半導(dǎo)體物理第五章ppt課件-在線瀏覽
2025-06-23 12:47本頁(yè)面
【正文】 ENqJ drf ??對(duì)于半導(dǎo)體材料中的空穴，其漂移電流密度可表示為： 同樣，對(duì)于半導(dǎo)體材料中的電子，其漂移電流密度可表示為： μ n、 μ p分別為電子和空穴的遷移率。 定義 ：弱電場(chǎng)情況下 對(duì)于空穴而言，則有： Ev??假設(shè)空穴的初始速度為零，對(duì)上式積分則有 自由運(yùn)動(dòng)時(shí)間： 連續(xù)兩次散射之間的載流子自由運(yùn)動(dòng) 的平均時(shí)間。 則空穴在一次自由運(yùn)動(dòng)時(shí)間內(nèi)所獲得的定向漂移運(yùn)動(dòng)速度為 : 則空穴的遷移率為 同樣，對(duì)電子來(lái)說(shuō)，設(shè)其自由運(yùn)動(dòng)時(shí)間為 τ ，則有： ● 遷移率與有效質(zhì)量有關(guān)。 ● 遷移率與平均自由運(yùn)動(dòng)時(shí)間有關(guān)。 平均自由運(yùn)動(dòng)時(shí)間與散射幾率有關(guān)。 1）晶格振動(dòng)散射 當(dāng)溫度高于絕對(duì)零度時(shí)，半導(dǎo)體晶體中的原子具有一定的熱能，在其晶格位置上作無(wú)規(guī)則的熱振動(dòng)。 由晶格振動(dòng)散射所決定的載流子遷移率隨溫度的 變化關(guān)系為： 隨著溫度的升高，晶格振動(dòng)越為劇烈，因而對(duì)載流子的散射作用也越強(qiáng)，從而導(dǎo)致遷移率越低 硅單晶材料中電子的遷移率隨溫度的變化。 這表明在低摻雜濃度的條件下，電子的遷移率主要受晶格振動(dòng)散射的影響。 這表明在低摻雜濃度 的條件下，空穴的遷 移率也是主要受晶格 振動(dòng)散射的影響。 2）電離雜質(zhì)散射 電離的雜質(zhì)在它的周圍鄰近地區(qū)形成庫(kù)侖場(chǎng)，庫(kù)侖作用引起的散射會(huì)改變載流子的速度。 經(jīng)典碰撞：實(shí)際的接觸為碰撞。盡管沒有實(shí)際接觸，但由于阻礙車的存在，造成了汽車本身速度大小和方向的改變。 由電離雜質(zhì)散射所決定的載流子遷移率隨溫度和總的電離雜質(zhì)濃度的變化關(guān)系為： 其中 NI＝ ND＋ ＋ NA－ ， NI為總的離化雜質(zhì)濃度。 離化雜質(zhì)濃度越高 ，散射中心增多，載流子遭受散射的機(jī)會(huì)越多，遷移率越小。 由圖可知，隨著摻雜濃度的提高，載流子的遷移率發(fā)生明顯的下降。 由圖可知，隨著摻雜濃度的提高，鍺材料中載流子的遷移率也發(fā)生明顯的下降。 由圖可知，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。 物理意義： 載流子在半導(dǎo)體晶體材料中所受到的總散射幾率等于各個(gè)不同散射機(jī)制的散射幾率之和，這對(duì)于多種散射機(jī)制同時(shí)存在的情況也是成立的。 當(dāng)有多個(gè)獨(dú)立的散射機(jī)制同時(shí)存在時(shí)，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(huì)更低。 )( pn pne ??? ?? 半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率和電阻率 有外加電場(chǎng)作用的情況下，半導(dǎo)體材料中的載流子漂移電流密度為： 電導(dǎo)率的倒數(shù)就是電阻率，其表達(dá)式為 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) 硅單晶材料在 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。 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。 – 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。 – 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。 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。 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。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 。 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
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