电导率与载流子迁移率56页PPT
电导率测量原理PPT课件
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不同溶液电导率范围
0.01
0.1
1.0
10
100
1000
10k
100k
1000k
电导率 (S/cm)
100 M 10
超纯水
10M 纯水 1
电阻系数 (Ohm-cm)
1M
补给水
水处理
食品和饮料
100k 10k
1000
100
饮用水
稀酸，稀碱，盐 废水
微咸水
工业用水
酸，碱
化工工艺
11
9
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电导率：温度补偿
一般盐溶液的温度系数为2％。采用这种温度补偿时，测 得液体电导率要换算为该液体在25℃时之电导率值。温 度补偿系数为每度（℃）2%，所以在作高精密测量时， 请尽量不采用温度补偿。而采用测量后查表或将被测液 等温在25℃时测量，来求得液体介质25℃时之电导率值。 但是用固定的α值测量精度不高。 精度较高的温度补偿通常在1~30℃范围内进行，补偿公 式为： Ss = St / (0.0169t+0.5583) 1≤t≤10 Ss = St / (0.0180t+0.5473) 11≤t≤20 Ss = St / (0.0189t+0.5281) 21≤t≤30 Ss为水溶液在25时的电导率值。St为t℃时的电导率值。
电导率：液体中的电流流动
• 在固体导体中，电流是通过自由电子的移动而产生 的。
• 在液体导体中，电流是通过自由离子的移动而产生
的。
- 电流 +
-
+ +
--
+
传输电流的离子物质被称为
-
+
半导体的导电性资料PPT教案学习
• 在一定温度下，原子在其平衡位置附近作热振 动，称为晶格热振动。由这种晶格振动而引起 的载流子的散射叫做晶格散射；
• 为什么会产生晶格散射？格波，声学波 • 晶格散射强度跟什么有关系？其数学表达
式？
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2010年11月26日星期四
§ 4.2 载流子的散射 2. 半导体的主要散射机制
q Pm *
q m*
AT 3/ 2
1 BN IT 3/ 2
据此，我们可以分析迁移率同温度与杂质浓度的关系。
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2010年11月26日星期四
q q
1
Pm * m * AT 3/ 2 BN IT 3/ 2
迁移率 与杂质浓度NI 关系 从 的表达式上看，NI升高， 下降；
在温度一定时，晶格散射强度不变，而杂质浓度越高， 电离杂质散射越强，导致迁移率 下降。
3. 迁移率与杂质和温度的关
系总的散射几率
P P1 P2 P3 ...
平均自由时间
1
1
P P1 P2 P3 ...
1
P1
P2
P3
...
1
1
1
2
1
3
...
1 1 1 1 ...
2 3
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2010年11月26日星期四
对掺杂的硅、锗等半导体，主要散射机构为声学波和电离散 射：
2010年11月26日星期四
9、（16分）什么是载流子的迁移率？迁移率与载流子的平均自由时 间成正比。有两种载流子的散射机构，平均自由时间分别为1， 2，如果1〉2，总迁移率是不是由1散射机构决定？解释之。
12、（18分）当温度升高时，本征半导体的电 阻率与金属的电阻率随温度变化有何不同？ 为什么？一块N型样品的电阻率随温度的变 化又如何？解释之。
实验四 霍尔效应法测量半导体的载流子浓度、电导率和迁移
实验四霍尔效应法测量半导体的载流子浓度、电导率和迁移一、实验目的1．了解霍尔效应实验原理以及有关霍尔元件对材料要求的知识。
2．学习用“对称测量法”消除副效应的影响，测量并绘制试样的VH－IS和VH－IM 曲线。
3．确定试样的导电类型、载流子浓度以及迁移率。
二、实验原理置于磁场中的半导体，如果电流方向与磁场垂直，则在垂直于电流和磁场的方向会产生一附加的横向电场，这个现象是霍普斯金大学研究生霍尔于1879年发现的，后被称为霍尔效应。
