[工學]第四章畫法幾何(已修改)
2025-10-20 17:50 本頁面
【正文】 第四章 半導體的導電性 本章探討載流子的運動規(guī)律 。 討論載流子在外加電場作用下的漂移運動 ， 討論半導體的遷移率 、 電導率 、 電阻率隨溫度和雜質(zhì)濃度的變化規(guī)律 。 為了解遷移率的本質(zhì) ， 著重討論一個重要概念 — 載流子的散射概念 ? 電子的漂移運動 ? 載流子的散射概念 ? 遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關系 ? 電阻率及其與雜質(zhì)濃度和溫度的關系 ? 玻耳茲曼方程 電導率的統(tǒng)計理論 ? 霍耳效應 加上外電場 E的理想 :載流子定向運動，即 漂移運動 。 1 載流子的漂移運動 遷移率 結(jié)論 ： 在嚴格周期性勢場（理想）中運動的 載流子在電場力的作用下將獲得加速 度，其漂移速度應越來越大 。 存在破壞周期性勢場的作用因素： 如 ： * 雜質(zhì) * 缺陷 * 晶格熱振動 散射 實際中， 1 電子的漂移運動 ? 電流的微觀機制 /I V R? lR s??VEl?//IJ V sR V s s l Es ??? ? ? ?1 電子的漂移運動 1dI n q v s? ? ?dJ n q v?1 電子的漂移運動 ? 電流的微觀機制 ?在電場中，電子作定向運動，即漂移運動： ?如半導體中電子密度 n， 平均漂移運動速度 υd ?遷移率 EJ ??dvnqJ ?d d EE?? ? ???EnqJ ?? ?? nq?遷移率的意義： 表征了在單位電場下載流子的平均漂移速度。 它是表示半導體電遷移能力的重要參數(shù)。 ? 半導體電導率和遷移率 ? 半導體在 弱電場強度中，半導體中的載流子在電場作用下的運動仍遵守歐姆定律，半導體中存在著兩種載流子， 電子和空穴 ? 電場中空穴沿電場方向漂移，電子反電場方向漂移 ： ?半導體中的導電作用應該是電子導電和空穴導電的總和 ?電子遷移率與空穴遷移率不相等，前者要大些。以 μn和 μp分別代表電子和空穴遷移率， n和 p分別代表電于和空穴電流密度則總電流密度： ? 半導體電導率 ?對于 n型半導體 np, ?對于 p型半導體 p n, ?對于本征半導體： EpqnqJJJ pnpn )( ?? ????pn pqnq ??? ??nnq?? ?ppq?? ?)( pnii qn ??? ??2 載流子的散射 ? 散射的概念 ? 半導體內(nèi)部的大量載流子，在作永不停息地、無規(guī)則的熱運動； ? 載流子不斷地與熱振動著的晶格原子或雜質(zhì)原子發(fā)生作用或碰撞，碰撞后的速度大小及方向就發(fā)生改變； ? 載流子在外電場作用下的實際運動軌跡應該是熱運動和漂移運動的疊加。漂移運動形成了電流； ? 載流子在兩次散射之間才真正是自由運動的。 自由程 l： 相鄰兩次散射之間自由運動的路程。 平均自由程： 連續(xù)兩次散射間自由運動的平均路程。 動的平均運動時間連續(xù)兩次散射間自由運平均自由時間? ???? 半導體中的散射機構 ? 散射的根本原因可以認為是由于多種原因產(chǎn)生的附加勢場，破壞了周期性勢場，使能帶中的電子在不同狀態(tài) k間躍遷 。 ? 產(chǎn)生附加勢場的原因： ?電離雜質(zhì)的散射：電離施主或受主周圍形成一個庫侖勢場 ?晶格振動的散射 ?其它散射因素 ： ? 等同的能谷間散射 ? 未電離中性雜質(zhì)散射 ? 位錯散射 ? 載流子之間散射 ? 1) 晶格振動散射 ?晶格振動： ? 格點原子在平衡位置做微振動： q和 ω為振動格波的波矢量和角頻率低的格波稱為聲學波，頻率高的稱為光學波 。 一般地，如晶體中含 N個晶胞，每個晶胞有 n個原子，則：晶體振動共有： 3nN個振動頻率； 3N支聲學波； 3N(n1)支光學波 。 格波的速度 （ 相速度 ） 為 由于晶格結(jié)構的周期性 ， 頻率 v的格波的能量是量子化的 ，格波的能量以 ?=hv為單元 。 把格波的能量量子稱為 聲子 )()( tn q aix Ae ?? ??hvn )21( ?q????聲學波散射 ? 能帶具有單一極值的半導體中起主要散射作用的是長波，也就是波長比原子間距大很多倍的格波。 ? 縱波在散射中起主要作用。長縱聲學波傳播時會造成原子分布的疏密變化；禁帶寬度隨原于間距變化，疏處禁帶寬度減小、密處增大。引起能帶極值的改變。處于導帶底或價帶頂?shù)碾娮踊蚩昭?，在半導體的不同地點，其能量就有差別。縱波引起的能帶起伏，對載流子如同附加勢場的作用，對電子產(chǎn)生散射作用。 ? 橫聲學波要引起一定的切變，對具有多極值、旋轉(zhuǎn)橢球等能面的鍺、硅來說，也將引起能帶極值的變化。 ?光學波散射 ? 離子性半導體中 ， 長縱光學波有重要的散射作用。 ? 每個原胞內(nèi)正負離子振動位移相反，正負離子形成硫密相間的區(qū)域，造成在一半個波長區(qū)域內(nèi)帶正電，另一半個波長區(qū)域內(nèi)帶負電，將產(chǎn)生微區(qū)電場，引起載流子散射。 ?長聲學波振動，聲子的速度很小，散射前后電子能量基本不變，－－彈性散射 光學波頻率較高 ， 聲子能量較大 ， 散射前后電子能量有較大的改變 ， －－非
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