半导体的导电性PPT课件
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i 1/ niq( p n ) 对于一般半导体漂移电流为：电子漂移电 流和空穴漂移电流的总和
J (qnn qp p ) qnn qp p
7
§4.2 载流子的散射
漂移运动
在严格周期性的势场中运动的载流子在电场力 的作用下将获得加速度，其漂移速度越来越大。
8
19
３.位错散射
N型半导体位错处，共价键不饱和，易 于俘获电子，位错线周围形成了一个圆柱 形带正电空间电荷区，正电荷是电离了的 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。
20
４.合金散射 AlxGa1-xAs中，AlAs占据一套面心立方，
GaAs占据一套面心立方，但Al、Ga两种不同 原子在Ⅲ族位置上的排列是随机的，对周期性 势场产生一定的微扰作用，因而引起对载流子 的散射作用，称为合金散射。
做定向运动称为漂移运动。
2、漂移速度：定向运动的速度
漂移电流
I Q q n volume
q
t n
(vt
t s)
qnvs
t
I
漂移电流密度
J qnv s
4
3、迁移率
欧姆定律微分表达式 J
漂移电流密度
J I qnv s
v
qn
平均漂移速度的大小与电场强度成正比，其系数
合金散射是混合晶体特有的散射机制。在 原子有序排列的混合合金中，几乎不存在合金 散射效应。
21
练习
T=300K时，砷化镓的掺杂浓度为NA=0， ND=1016cm-3，设杂质全部电离，电子的移迁率 为7000cm2/V.s, 空穴的迁移率为320cm2/V.s，若
外加电场强度ξ=10V/cm,求漂移电流密度和电导
守恒和准动量守恒定律。
15
分析得到：导带电子受长纵声学波的 散射几率
3
PS T 2
离子晶体中光学波对载流子的散射概率P0与温 度的关系
1 P0 hv
e kT 1
Ｔ，光学波的散射几率增大
16
三.其它因素引起的散射
1.等同的能谷间的散射
硅的导带具有六个极值能量相等的旋转椭球等 能面，载流子在这些能谷中分布相同，这些能 谷称为等同的能谷。
而实际半导体中的载流子的运动情况：
9
在实际晶体中存在破坏周期性势场 得作用因素：
10
一、载流子散射的概念: 1.散射：载流子与其它粒子发生弹性或非弹性
碰撞，碰撞后载流子的速度的大小和方向发 生了改变。
2. 平均自由程和平均自由时间： 在连续两次散射间自由运动的路程称为自由路程 ，所用的时间称为自由时间；多次散射的平均路 程叫做平均自由程，平均时间称为平均自由时间 。
14
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）。
角频率为ωa的格波，它的能量只能是量
子化的，把格波的能量量子ħωa称为声子。声
子能量为：
E
(n
1 2
)a
,
n 0,1,2...
电子或空穴被晶格散射，就是电子和声子的
碰撞，且在这个相互作用的过程中遵守能量
第四章
半导体中的导电性
The conductivity of Semiconductor
1
§4.1载流子的漂移运动 迁移率
一. 欧姆定律的微分表达式
欧姆定律：
I V R
电阻由材料特性决定： R l
s
电阻率： 单位： .cm 电导率： 1/ ,单位：S/cm
2
一. 欧姆定律的微分表达式
金属：在面积为S，长为L的导体两端，加电
压V，在导体内形成电场 = V
l
载流子在电场 的作用下，定向运动形成电
流I，为描述I在导体中的分布情况，引入电流 密度J，即:
J I V l s Rs Rs
欧姆定律微分表达式
J
3
二. 漂移速度和迁移率
1、漂移运动：电子在电场作用下
电子可以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
与长声学波散射：弹性散射 与长光学波散射：非弹性散17射
18
谷间散射：
电子从一个能谷到另一个能谷时，波矢变化较 大，ħk2-ħk1=ħq,声子的波矢大，短波声子对 应能量大，非弹性散射。
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，这种没有电离的中性杂质对周期性势 场有一定的微扰作用，而引起散射。
v qn
电子的迁移率，单位：cm2/V.s，单位电场作 用下载流子获得的平均速度，反映了载 流子在 电场作用下输运能力。
5
电导率与迁移率间的关系
qn
N型半导体 n qnn
n 1/ qnn
P型半导体 p qp p
p 1/ qp p
6
本征半导体 p n ni i niq( p n )
率 解： 室温下，砷化镓的ni=107cm-3<<ND，属强电离区
n ND
1016 cm3, p
ni 2 n
1014 1016
10 2 / cm3
0 / cm3
J (qnn qpp ) qnn
1.6021019 1016 700010 112A / cm2
注Байду номын сангаас：离化的杂质浓度
Ni NA ND
13
晶格振动的散射
晶体中的原子并不是固定不动的，而是相对于自 己的平衡位置进行热振动。由于原子之间的相互 作用，每个原子的振动不是彼此无关的，而是一 个原子的振动要依次传给其它原子。晶体中这种 原子振动的传播称为格波。原子的振动破坏了严 格的晶格周期势，引起对载流子的晶格散射。载 流子的晶格散射对半导体中的许多物理现象表现 出重要的影响。
22
§4.３ 迁移率与杂质浓度和温度的关系
描述散射 的物理量
散射概率Ｐ：单位时间内一 个载流子受到的散射的次数
3. 散射几率P： 单位时间一个电子受到散射的次数。用来描述散 射强弱
11
§4.2 载流子的散射 二、半导体的主要散射机构
1.电离杂质散射
当载流子运动到电离杂质 附近时，由于库仑场的作 用，载流子的运动方向发 生了变化。
12
电离杂质散射时：
3
NiT 2