随着半导体物理学的迅速发展，霍尔系数和电导率的测量已成为研究半导体材料的主要方法之一。
通过实验测量半导体材料的霍尔系数和电导率可以判断材料的导电类型、载流子浓度、载流子迁移率等主要参数。
若能测量霍尔系数和电导率随温度变化的关系，还可以求出半导体材料的杂质电离能和材料的禁带宽度。
如今，霍尔效应不但是测定半导体材料电学参数的主要手段，而且随着电子技术的发展，利用该效应制成的霍尔器件，由于结构简单、频率响应宽（高达10GHz）、寿命长、可靠性高等优点，已广泛用于非电量测量、自动控制和信息处理等方面。
在工业生产要求自动检测和控制的今天，作为敏感元件之一的霍尔器件，将有更广阔的应用前景。
了解这一富有实用性的实验，对日后的工作将有益处。
霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用而引起的偏转。
当带电粒子（电子或空穴）被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场，即霍尔电场。
对于图（1）（a）所示的N型半导体试样，若在X方向的电极D、E上通以电流Is，在Z方向加磁场B，试样中载流子（电子）将受洛仑兹力：（1）其中e为载流子（电子）电量，为载流子在电流方向上的平均定向漂移速率，B为磁感应强度。
（a）（b）图(1) 样品示意图无论载流子是正电荷还是负电荷，Fg的方向均沿Y方向，在此力的作用下，载流子发生便移，则在Y方向即试样A、A´电极两侧就开始聚积异号电荷而在试样A、A´两侧产生一个电位差VH，形成相应的附加电场E—霍尔电场，相应的电压VH称为霍尔电压，电极A、A´称为霍尔电极。
电导率电阻率与载流子浓度
半导体物理与器件
电阻率和杂质浓度的关系
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。
半导体物理与器件
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。
半导体物理与器件
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。
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，
低温
饱和
本征
T
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
半导体物理与器件
载流子的漂移速度饱和效应 前边关于迁移率的讨论一直建立在一个基础之上：弱场
条件。即电场造成的漂移速度和热运动速度相比较小，从而不 显著改变载流子的平均自由时间。但在强场下，载流子从电场 获得的能量较多，从而其速度（动量）有较大的改变，这时， 会造成平均自由时间减小，散射增强，最终导致迁移率下降， 速度饱和。对于热运动的电子：
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。
半导体物理与器件
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。
VT Vd
l
VT
em*ຫໍສະໝຸດ 平均漂移速度 ： vd E E
归纳4.5电导率、迁移率、霍耳效应.ppt
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17
（2）晶格振动散射
一定温度下的晶体其格点原子(或离子)在各自平衡位置附近振 动。半导体中格点原子的振动同样要引起载流子的散射，称为 晶格振动散射。
格点原子的振动都是由若干个不同基本波动按照波的迭加原理 迭加而成。
4.5 电导率和迁移率
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1
一、欧姆定律
I V R
Rl
s 1
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2
二、电流密度
JI s
E V l
J E
欧姆定律的微分形式
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3
三、 漂移速度和迁移率
