子在单位时间内能 量高，和晶格进行能量交换时发射光学声 子，这样载流子能量因发射声子而使其漂 移速度趋于饱和。
▪ 负微分迁移效应
▪ 由于电子的不等价能谷间转移形成的。 热电子有主能谷跃迁到能量较高的自能谷， 子能谷的迁移率较低，如果迁移电子数量 较多，平均的漂移速度会降低。
▪ 表面散射及表面迁移率
▪ 表面散射：各种与表面相关联的因素对载 流子迁移率的附加影响；
▪ 越靠近表面，影响越大，对电子影响大于 空穴；
▪
自由载流子在单位电场作用下
的平均漂移速度。
▪
弱电场下，μ为常数；
▪
强电场下，μ随电场增加而减
小
载流子迁移率与器件特性
▪ 载流子迁移率μ是决定半导体材料电阻 率ρ大小的两个重要参数之一。
ρ=
1
q(nun pup )
▪ 电流承受能力和载流子迁移率有关
▪
双极器件pn 结二极管为例，在外
加电压U作用下，电流密度j满足肖克莱方
制，是少数载流子渡越基区的时间
τ W
2 b
B
2 DP
载流子迁移率大小的影响因素
▪ 散射对载流子的迁移率具有重要影响 ▪ ▪ 主要的散射机构有：晶格振动散射、电
离杂质散射、载流子之间的散射等体材料 中载流子散射以及表面散射
▪ 晶格振动的散射
▪
用电子和声子相互作用来描述。
▪
在轻参杂时，占主导地位。
程
j q (p n 0D P / τ p n p 0D n / τ n ) ( e q u /k t 1 )
▪ 载流子迁移率与扩散系数的关系 ▪ ▪ 爱因斯坦关系
D KT
u
q
在确定温度下，扩散系数的大小有迁移率唯一决定
▪ 载流子迁移率与器件的工作频率
▪ ▪ 双极晶体管频率响应特性最重要的限

载流子来源
▪ 本征载流子： ▪ 是指把价带中的一个电子激发到导带，
同时产生一个电子和一个空穴 ▪ 本征激发主要有热激发和光激发 ▪ 掺杂载流子： ▪ 在半导体中掺入具有恰当化合价的杂质
原子。 ▪ n型掺杂和p型掺杂； ▪ 注入载流子：光注入和电注入；
禁带窄化
▪ 本征或轻掺杂半导体中，导带、价带、禁带之间 界限清晰；
半导体材料的基本特性参数
基本特性参数
▪ 禁带宽度Eg
▪ 临界雪崩击穿电场强 度Et
▪ 介电常数ε ▪ 载流子饱和速度Vs
▪ 载流子迁移率μ ▪ 载流子密度n(p) ▪ 少数载流子寿命τ
第一节 迁移率
▪ 迁移率的定义 ▪ 载流子迁移率与器件特性 ▪ 载流子迁移率的影响因素
载流子迁移率的定义
▪ 载流子迁移率μ:
第二节 载流子密度和电阻率
▪ 材料电阻率和器件特性 ▪ 载流子数量统计和来源 ▪ 载流子密度的决定因素 ▪ 禁带窄化
第二节 载流子密度和电阻率
1
nqu
由上式可知，ρ与掺杂浓度密切相关，可作为半导体 纯度的反映；
材料电阻率与器件击穿电压
▪ 功率器件的击穿电压主要决定于本底材料 电阻率。
▪ 功率器件的击穿是指承受反向偏压的pn结 的雪崩击穿。