半導(dǎo)體物理第五章ppt課件(編輯修改稿)
2025-06-02 12:47 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 在 300K條件下，電阻率隨摻雜濃度的變化關(guān)系曲線。 半導(dǎo)體材料的歐姆定律 對(duì)于如圖所示的一塊半導(dǎo)體材料，當(dāng)在其兩端外加電壓 V時(shí)，流過(guò)截面 A的電流密度為： AIJ ?在半導(dǎo)體材料中形成的電場(chǎng)強(qiáng)度為 上式即為半導(dǎo)體材料中的歐姆定律。 利用 可得到 假設(shè)有一塊摻雜濃度為 NA的 P型半導(dǎo)體材料（ ND＝ 0），且 NAni，假設(shè)電子和空穴的遷移率基本上是在一個(gè)數(shù)量級(jí)上，則半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率為： 假設(shè)雜質(zhì)完全離化，則有： 結(jié)論： 非本征半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率（或電阻率）主要由多數(shù)載流子的濃度及其遷移率決定。 對(duì)于本征半導(dǎo)體材料，其電導(dǎo)率可以表示為： 注意， 由于電子和空穴的遷移率一般情況下并不相等，因此本征電導(dǎo)率并非是在特定溫度下半導(dǎo)體材料電導(dǎo)率的最小值。 小結(jié) : – 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。 – 雜質(zhì)濃度增高時(shí)，曲線嚴(yán)重偏離直線，主要原因： 遷移率隨雜質(zhì)濃度的增加而顯著下降。 – 對(duì)于非本征半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，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)。 – 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。 電導(dǎo)率同溫度的關(guān)系： 施主濃度 ND為 1E15cm3 ， N型半導(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 。 總結(jié) : 1） 中等溫度區(qū) （ 200K至 450K）：在此溫度區(qū)內(nèi)載流子以非本征激發(fā)為主，雜質(zhì)完全電離，電子的濃度基本保持不變；但在該溫度區(qū)內(nèi)，載流子的遷移率隨溫度的升高而下降，因此半導(dǎo)體的電導(dǎo)率隨溫度的升高出現(xiàn)了一段下降的情形。 2） 高溫區(qū) （本征激發(fā)區(qū)），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。 3） 低溫區(qū)， 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。 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。 在 T=300K的室溫條件下，載流子的隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)能量可表示為： 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 。 因此，在低電場(chǎng)的情況下，載流子的平均自由運(yùn)動(dòng)時(shí)間由載流子的熱運(yùn)動(dòng)速度決定，不隨電場(chǎng)的改變而發(fā)生變化，因此低電場(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)到 ，對(duì)應(yīng)的載流子定向漂移運(yùn)動(dòng)速度將達(dá)到 107cm/s，已經(jīng)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。 – 簡(jiǎn)單模型 假設(shè)載流子在兩次碰撞之間的自由路程為 l，自由運(yùn)動(dòng)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， vT為熱運(yùn)動(dòng)速度。 vlt ?Td vvv ??? 弱場(chǎng)： 31 0 /E V c m?平均漂移速度 ： dT vv ??scmv T /10 7?Tvlt ?Tnn vmelme?? ????EEv d ?? ?? 較強(qiáng)電場(chǎng)： ? 強(qiáng)電場(chǎng)： 351 0 1 0 /E V c m??Td VVlt??dE V t ??? ? ? ? ?， ， ， ，∴ 平均漂移速度 vd 隨電場(chǎng)增加而緩慢增大 51 0 /E V
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