在外场|E|的作用下，半导体中载流子要逆(顺)电 场方向作定向运动，这种运动称为漂移运动。
定向运动速度称为漂移速度，它大小不一，取其 平均值称作平均漂移速度。
J nqvd
电子的平均漂移速度
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4
图中截面积为s的均匀样品，
内部电场为|E| ，电子浓度为n。
在其中取相距为 υd t 的A和B两
个截面，这两个截面间所围成
的体积中总电子数为N nsυd t，
图4.1 平均漂移速度分析模型
这N个电子经过t时间后都将通过A面，因此按照电流强度的定义
I
Q t
Ps T 3 2
(a) 纵声学波
(b) 纵声学波引起的能带改变
纵声学波及其所引起的附加势场
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20
光学波对载流子的散射几率Po为
Po
3
(h l ) 2
1
(k0T ) 2
exp
h l
4.1 载流子的漂移运动和迁移率
第四章半导体的导电性4.1 载流子的漂移运动和迁移率1. 欧姆定律的微分形式R V I =欧姆定律：它反映了通过导体中某一点的电流密度与该处的电场强度及材料的电导率之间的关系。
欧姆定律的微分形式：反应了在电压作用下，导体通过了多少电流。
ρσ1=为电导率[S/m ]EJ σ=2. 漂移速度与漂移迁移率n 载流子在电场力作用下的定向运动称为漂移运动。
n 定向运动的速度称为漂移速度。
热平衡时，电子的热运动完全随机，净电流为零。
电子作无规则的热运动，与其它粒子发生碰撞，遭到散射。
有外力时（加电场），电子一方面作漂移运动，另一方面受到散射。
无外力时，d v漂移速度是一个平均值，且是一个有限值，用 表示漂移迁移率电流密度与平均漂移速度的关系：d v E μ=n d J nqv E σ=-=平均漂移速度与电场强度成正比：迁移率只取正值d v E μ= 迁移率是单位电场强度下载流子的平均漂移速度的绝对值。
迁移率反应载流子在电场中漂移运动的难易程度。
电子迁移率[ ， ]⋅s /V m 2⋅s /V cm 2⋅μσnq =电导率：n d J nqv Eσ=-=d v Eμ=n J nq E E μσ==3. 半导体中载流子的漂移运动电子和空穴漂移方向相反，但形成的漂移电流密度与电场方向一致。
()n p n p J J J nq pq E Eμμσ=+=+=电子迁移率空穴迁移率pn pq nq μμσ+=可得到半导体的电导率为：n nq μσ=p pq μσ=()i n p n q σμμ=+ n 型半导体： n >> pp 型半导体： p >> n本征半导体： n = p = n i pn pq nq μμσ+=在相同的外电场作用下：p n μμ>价带的空穴运动是共价键上的电子在共价键的等价位置之间的自由运动（受共价键的束缚）。
导带的电子运动是准自由电子的运动；。
载流子浓度和电导率.57页PPT
46、我们若已接受最坏的，就再没有什么损失。——卡耐基 47、书到用时方恨少、事非经过不知难。——陆游 48、书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者。——史美尔斯 49、熟读唐诗三百首，不会作诗也会吟。——孙洙 50、谁和我一样用功，谁就会和我一样成功。——莫扎跪着也要把它走 完。 17、一般情况下)不想三年以后的事， 只想现 在的事 。现在 有成就 ，以后 才能更 辉煌。
18、敢于向黑暗宣战的人，心里必须 充满光 明。 19、学习的关键--重复。
20、懦弱的人只会裹足不前，莽撞的 人只能 引为烧 身，只 有真正 勇敢的 人才能 所向披 靡。
半导体的导电性ppt课件
太阳能电池板利用光电效应将太阳能转换为电能。当太阳光照射到电池板表面时 ，光子穿过减反射膜进入电池板内部，被PN结吸收并产生电流。随后，电流经 过金属电极流出电池板，供外部负载使用。
传感器中利用半导体性质实现功能介绍
温度传感器
利用半导体的温度敏感性质，可以制作出温度传感器。当温度变化时，半导体的电阻率或电压输出会发生变化， 从而实现对温度的测量。
三极管在集成电路中主要起到放大、开关等作用。通过控制三极管的基极电流 ，可以实现对集电极电流的控制，从而实现信号的放大和开关功能。
