關(guān)于半導(dǎo)體材料ppt課件(編輯修改稿)
2025-06-02 06:14 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 射機(jī)制上來看：在低溫下，晶格振動(dòng)較弱，因而晶格散射較弱，遷移率受電離雜質(zhì)散射作用更為明顯；在高溫下，晶格振動(dòng)較強(qiáng)，載流子運(yùn)動(dòng)速度較快，電離雜質(zhì)散射作用減弱。 總的來說，遷移率隨著雜質(zhì)的增多而下降，隨著溫度升高而下降： ?雜質(zhì)濃度低時(shí)， μ 的起點(diǎn)高、下降快； ?雜質(zhì)濃度高時(shí)， μ 的起點(diǎn)低、下降慢。 化合物半導(dǎo)體材料與器件 ?電導(dǎo)率和電阻率 ?電流密度： ? 對(duì)于一段長為 l， 截面面積為 s，電阻率為 ρ 的均勻?qū)w，若施加以電壓 V，則導(dǎo)體內(nèi)建立均勻電場(chǎng) E，電場(chǎng)強(qiáng)度大小為： 對(duì)于這一均勻?qū)w，有電流密度： IJs???I VEl?//ElIVJ s s ElsRs??? ? ? ?將電流密度與該處的電導(dǎo)率以及電場(chǎng)強(qiáng)度聯(lián)系起來，稱為歐姆定律的微分形式 化合物半導(dǎo)體材料與器件 ?半導(dǎo)體的電阻率和電導(dǎo)率 ? ?? ?? ?11drfnpnpnpI e N Av tJ N e v vA Ate n p E Ee n pe n p?? ? ?? ? ??? ??? ? ? ?? ? ?? ? ?? ? ??顯然：電導(dǎo)率（電阻率）與載流子濃度（摻雜濃度）和遷移率有關(guān) 化合物半導(dǎo)體材料與器件 右圖所示為 N型和 P型硅單晶材料在室溫 (300K)條件下電阻率隨摻雜濃度的變化關(guān)系曲線。 ?電阻率和雜質(zhì)濃度的關(guān)系 化合物半導(dǎo)體材料與器件 右圖所示為 N型和 P型鍺、砷化鎵以及磷化鎵單晶材料在室溫(300K)條件下電阻率隨摻雜濃度的變化關(guān)系曲線。 化合物半導(dǎo)體材料與器件 ?電阻率（電導(dǎo)率）同時(shí)受 載流子濃度 （雜質(zhì)濃度）和遷移率 的影響，因而電阻率和雜質(zhì)濃度不是線性關(guān)系。 ?對(duì)于非本征半導(dǎo)體來說，材料的電阻率（電導(dǎo)率）主要和 多數(shù)載流子濃度 以及 遷移率 有關(guān)。 ?雜質(zhì)濃度增高時(shí)，曲線嚴(yán)重偏離直線，主要原因： ?雜質(zhì)在室溫下不能完全電離 ?遷移率隨雜質(zhì)濃度的增加而顯著下降 ?由于電子和空穴的遷移率不同，因而在一定溫度下，不一定本征半導(dǎo)體的電導(dǎo)率最小。 化合物半導(dǎo)體材料與器件 右圖所示為一塊 N型半導(dǎo)體材料中，當(dāng)施主雜質(zhì)的摻雜濃度 ND為1E15cm3時(shí)，半導(dǎo)體材料中的電子濃度及其電導(dǎo)率隨溫度的變化關(guān)系曲線。 ?電導(dǎo)率和溫度的關(guān)系 化合物半導(dǎo)體材料與器件 從圖中可見，在非本征激發(fā)為主的 中等溫度區(qū)間 內(nèi)（即大約 200K至 450K之間），此時(shí)雜質(zhì)完全離化，即電子的濃度基本保持不變，但是由于在此溫度區(qū)間內(nèi)載流子的 遷移率隨著溫度的升高而下降 ，因此在此溫度區(qū)間內(nèi)半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率也隨著溫度的升高而出現(xiàn)了一段下降的情形。 當(dāng)溫度進(jìn)一步升高，則進(jìn)入本征激發(fā)區(qū)，此時(shí)本征載流子的濃度隨著溫度的上升而迅速增加，因此電導(dǎo)率也隨著溫度的上升而迅速增加。 