半导体的导电性资料.pptx
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1、半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第1 1页页20201010年年1111月月2626日星期四日星期四第四章、第四章、半导体的导电性半导体的导电性 本章在已知电子和空穴在导带和价带的分布本章在已知电子和空穴在导带和价带的分布情况的情况下,讨论载流子在外加电场下的运情况的情况下,讨论载流子在外加电场下的运动规律。动规律。目的:?目的:?半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第2 2页页20201010年年1111月月2626日星期四日星期四主要内容:载流子的漂移运动 迁移率载流子的散射迁移率与杂质浓度和温度的关系电阻率与杂质浓度和温度的关系强场下的效应 热
2、载流子多能谷散射半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第3 3页页20201010年年1111月月2626日星期四日星期四4、半导体中主要的两种散射机构是什么?在、半导体中主要的两种散射机构是什么?在有多种散射机构存在的情况下,为什么迁移率有多种散射机构存在的情况下,为什么迁移率主要由自由时间短的机理决定?主要由自由时间短的机理决定?(2006)9、(、(16分)在分)在T=300K下,一下,一N型半导体型半导体Si样样品,测得的电阻率为品,测得的电阻率为0.1-cm。(1)求此时的电子浓度和空穴浓度(查图)。)求此时的电子浓度和空穴浓度(查图)。(2)若在此样品中,再掺入)
3、若在此样品中,再掺入9 1016cm-3P型型杂质,求此时样品的电阻率、多子浓度和少子杂质,求此时样品的电阻率、多子浓度和少子浓度。并求出此时多子的迁移率(查图)。浓度。并求出此时多子的迁移率(查图)。(2006)半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第4 4页页20201010年年1111月月2626日星期四日星期四、一、一N型硅样品杂质浓度为型硅样品杂质浓度为ND1,经扩,经扩硼硼B后(掺杂浓度为后(掺杂浓度为NA)样品变为)样品变为P型;型;再经扩磷再经扩磷P(杂质浓度为(杂质浓度为ND2)样品又变)样品又变为为N型,此时载流子浓度为多少?与未扩型,此时载流子浓度为多少
4、?与未扩散前的散前的N型样品相比,迁移率有何变化?型样品相比,迁移率有何变化?、半导体的电阻率通过掺杂可以敏感、半导体的电阻率通过掺杂可以敏感地控制,地控制,“掺入百万分之一的杂质,可掺入百万分之一的杂质,可以引起电阻率百万倍变化以引起电阻率百万倍变化”,以硅为例,以硅为例,忽略掺杂对迁移率的影响,粗略估算证忽略掺杂对迁移率的影响,粗略估算证明之。明之。半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第5 5页页20201010年年1111月月2626日星期四日星期四9、(、(16分)什么是载流子的迁移率?迁移率与分)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
5、子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的散射机构,平均自由时间分别为 1,2,如,如果果 1 2,总迁移率是不是由,总迁移率是不是由 1散射机构决定散射机构决定?解释之。?解释之。12、(、(18分)当温度升高时,本征半导体分)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?一块何不同?为什么?一块N型样品的电阻率型样品的电阻率随温度的变化又如何?解释之。随温度的变化又如何?解释之。半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第6 6页页20201010年年1111月月2626日星期四日星
6、期四 4.1 4.1 载流子的漂移运动载流子的漂移运动载流子的漂移运动载流子的漂移运动1.1.欧姆定律欧姆定律欧姆定律欧姆定律2.2.漂移运动和迁移率漂移运动和迁移率漂移运动和迁移率漂移运动和迁移率半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第7 7页页20201010年年1111月月2626日星期四日星期四 4.1 4.1 载流子的漂移运动载流子的漂移运动载流子的漂移运动载流子的漂移运动2.2.漂移速度和迁移率漂移速度和迁移率漂移速度和迁移率漂移速度和迁移率半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第8 8页页20201010年年1111月月2626日星期四日星期四
7、 4.1 4.1 载流子的漂移运动载流子的漂移运动载流子的漂移运动载流子的漂移运动2.2.漂移速度和迁移率漂移速度和迁移率漂移速度和迁移率漂移速度和迁移率半导体中载流子受电场作用,将做定向的漂移运动,半导体中载流子受电场作用,将做定向的漂移运动,定向运动的平均速度称为平均漂移速度定向运动的平均速度称为平均漂移速度v其中其中n为载流子的浓度,为载流子的浓度,q为载流子的电量为载流子的电量实验显示,在弱电场下,载流子的漂移速度实验显示,在弱电场下,载流子的漂移速度v与电场与电场成正比成正比E半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第9 9页页20201010年年1111月月2626
8、日星期四日星期四2.2.漂移速度和迁移率漂移速度和迁移率漂移速度和迁移率漂移速度和迁移率与欧姆定律比较得到电导率与迁移率的关系式与欧姆定律比较得到电导率与迁移率的关系式称为迁移率称为迁移率定义为单位电场作用下载流子获得平均速度,反映了载定义为单位电场作用下载流子获得平均速度,反映了载流子在电场作用下输运能力,流子在电场作用下输运能力,是反映半导体及其器件导是反映半导体及其器件导电能力的重要参数电能力的重要参数半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第1010页页20201010年年1111月月2626日星期四日星期四3.3.半导体的电导率和迁移率半导体的电导率和迁移率半导体的电
