4.1.载流子的漂移（载流子的漂移（drift）运动）运动半导体中的载流子在外场的作用下，作定向运动半导体中的载流子在外场的作用下，作定向运动-漂移运动。漂移运动。相应的运动速度相应的运动速度-漂移速度漂移速度 。漂移运动引起的电流漂移运动引起的电流-漂移电流。漂移电流。第第4章章 半导体的导电性半导体的导电性 (Electrical Conductivity)1、 drift (漂移)1定性分析：迁移率的大小反映了载流子迁移的难易程度。定性分析：迁移率的大小反映了载流子迁移的难易程度。可以证明：可以证明：2 Mobility（迁移率）（迁移率）-迁移迁移率率单位电场下，单位电场下，载流子的载流子的平均平均漂移速度漂移速度23 影响迁移率的因素影响迁移率的因素 不同材料，载流子的有效质量不同；但材料一定，有效质不同材料，载流子的有效质量不同；但材料一定，有效质量则确定。量则确定。 对于一定的材料，迁移率由平均自由时间决定。也就是对于一定的材料，迁移率由平均自由时间决定。也就是由载流子被由载流子被散射散射的情况来决定的。的情况来决定的。3半导体的主要散射（半导体的主要散射（scatting）机构：）机构：* Phonon （lattice）scattering 声子（晶格）散射声子（晶格）散射* Ionized impurity scattering 电离杂质散射电离杂质散射* scattering by neutral impurity and defects 中性杂质和缺陷散射中性杂质和缺陷散射* Carrier-carrier scattering 载流子之间的散射载流子之间的散射* Piezoelectric scattering 压电散射压电散射4能带边缘非周期性起伏能带边缘非周期性起伏5（1）晶格振动散射）晶格振动散射声学波声子散射几率：声学波声子散射几率：光学波声子散射几率：光学波声子散射几率：6（2）电离杂质散射）电离杂质散射电离杂质散射几率：电离杂质散射几率：总的散射几率：总的散射几率：P=PS+PO+PI+ -总的迁移率：总的迁移率：7主要散射机制电离杂质的散射：电离杂质的散射：晶格振动的散射：晶格振动的散射：温度对散射的影响温度对散射的影响8轻掺杂时轻掺杂时 电离杂质散射可忽略电离杂质散射可忽略迁移率迁移率4.2 迁移率与杂质浓度和温度的关系迁移率与杂质浓度和温度的关系1. 迁移率迁移率杂质浓度杂质浓度非轻掺杂时非轻掺杂时杂质浓度杂质浓度电离杂质散射电离杂质散射92. 迁移率与温度的关系迁移率与温度的关系轻掺：轻掺：忽略电离杂质散射忽略电离杂质散射高温：高温： 晶格振动散射为主晶格振动散射为主T晶格振动散射晶格振动散射非轻掺：非轻掺：低温：低温： 电离杂质散射为主电离杂质散射为主 T电离杂质散射电离杂质散射T晶格振动散射晶格振动散射104.3 载流子的迁移率与电导率的关系载流子的迁移率与电导率的关系(MobilityConductivity)-殴姆定律的微分形式1. 殴姆定律的微分形式殴姆定律的微分形式112. 电流密度另一表现形式电流密度另一表现形式12 3.电导率与迁移率的关系电导率与迁移率的关系13Ez电导迁移率电导迁移率 电导有效质量电导有效质量 144.4 电阻率与掺杂、温度的关系电阻率与掺杂、温度的关系1. 电阻率与杂质浓度的关系电阻率与杂质浓度的关系轻掺杂：轻掺杂：常数；常数；n=ND p=NA 电阻率与杂质浓度电阻率与杂质浓度成简单反比关系。成简单反比关系。非轻掺杂非轻掺杂：杂质浓度：杂质浓度 n、p：未全电离：未全电离;杂质浓度杂质浓度 n（p） 杂质浓度增高时，曲线严重偏离直线。杂质浓度增高时，曲线严重偏离直线。原因原因152. 