半导体物理 PHYSICS OF SEMICONDUCTORS 教案:教案:刘诺刘诺 制作 :制作 : 刘 诺刘 诺 动画：动画：刘诺，陈洪彬，赵翔，韩劲松刘诺，陈洪彬，赵翔，韩劲松 Email: liunuo2002 ?电子科技大学电子科技大学 ?微电子与固体电子学院微电子与固体电子学院 ?微电子科学与工程系微电子科学与工程系 第四章半导体的导电性第四章半导体的导电性 Electrical conduction of semiconductorsElectrical conduction of semiconductors 重点：重点： ? 迁移率(Mobility)? 迁移率(Mobility) ? 散射(Scattering mechanisms)? 散射(Scattering mechanisms) 影响迁移率的本质因素影响迁移率的本质因素 ? 弱电场下电导率的统计理论? 弱电场下电导率的统计理论 重点：重点： ? 迁移率(Mobility)? 迁移率(Mobility) ? 散射(Scattering mechanisms)? 散射(Scattering mechanisms) 影响迁移率的本质因素影响迁移率的本质因素 ? 弱电场下电导率的统计理论? 弱电场下电导率的统计理论 4.1 载流子的漂移运动 迁移率4.1 载流子的漂移运动 迁移率 The drift motion of Carrier,MobilityThe drift motion of Carrier,Mobility 重点重点 漂移运动漂移运动 扩散运动扩散运动 迁移率迁移率 The drift motion of Carrier,MobilityThe drift motion of Carrier,Mobility 一、散射与漂移运动一、散射与漂移运动 加上外电场E的理想:加上外电场E的理想:载流子定向运动，即载流子定向运动，即漂移运动漂移运动。 漂移运动漂移运动 结论结论 The drift motion of Carrier,MobilityThe drift motion of Carrier,Mobility 在严格周期性势场（理想）中运动 的载流子在电场力的作用下将获得 加速度，其漂移速度应越来越大。 在严格周期性势场（理想）中运动 的载流子在电场力的作用下将获得 加速度，其漂移速度应越来越大。 The drift motion of Carrier,MobilityThe drift motion of Carrier,Mobility 实际中，见到： 存在破坏周期性势场的作用因素：存在破坏周期性势场的作用因素： 如： * 杂质 * 缺陷 * 晶格热振动 如： * 杂质 * 缺陷 * 晶格热振动 散射散射 如： * 杂质 * 缺陷 * 晶格热振动 如： * 杂质 * 缺陷 * 晶格热振动 散射散射 The drift motion of Carrier,MobilityThe drift motion of Carrier,Mobility The drift motion of Carrier,MobilityThe drift motion of Carrier,Mobility 2、迁移率迁移率 假设讨论的是假设讨论的是n型半导体n型半导体，电子浓度为 n ，电子浓度为 n0 0，在外电场下通过半导体的电流密度，在外电场下通过半导体的电流密度 ( ) ()电子的平均漂移速度:v 1v d d0 =qnJ n ( )2EJ nn = 在弱场下欧姆定律成立 表征了在单位电场下载流子的 平均漂移速度。 表征了在单位电场下载流子的 平均漂移速度。 它是表示半导体它是表示半导体电迁移能力电迁移能力的重要参数。的重要参数。 ( ) ( )4 E v 3qn E v qn d n n0 d 0n = = = 迁移率这里 则 二式比较 The drift motion of Carrier,MobilityThe drift motion of Carrier,Mobility 迁移率迁移率 The drift motion of Carrier,MobilityThe drift motion of Carrier,Mobility 同理，对p型半导体 ( ) 为空穴漂移速度 空穴迁移率 这里 dp dp p p0p v E v 5qp = = The drift motion of Carrier,MobilityThe drift motion of Carrier,Mobility 对一般半导体对一般半导体 pn += ( )6+= pn pqnq The drift motion of Carrier,MobilityThe drift motion of Carrier,Mobility 对本征半导体 pnn i =因 ()( )7+= pniq n pni pqnq+=故 4.2 载 流 子 的 散 射4.2 载 流 子 的 散 射 The Scattering of CarriersThe Scattering of Carriers KEY 散射使迁移率减小 散射机构即各种散射因素 散射使迁移率减小 散射机构即各种散射因素 1、载流子散射1、载流子散射 （1）载流子的热运动（1）载流子的热运动 自由程l自由程l：相邻两次散射之 间自由运动的路程。 相邻两次散射之 间自由运动的路程。 The Scattering of CarriersThe Scattering of Carriers 平均自由程：平均自由程：连续两次散射间自由运动 的 连续两次散射间自由运动 的平均平均路程。