關(guān)于半導(dǎo)體材料ppt課件-wenkub.com
2025-05-03 06:14 本頁面
【正文】 霍爾效應(yīng) 帶電粒子在磁場中運動時會受到 洛倫茲力 的作用，利用這一特點，我們可以區(qū)別出 N型半導(dǎo)體材料和 P型半導(dǎo)體材料，同時還可以測量出半導(dǎo)體材料中 多數(shù)載流子 的 濃度 及其 遷移率 。一旦有了內(nèi)建電場，在非均勻摻雜的半導(dǎo)體材料中就會相應(yīng)地產(chǎn)生出內(nèi)建電勢差。 化合物半導(dǎo)體材料與器件 ? 緩變雜質(zhì)分布引起的內(nèi)建電場 熱平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體材料費米能級保持為一個常數(shù)，因而非均勻摻雜半導(dǎo)體不同位置 ?E=EcEF不同。 熱平衡狀態(tài)下：非均勻摻雜將導(dǎo)致在空間的各個位置雜質(zhì)濃度不同，從而載流子濃度不同。 ?總電流密度為四者之和： n x p x n pd n d pJ e n E e p E e D e Dd x d x??? ? ? ?漂移電流：相同的電場下，電子電流與空穴電流的方向相同。 1 0 : 8 2 0 : 1 8 1 0 0 : 9 8 1 0 0 0 0 : 9 9 9 8? ? ?化合物半導(dǎo)體材料與器件 ?粒子的擴(kuò)散 ?空間分布不均勻（濃度梯度） ?無規(guī)則的熱運動 ?若粒子帶電，則定向的擴(kuò)散形成定向的電流： 擴(kuò)散電流 光照 化合物半導(dǎo)體材料與器件 ?擴(kuò)散粒子流密度： F 一維模型：粒子只能在一維方向上運動。 ?不均勻時：高濃度區(qū)域粒子向低濃度區(qū)域運動的平均粒子數(shù)超過相反的過程，因而表現(xiàn)為粒子的凈流動，從而導(dǎo)致 定向擴(kuò)散 。由于熱運動，不同區(qū)域之間不斷進(jìn)行著載流子的交換，若載流子的分布不均勻，這種交換就會使得分布均勻化，引起載流子在宏觀上的運動。 對于 砷化鎵 晶體材料來說，其載流子的漂移速度隨外加電場的變化關(guān)系要比硅和鍺單晶材料中的情況復(fù)雜得多，這主要是由砷化鎵材料特殊的 能帶結(jié)構(gòu) 所決定的。 *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，自由時間為 t，載流子的運動速度為 v： 在電場作用下： vd為電場中的漂移速度， vth為熱運動速度。對于熱運動的電子： 上述隨機(jī)熱運動能量對應(yīng)于硅材料中電子的平均熱運動速度為 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)外加電場為 75V/cm時，對應(yīng)的載流子定向漂移運動速度僅為 105cm/s，只有平均熱運動速度的 百分之一 。 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 低溫下晶格振動不明顯，本征載流子濃度低。 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，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。當(dāng)有多個獨立的散射機(jī)制同時存在時，上式依然成立，這也意味著由于 多種散射機(jī)制 的影響，載流子 總的遷移率將會更低 。從圖中可見，隨著摻雜濃度的提高，砷化鎵材料中載流子的遷移率同樣也發(fā)生明顯的下降。從圖中可見，隨著摻雜濃度的提高，載流子的遷移率發(fā)生明顯的下降。 化合物半導(dǎo)體材料與器件 載流子在半導(dǎo)體晶體材料中運動時所受到的第二類散射機(jī)制是所謂的 離化雜質(zhì) 電荷中心的 庫侖散射 作用。 化合物半導(dǎo)體材料與器件 ?典型半導(dǎo)體的載流子遷移率 空穴和電子的遷移率不同來源于其有效質(zhì)量不同 化合物半導(dǎo)體材料與器件 ?在弱場下，主要的散射機(jī)制： ?晶格散射，電離雜質(zhì)散射 單純由晶格振動散射所決定的載流子遷移率隨溫度的變化關(guān)系為： 3 / 2L T? ??隨著溫度的升高，晶格振動越為劇烈，因而對載流子的散射作用也越強(qiáng)，從而導(dǎo)致遷移率越低 化合物半導(dǎo)體材料與器件 如圖所示為不同 摻雜濃度 下，硅單晶材料中電子的遷移率隨溫度的變化關(guān)系示意圖。利用用平均漂移時間，可求得平均最大漂移速度為： 1 2 3 4 電場 E 1 2 3 4 *cppeEvm??化合物半導(dǎo)體材料與器件 因而空穴遷移率可表示為： *cpppem?? ??同理，電子的平均漂移速度為： *dnpevEm???化合物半導(dǎo)體材料與器件 ?根據(jù)遷移率和速度以及電場的關(guān)系，知道： *nnem?? ?可以看到遷移率與有效質(zhì)量有關(guān)。 此時晶體中的載流子將在無規(guī)則熱運動的基礎(chǔ)上疊加一定的定向運動。例如，假設(shè)某一時刻晶體中的某些載流子的速度具有某一相同的方向，在經(jīng)過一段時間以后，由于碰撞，將使這些載流子的速度 機(jī)會均等 地分布在各個方向上。 化合物半導(dǎo)體材料與器件 ?半導(dǎo)體中電子和空穴的運動 1 2 3 4 1 2 3 4 電場 E 1 2 3 4 無外場條件下載流子的無規(guī)則熱運動 外場條件下空穴的熱運動和定向運動 外場條件下電子的熱運動和定向運動 化合物半導(dǎo)體材料與器件 ?晶格散射 晶格原子振動以格波來描述。實際的接觸為碰撞。
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