电阻率与温度的关系电阻率与温度的关系： T T 电离杂质散射电离杂质散射 *低温低温n（未全电离）未全电离）：T n ： T T 晶格振动散射晶格振动散射 *中温中温n（全电离）全电离）： n=ND 饱和饱和： T T 晶格振动散射晶格振动散射 *高温高温n（本征激发开始）本征激发开始）：T n 1617例题1819例例. 室温下室温下,本征锗的电阻率为本征锗的电阻率为47，(1)试求本征载流子浓度。试求本征载流子浓度。(2)若掺入锑杂质，使每若掺入锑杂质，使每106个锗中有一个杂质原子，计算室温下个锗中有一个杂质原子，计算室温下电子浓度和空穴浓度。（电子浓度和空穴浓度。（3）计算该半导体材料的电阻率。设杂）计算该半导体材料的电阻率。设杂质全部电离。锗原子浓度为质全部电离。锗原子浓度为4.4/3,n=3600/Vs且不随掺杂而且不随掺杂而变化变化.解解:204.5 Hight-Field Effects (强电场效应强电场效应)1 欧姆定律的偏离欧姆定律的偏离21电场不太强时：电场不太强时：与电场无关，欧姆定律成立。与电场无关，欧姆定律成立。电场强到一定程度（电场强到一定程度（103 V/cm）后：后：与电场有关，欧姆定律不成立。与电场有关，欧姆定律不成立。 平均漂移速度随外电场的增加而加快的速度变得平均漂移速度随外电场的增加而加快的速度变得比较慢。比较慢。饱和漂移速度饱和漂移速度/极限漂移速度。极限漂移速度。 电场很强时：电场很强时：平均漂移速度趋于饱和平均漂移速度趋于饱和22解释：解释：* 载流子与晶格振动散射交换能量过程载流子与晶格振动散射交换能量过程* 平均自由时间与载流子运动速度有关平均自由时间与载流子运动速度有关 加弱电场时，载流子从电场获得能量，使加弱电场时，载流子从电场获得能量，使载流子载流子发射的声发射的声子数略多于吸收的声子数。但仍可认为载流子系统与晶格系统子数略多于吸收的声子数。但仍可认为载流子系统与晶格系统保持热平衡状态。保持热平衡状态。 加强电场时，载流子从电场获得加强电场时，载流子从电场获得很多很多能量，使能量，使载流子的平载流子的平均能量比热平衡状态时的大，均能量比热平衡状态时的大，因而载流子系统与晶格系统不再因而载流子系统与晶格系统不再处于热平衡状态。处于热平衡状态。23* 平均自由时间与载流子运动速度有关平均自由时间与载流子运动速度有关24无电场时：无电场时：平均自由时间与电场无关低电场时：低电场时：平均自由时间与电场基本无关强电场时：强电场时：平均自由时间由两者共同平均自由时间由两者共同决定。决定。25与光学波声子散射与光学波声子散射 载流子从电场获得的能量大部分又消失载流子从电场获得的能量大部分又消失,故平均漂故平均漂移速度可以达到饱和。移速度可以达到饱和。极强电场时：极强电场时：264.3 Intervalley Carrier Transfer （能谷间的载流子转移）（能谷间的载流子转移）1 Intervalley Scattering ( 能谷间散射）能谷间散射）27物理机制：物理机制：从能带结构分析从能带结构分析n1n2*Central valley*Satellite valley28中心谷：中心谷：卫星谷：卫星谷：卫星能谷中电子的漂移远比中心能谷中电子的漂移慢卫星能谷中电子的漂移远比中心能谷中电子的漂移慢.谷谷2（卫星谷）：（卫星谷）：E-k曲线曲率小曲线曲率小291 电场很低电场很低2 电场增强电场增强3 电场很强电场很强2 Negetive differential conductance(负微分电导负微分电导)30 在某一个电场强度在某一个电场强度区域，电流密度随电场区域，电流密度随电场强度的增大而减小。强度的增大而减小。负的微分电导（负的微分电导（negetive differential conductance）。）。 NDC31阈电场（threshold field）对于GaAs：实验现象：实验现象：3 Gunn effect (耿氏效应耿氏效应)3233