太阳能电池板中PN结应用探讨
PN结作用
在太阳能电池板中，PN结是实现光电转换的关键部分。当太阳光照射到PN结上 时，光子将能量传递给电子，使电子从价带跃迁到导带，从而产生电流。
迁移率
载流子在半导体中的迁移能力，影响半导体的导电性能。
温度对半导体性能影响
温度对载流子浓度影响
温度对电阻率影响
随着温度升高，半导体中载流子浓度 增加，导电性能提高。
半导体电阻率随温度变化而变化，表 现出明显的热敏特性。
温度对迁移率影响
随着温度升高，载流子迁移率降低， 导致半导体导电性能下降。
P型半导体和N型半
实验步骤和注意事项说明
01
注意事项
02
03
04
1. 电源电压应逐渐增加，避 免电流过大损坏半导体器件。
2. 在测量过程中要保持电路 的稳定性，避免外界干扰对实
验结果的影响。
3. 实验结束后要及时关闭电 源，拆除实验电路。
数据处理方法和结果分析讨论
01
02
数据处理方法：根据实 验记录的数据，绘制二 极管的伏安特性曲线和 三极管的放大倍数曲线 。通过曲线拟合等方法 ，可以得到半导体器件 的相关参数。
课件第四章
设 ：Vdn和Vdp分别为电子和空穴的平均漂移速度。
下面以柱形N型半导体 为例，分析半导体的电 导现象 :
A
Vdndt
B
ds
Vdn ds表示A处与电流垂直的小面积元，小柱体的高为
Vdndt
在dt 时间内通过ds的截面电荷量，就是A、B面
间小柱体内的电子电荷量，即
电场强度增大时，电流密度也相应地增 大，因而，平均漂移速度也随着E的增大 而增大，反之亦然。所以，平均漂移速 度的大小与电场强度成正比，其比值称
为电子迁移率。
迁移率的意义：表征了在单位电场下载流子的平
均漂移速度。
它是表示半导体电迁移能力的重要参数。
因为电子带负电，所以Vdn一般应和E 反向，习惯上迁移率只取正值，即:
例如：在饱和电离区， N型半导体，具有单一杂质： no=ND
N D qn
补偿型：no=ND－NA，
(N D N A )qn
P型， 单一杂质：po=NA N Aq p
补偿型：po=NA－ND
(N A N D )q p
本征半导体：
n p ni
○- ●+ ○- ●+ ○●+ ○- ●+ ○- ●+ ○- ●+ ○- ●+ ○●+ ○- ●+ ○- ●+
+++ -
++++ --
+++
--+ ---+ ---
+++ -
++++ --
第三章电导率
重点内容
• 外电场破坏热平衡，在不太高的电场下，载流子从电场获得的能 量不足以把价带电子激发到导带，载流子浓度和平衡态相同，在 能带图上表现为整个能带倾斜； • 费米能级倾斜就有载流子流动； • 如果没有散射，晶体中的电子在恒定电场作用下会产生振荡； • 晶体中载流子受到的散射因素有哪些； • 硅单晶中通常载流子受到的主要散射因素是什么； • 硅单晶电阻率随温度变化的规律； • 强电场效应及其发生的原因； • 满足什么条件的半导体材料强电场时会出现微分负阻现象； • 更强的电场就会产生击穿，这将在后面讲述。
晶格振动散射
• 在常温下，单晶体中的原子在它的平衡位置附近作微 振动，称为晶格振动。晶格振动有许多种模式。 • 晶格振动能量也是量子化的，和光子类似引入声子。 • 声子有能量也有准动量，通常会有比光子大得多的准 动量。 • 电子和晶格振动之间交换能量和准动量可以看作电子 吸收声子或放出声子从而获得或失去声子的能量和准 动量。 • 对于某种单晶可以用理论计算出在一定温度下声子的 数量、它们的能量和准动量之间的关系、它们的能量 分布等。
1
τe
=
1
τ ac τ I τ N
1
+
1
+
1
• 通常中性杂质的散射几率相对很小可以忽略。
τe
=
1
τ ac τ I
+
1
电导率和迁移率
• 在外电场作用下，由欧姆定律可以得到： j ρ = ε j = σε 或 • σ 就是电导率。 • 如果半导体的载流子浓度是 n 0 、 p 0 在电场作用 下获得的平均漂移速度分别是 vn 和 v p 那么电流密度可以写成： j = qn0 vn + qp0 v p • 电场作用下电子的漂移速度正比与电场强度，比例系 数就称为迁移率： v n = µ n ε 、 v p = µ p ε • 这样就有：