路程。 动的平均运动时间连续两次散射间自由运 平均自由时间 The Scattering of CarriersThe Scattering of Carriers （2）、载流子的漂移运动（2）、载流子的漂移运动 载流子在电场作用下不断加速载流子在电场作用下不断加速 理想情况 （无散 射） 在外电场作用下，实际上，在外电场作用下，实际上， 载流子的运动是：载流子的运动是： 热运动+漂移运动热运动+漂移运动 单位时间内一个载流子被散射的次数单位时间内一个载流子被散射的次数 电流 I电流 I 散射几率 P散射几率 P The Scattering of CarriersThe Scattering of Carriers 2、半导体的主要散射机构2、半导体的主要散射机构 电离杂质散射电离杂质散射 晶格振动散射晶格振动散射 等同能谷间的散射等同能谷间的散射 中性杂质散射中性杂质散射 位错散射位错散射 载流子与载流子间 的散射 载流子与载流子间 的散射 The Scattering of CarriersThe Scattering of Carriers 1）电离杂质散射电离杂质散射（即库仑散 射） （即库仑散 射） 散射几率P散射几率Pi iNNi iT T-3/2 -3/2 （N（Ni： i：为杂质浓度总和） 为杂质浓度总和） The Scattering of CarriersThe Scattering of Carriers The Scattering of CarriersThe Scattering of Carriers The Scattering of CarriersThe Scattering of Carriers 2）晶格振动散射晶格振动散射 有N个原胞的晶体有N个格波波矢q 一个q=3支光学波(高频)+3支声学波(低频) 有N个原胞的晶体有N个格波波矢q 一个q=3支光学波(高频)+3支声学波(低频) 振动方式:振动方式: 3个光学波=1个纵波+2个横波 3个声学波=1个纵波+2个横波 3个光学波=1个纵波+2个横波 3个声学波=1个纵波+2个横波 格波的能量效应以ha为单元 声子 特点：各向同性。特点：各向同性。 a、声学波散射：a、声学波散射： P Ps sTT3/2 3/2 举例：举例：Ge、SiGe、Si b、光学波散射：b、光学波散射： P P o oexp（hv/kexp（hv/k0 0T）T）-1 -1 举例：举例：GaAsGaAs The Scattering of CarriersThe Scattering of Carriers 3)其它散射机构3)其它散射机构 （1）等同能谷间散射1）等同能谷间散射高温下显著高温下显著 分类：分类：A、弹性散射B、非弹性散射A、弹性散射B、非弹性散射 The Scattering of CarriersThe Scattering of Carriers 谷间 散射 谷间 散射 电子在等同能谷中从一个极值附近散 射到另一个极值附近的散射。 电子在等同能谷中从一个极值附近散 射到另一个极值附近的散射。 （2）中性杂质散射（2）中性杂质散射在低温下重掺杂半导 体中发生. （3）位错散射 在低温下重掺杂半导 体中发生. （3）位错散射位错密度10位错密度104 4cmcm-2 -2时发 生具有各向异性的特点. （4） 时发 生具有各向异性的特点. （4）载流子与载流子间的散射载流子与载流子间的散射 在强简并下发生在强简并下发生 The Scattering of CarriersThe Scattering of Carriers ( ) P P 1 1 = 的关系和散射几率平均自由时间 = i i PP总散射几率 在时当几种散射机构同时存 4.3 迁移率与杂质浓度和温度的关系4.3 迁移率与杂质浓度和温度的关系 Temperature Dependence of Carrier Concentration and Mobility Temperature Dependence of Carrier Concentration and Mobility Temperature Dependence of Carrier Concentration and MobilityTemperature Dependence of Carrier Concentration and Mobility = = i i i i 11 11 迁移率则为 相应的平均自由时间 Temperature Dependence of Carrier Concentration and MobilityTemperature Dependence of Carrier Concentration and Mobility ( ) ( )1 2 = E v x n 定义为因 方向运动设电子沿 的关系与平均自由时间和迁移率电导率 ( )2 * = n n m qE v而 ( )( )( )321 * = n n n m q 电子迁移率 ( )4 * = p p p m q 空穴迁移率同理 Temperature Dependence of Carrier Concentration and MobilityTemperature Dependence of Carrier Concentration and Mobility np np mm GaAsSiGe 故 以及和对 * Temperature Dependence of Carrier Concentration and MobilityTemperature Dependen