而當(dāng)溫度比較低時(shí)，則由于雜質(zhì)原子的凍結(jié)效應(yīng)，載流子濃度和半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率都隨著溫度的下降而不斷減小。 化合物半導(dǎo)體材料與器件 ?電阻率和溫度的變化關(guān)系： T ρ 低溫 飽和 本征 低溫下晶格振動(dòng)不明顯，本征載流子濃度低。電離中心散射隨溫度升高而減弱，遷移率增加 雜質(zhì)全部電離，載流子濃度不變；晶格振動(dòng)散射起主要作用，隨溫度升高遷移率下降 本征區(qū)，載流子濃度隨溫度升高而迅速升高， 化合物半導(dǎo)體材料與器件 ?載流子的漂移速度飽和效應(yīng) 前邊關(guān)于遷移率的討論一直建立在一個(gè)基礎(chǔ)之上： 弱場(chǎng) 條件。即電場(chǎng)造成的漂移速度和熱運(yùn)動(dòng)速度相比較小，從而不顯著改變載流子的平均自由時(shí)間。但在強(qiáng)場(chǎng)下，載流子從電場(chǎng)獲得的能量較多，從而其速度（動(dòng)量）有較大的改變，這時(shí)，會(huì)造成平均自由時(shí)間減小，散射增強(qiáng)，最終導(dǎo)致遷移率下降，速度飽和。對(duì)于熱運(yùn)動(dòng)的電子： 上述隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)能量對(duì)應(yīng)于硅材料中電子的平均熱運(yùn)動(dòng)速度為 107cm/s；如果我們假設(shè)在低摻雜濃度下硅材料中電子的遷移率為 μ n=1350cm2/V?s，則當(dāng)外加電場(chǎng)為 75V/cm時(shí)，對(duì)應(yīng)的載流子定向漂移運(yùn)動(dòng)速度僅為 105cm/s，只有平均熱運(yùn)動(dòng)速度的 百分之一 。 化合物半導(dǎo)體材料與器件 在 弱場(chǎng) 條件下，載流子的 平均自由運(yùn)動(dòng)時(shí)間 基本上由載流子的熱運(yùn)動(dòng)速度 決定，不隨電場(chǎng)的改變而發(fā)生變化，因此弱場(chǎng)下載流子的遷移率可以看成是一個(gè)常數(shù)。 當(dāng)外加電場(chǎng)增強(qiáng)為 ，對(duì)應(yīng)的載流子定向漂移運(yùn)動(dòng)速度將達(dá)到 107cm/s，這與載流子的平均熱運(yùn)動(dòng)速度持平。此時(shí)，載流子的平均自由運(yùn)動(dòng)時(shí)間將由熱運(yùn)動(dòng)速度和定向漂移運(yùn)動(dòng)速度共同決定，因此載流子的 平均自由運(yùn)動(dòng)時(shí)間 將隨著外加電場(chǎng)的增強(qiáng)而不斷 下降 ，由此導(dǎo)致載流子的遷移率隨著外加電場(chǎng)的不斷增大而出現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，最終使得載流子的漂移運(yùn)動(dòng)速度出現(xiàn) 飽和 現(xiàn)象，即載流子的漂移運(yùn)動(dòng)速度不再隨著外加電場(chǎng)的增加而繼續(xù)增大。 *cpeEvm??化合物半導(dǎo)體材料與器件 ?簡單模型 假設(shè)載流子在兩次碰撞之間的自由路程為 l，自由時(shí)間為 t，載流子的運(yùn)動(dòng)速度為 v： 在電場(chǎng)作用下： vd為電場(chǎng)中的漂移速度， vth為熱運(yùn)動(dòng)速度。 ltv?d t hv v v??化合物半導(dǎo)體材料與器件 ?弱場(chǎng)： 31 0 /E
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