Ni
3
T2
Ni大，受到散射机会多
T大，平均热运动速度 快，可较快的掠过杂 质离子，偏转小，不 易被散射
J (qnn qp p ) qnn qp p
7
§4.2 载流子的散射
漂移运动
在严格周期性的势场中运动的载流子在电场力 的作用下将获得加速度，其漂移速度越来越大。
8
19
３.位错散射
N型半导体位错处，共价键不饱和，易 于俘获电子，位错线周围形成了一个圆柱 形带正电空间电荷区，正电荷是电离了的 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。
20
４.合金散射 AlxGa1-xAs中，AlAs占据一套面心立方，
GaAs占据一套面心立方，但Al、Ga两种不同 原子在Ⅲ族位置上的排列是随机的，对周期性 势场产生一定的微扰作用，因而引起对载流子 的散射作用，称为合金散射。
做定向运动称为漂移运动。
2、漂移速度：定向运动的速度
漂移电流
I Q q n volume
q
t n
(vt
t s)
qnvs
t
I
漂移电流密度
J qnv s
4
3、迁移率
欧姆定律微分表达式 J
漂移电流密度
J I qnv s
v
qn
平均漂移速度的大小与电场强度成正比，其系数
合金散射是混合晶体特有的散射机制。在 原子有序排列的混合合金中，几乎不存在合金 散射效应。
21
练习
T=300K时，砷化镓的掺杂浓度为NA=0， ND=1016cm-3，设杂质全部电离，电子的移迁率 为7000cm2/V.s, 空穴的迁移率为320cm2/V.s，若
外加电场强度ξ=10V/cm,求漂移电流密度和电导
守恒和准动量守恒定律。
15
分析得到：导带电子受长纵声学波的 散射几率
3
PS T 2
离子晶体中光学波对载流子的散射概率P0与温 度的关系
1 P0 hv
e kT 1
Ｔ，光学波的散射几率增大
16
三.其它因素引起的散射
1.等同的能谷间的散射
硅的导带具有六个极值能量相等的旋转椭球等 能面，载流子在这些能谷中分布相同，这些能 谷称为等同的能谷。
而实际半导体中的载流子的运动情况：
9
在实际晶体中存在破坏周期性势场 得作用因素：
10
一、载流子散射的概念: 1.散射：载流子与其它粒子发生弹性或非弹性
碰撞，碰撞后载流子的速度的大小和方向发 生了改变。
2. 平均自由程和平均自由时间： 在连续两次散射间自由运动的路程称为自由路程 ，所用的时间称为自由时间；多次散射的平均路 程叫做平均自由程，平均时间称为平均自由时间 。
14
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）。
角频率为ωa的格波，它的能量只能是量
子化的，把格波的能量量子ħωa称为声子。声
子能量为：
E
(n
1 2
)a
,
n 0,1,2...
电子或空穴被晶格散射，就是电子和声子的
碰撞，且在这个相互作用的过程中遵守能量
第四章
半导体中的导电性
The conductivity of Semiconductor
1
§4.1载流子的漂移运动 迁移率
一. 欧姆定律的微分表达式
欧姆定律：
I V R
电阻由材料特性决定： R l
s
电阻率： 单位： .cm 电导率： 1/ ,单位：S/cm
2
一. 欧姆定律的微分表达式
金属：在面积为S，长为L的导体两端，加电
压V，在导体内形成电场 = V
l
载流子在电场 的作用下，定向运动形成电
流I，为描述I在导体中的分布情况，引入电流 密度J，即:
J I V l s Rs Rs
欧姆定律微分表达式
J
3
二. 漂移速度和迁移率
1、漂移运动：电子在电场作用下
电子可以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
与长声学波散射：弹性散射 与长光学波散射：非弹性散17射
18
谷间散射：
电子从一个能谷到另一个能谷时，波矢变化较 大，ħk2-ħk1=ħq,声子的波矢大，短波声子对 应能量大，非弹性散射。
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，这种没有电离的中性杂质对周期性势 场有一定的微扰作用，而引起散射。
v qn
电子的迁移率，单位：cm2/V.s，单位电场作 用下载流子获得的平均速度，反映了载 流子在 电场作用下输运能力。
5
电导率与迁移率间的关系
qn
N型半导体 n qnn
n 1/ qnn
P型半导体 p qp p
p 1/ qp p
6
本征半导体 p n ni i niq( p n )
率 解： 室温下，砷化镓的ni=107cm-3<<ND，属强电离区
n ND
1016 cm3, p
ni 2 n
1014 1016
10 2 / cm3
0 / cm3
J (qnn qpp ) qnn
1.6021019 1016 700010 112A / cm2
注Байду номын сангаас：离化的杂质浓度
Ni NA ND
13
晶格振动的散射
晶体中的原子并不是固定不动的，而是相对于自 己的平衡位置进行热振动。由于原子之间的相互 作用，每个原子的振动不是彼此无关的，而是一 个原子的振动要依次传给其它原子。晶体中这种 原子振动的传播称为格波。原子的振动破坏了严 格的晶格周期势，引起对载流子的晶格散射。载 流子的晶格散射对半导体中的许多物理现象表现 出重要的影响。
22
§4.３ 迁移率与杂质浓度和温度的关系
描述散射 的物理量
散射概率Ｐ：单位时间内一 个载流子受到的散射的次数
3. 散射几率P： 单位时间一个电子受到散射的次数。用来描述散 射强弱
11
§4.2 载流子的散射 二、半导体的主要散射机构
1.电离杂质散射
当载流子运动到电离杂质 附近时，由于库仑场的作 用，载流子的运动方向发 生了变化。
12
电离杂质散射时：
3
NiT 2
Ni
3
T2
Ni大，受到散射机会多
T大，平均热运动速度 快，可较快的掠过杂 质离子，偏转小，不 易被散射