9、导率和迁移率半导体的电导率和迁移率得到电导率与迁移率的关系式得到电导率与迁移率的关系式半导体中有电子和空穴两种载流子,电场作用下的电流密度半导体中有电子和空穴两种载流子,电场作用下的电流密度一般情形,半导体电子和空穴的迁移率在同一数量级,一般情形,半导体电子和空穴的迁移率在同一数量级,因此,其电导率主要由多数载流子决定因此,其电导率主要由多数载流子决定半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第1111页页20201010年年1111月月2626日星期四日星期四 4.2 4.2 载流子的散射载流子的散射载流子的散射载流子的散射1.1.载流子散射的概念载流子散射的概念载流子散射的概
10、念载流子散射的概念任何破坏严格周期势场的因素都可以引起载流子的任何破坏严格周期势场的因素都可以引起载流子的散射,正是由于散射的存在使得漂移速度得到限制散射,正是由于散射的存在使得漂移速度得到限制电流密度恒定,而不能无限增大?半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第1212页页20201010年年1111月月2626日星期四日星期四载流子散射概念载流子散射概念由于载流子的不断于晶格和杂质原子碰撞,由于载流子的不断于晶格和杂质原子碰撞,只有在两次碰撞之间是自由的。只有在两次碰撞之间是自由的。平均自由时间:两次碰撞之间的时间平均自由时间:两次碰撞之间的时间。平均自由程:两次散射之间
11、自由运动的平均平均自由程:两次散射之间自由运动的平均路程。路程。存在电场时,载流子作自由运动和电场下的存在电场时,载流子作自由运动和电场下的漂移运动。漂移运动。半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第1313页页20201010年年1111月月2626日星期四日星期四 4.2 4.2 载流子的散射载流子的散射载流子的散射载流子的散射2.2.半导体的主要散射机制半导体的主要散射机制半导体的主要散射机制半导体的主要散射机制1)电离杂质散射)电离杂质散射什么是电离杂质散射?为什么会产生电离散射?库仑场什么是电离杂质散射?为什么会产生电离散射?库仑场 电离散射对载流子的影响?图电离散
12、射对载流子的影响?图电离散射强度跟什么有关系?其数学表达式?电离散射强度跟什么有关系?其数学表达式?半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第1414页页20201010年年1111月月2626日星期四日星期四电离杂质的影响与掺杂浓度有关,掺杂越电离杂质的影响与掺杂浓度有关,掺杂越多,载流子和电离杂质相遇而被散射的机多,载流子和电离杂质相遇而被散射的机会也就越多,即电离杂质散射是随着掺杂会也就越多,即电离杂质散射是随着掺杂浓度增加而增强的。浓度增加而增强的。电离杂质散射的强弱也和温度有关,这是电离杂质散射的强弱也和温度有关,这是因为载流子热运动的速度是因为载流子热运动的速度是随
13、温度升高随温度升高而而增大的,而对于同样的吸引和排斥作用,增大的,而对于同样的吸引和排斥作用,载流子运动速度越大,载流子运动速度越大,所受影响相对的越所受影响相对的越小小。浓度为浓度为N Ni i的电离杂质对载流子的散射几率的电离杂质对载流子的散射几率P Pi i与温度的关系为与温度的关系为P Pi i N Ni iT T-3/2-3/2半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第1515页页20201010年年1111月月2626日星期四日星期四 4.2 4.2 载流子的散射载流子的散射载流子的散射载流子的散射2.2.半导体的主要散射机制半导体的主要散射机制半导体的主要散射机制
14、半导体的主要散射机制2)晶格散射)晶格散射什么是晶格散射?什么是晶格散射?在一定温度下,原子在其平衡位置附近作热振动,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;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?其数学表达晶格散射强度跟什么有关系?其数学表达式?式?半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第1616页页20201010年年1111月月2626日星期四日星期四由于晶格热振动随温度的增高而加强,
15、所以当由于晶格热振动随温度的增高而加强,所以当温度升高时,对载流子的晶格散射也将增强;温度升高时,对载流子的晶格散射也将增强;进一步理论推导表明,晶格热振动对电子散射进一步理论推导表明,晶格热振动对电子散射几率几率Ps Ps 正比于温度的正比于温度的3/2 3/2 次方,即:次方,即:PsPs T T3/23/2 4.2 4.2 载流子的散射载流子的散射载流子的散射载流子的散射2.2.半导体的主要散射机制半导体的主要散射机制半导体的主要散射机制半导体的主要散射机制2)晶格散射)晶格散射半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第1717页页20201010年年1111月月2626
16、日星期四日星期四声学波和光学波都对载流子有散射作用。声学波和光学波都对载流子有散射作用。声学波散射几率为:声学波散射几率为:P Pi i T T3/23/2光学波散射几率为:光学波散射几率为:P Pi i 1/(exp(hv1/(exp(hvl l/kT)-1)/kT)-1)在高温下,光学波散射起主要作用。在高温下,光学波散射起主要作用。2.2.半导体的主要散射机制半导体的主要散射机制半导体的主要散射机制半导体的主要散射机制半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第1818页页20201010年年1111月月2626日星期四日星期四 4.2 4.2 载流子的散射载流子的散射载流
17、子的散射载流子的散射2.2.半导体的主要散射机制半导体的主要散射机制半导体的主要散射机制半导体的主要散射机制2)其它散射)其它散射等同的能谷间散射等同的能谷间散射中性杂质散射中性杂质散射位错散射位错散射散射是影响载流子迁移率的主要因素之一,对不同散射是影响载流子迁移率的主要因素之一,对不同的散射机制,迁移率显示不同的温度关系的散射机制,迁移率显示不同的温度关系半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第1919页页20201010年年1111月月2626日星期四日星期四 4.3 4.3 迁移率与杂质浓度和温度关系迁移率与杂质浓度和温度关系迁移率与杂质浓度和温度关系迁移率与杂质浓度
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