半导体物理(第4章)

1第4章半导体的导电性本章主要讨论载流子在外加电场资源下的漂移运动，半导体的迁移率、电阻率随杂质浓度和温度的变化规律。为了深入理解迁移率的本质，引入了散射的概念。定性讲解了强电场下的效应，并介绍了热载流子的概念。应用谷间散射解释耿氏效应。2§4.1载流子的漂移运动和迁移率§4.1.1欧姆定律欧姆定律为了半导体内部常遇到电流分布不均匀的情况，推导出欧姆定律的微分形式式中σ=1/ρ为半导体电导率。RVIVIREJ3§4.1载流子的漂移运动和迁移率§4.1.2漂移速度和迁移率无外场时，半导体中的载流子作无规则的热运动在外电场下，载流子受到电场力F总的效果是，载流子在电场力的作用下作定向运动—漂移运动：dv/dt=(1/m*)F4§4.1载流子的漂移运动和迁移率§4.1.2漂移速度和迁移率载流子在电场力作用下的运动称为漂移运动，其定向运动的速度称为漂移速度。带电粒子的定向运动形成电流，所以对电子而言，电流密度应为dvqnJ)(式中dv是电子的平均漂移速度（反映电子飘逸运动的能力）dv5§4.1载流子的漂移运动和迁移率§4.1.2漂移速度和迁移率对掺杂浓度一定的半导体，当外加电场恒定时，平均漂移速度应不变，相应的电流密度也恒定；电场增加，电流密度和平均漂移速度也相应增大。即平均漂移速度与电场强度成正比例Evd为迁移率，表征单位场强下电子平均飘移速度，单位为m2/V·s或cm2/V·s，迁移率一般取正值Evd由此得到电导率和迁移率的关系nq6§4.1载流子的漂移运动和迁移率§4.1.3半导体的电导率nnnqpn,pqnqpnpppqnp,在实际半导体中：n型半导体：p型半导体：本征型半导体：iipninqpnn,7§4.2载流子散射§4.2.1载流子散射的概念理想的完整晶体里的电子处在严格的周期性势场中,如果没有其他因素的作用,其运动状态保持不变(用波矢k标志).但实际晶体中存在的各种晶格缺陷和晶格原子振动会在理想的周期性势场上附加一个势场,它可以改变载流子的状态.这种势场引起的载流子状态的改变就是载流子散射.原子振动、晶格缺陷等引起的载流子散射,也常被称为它们和载流子的碰撞.散射机理:晶格原子振动、杂质和缺陷附加势场改变载流子状态载流子散射载流子无规则运动热平衡状态半导体内无电流8§4.2载流子散射§4.2.2半导体的主要散射机构1.电离杂质散射半导体中的电离杂质形成正、负电中心，对载流子有吸引或排斥作用，从而引起载流子散射。图为电离施主对电子和空穴的散射.电离杂质对载流子的散射载流子的轨道是双曲线，电离杂质在双曲线的一个焦点上。电离杂质散射几率,代表单位时间内一个载流子受到散射的次数。2/3TNPii温度越高，载流子热运动平均速度越大，载流子更易掠过电离杂质，偏转就小，散射概率越小。9§4.2载流子散射§4.2.2半导体的主要散射机构2.晶格散射（1）声学波和光学波晶格振动：晶体中的原子在其平衡位置附近作微振动格波：晶格振动可以分解成若干基本振动,对应的基本波动,即为格波格波能够在整个晶体中传播.格波的波矢q：q=1/λ10格波波数矢量：取决于晶体原胞中的原子数，每个原子对应一个q具有3个格波。频率低的为声学波，频率高的是光学波。无论声学波还是光学波均为一纵（振动与波传播方向相同）两横（振动与波传播方向垂直）。在长波范围内，声学波的频率与波数成正比，光学波的频率近似是一个常数。格波的能量是量子化的:ahvn)21(11图4-7图4-8纵波横波声学波光学波12图4-6金刚石结构,3支声学波,(1支LA,2支TA)3支光学波(1支LO,2支TO)13§4.2载流子散射§4.2.2半导体的主要散射机构格波能量每增加或减少，称作吸收或释放一个声子。声子--格波的能量子能量hυ,准动量hq根据玻耳兹曼统计理论，温度为T时，频率为υa的格波的平均能量平均声子数ahvaaahTkhh]1)exp(1[2101)exp(10Tkhnaq14§4.2载流子散射§4.2.2半导体的主要散射机构电子与声子的碰撞遵循两大守恒法则准动量守恒能量守恒一般而言，长声学波散射前后电子的能量基本不变，为弹性散射。光学波散射前后电子的能量变化较大，为非弹性散射。hqhkhk'ahvEE'15§4.2载流子散射§4.2.2半导体的主要散射机构（2）声学波散射在长声学波中，纵波对散射其主要作用，通过体变产生附加势场。单一极值，球形等能面的半导体其中u纵弹性波波速vuhmTkPncs242*02)(160VVEcc23TPs16图4-10纵声学波造成原子分布疏密变化纵光学波形成空间带正,负电区域17§4.2载流子散射§4.2.2半导体的主要散射机构（3）光学波散射正负离子的振动位移产生附加势场离子晶体中光学波对载流子的散射几率)(1]1)exp(1[)()(00210230TkhvfTkhvTkhvPlll18§4.2载流子散射§4.2.3半导体的其它散射机构1.等同的能谷间散射g散射：同一坐标轴能谷间散射f散射：不同坐标轴能谷间散射其中第一项对应吸收一个声子的概率)exp(1)exp()1Re(1)exp()1(0021021TkhvTkhvhvETkhvhvEPaaaaa21021)1(1)exp()1(aqaaahvEnTkhvhvEP19§4.2载流子散射§4.2.3半导体的主要散射机构第二项对应发射一个声子的概率2.中性杂质散射在重掺杂半导体中起作用3.位错散射各向异性，位错密度高的材料不能忽略210021)1Re()1()exp(1)exp()1Re(aqaaaehvEnTkhvTkhvhvEP20§4.3迁移率与杂质浓度和温度的关系§4.3.1平均自由时间与散射概率的关系不考虑载流子速度的统计分布散射几率P和平均自由时间τ是描述散射的两个重要参量散射几率P--单位时间内每个载流子平均发生的散射次数平均自由时间—相邻两次散射之间的平均时间间隔P121§4.3迁移率与杂质浓度和温度的关系§4.3.1平均自由时间与散射概率的关系在被散射的电子数上式的解为其中N0为t=0时刻未遭散射的电子数在被散射的电子数平均自由时间ttt~)()()(ttNtNtPtN)()()(lim)(0tPNttNttNdttdNtPteNtN0)(ttt~dtPeNPt000011PtdtPeNNPt22§4.3迁移率与杂质浓度和温度的关系§4.3.2电导率、迁移率与平均自由时间的关系t=0时刻遭到散射，经过t后再次被散射多次散射后，在x方向上的分量为0根据迁移率的定义tEmqvvnxx*00v0*0dttPeEmqvvPtnxx00xvnnxEmqv*Evx23§4.3迁移率与杂质浓度和温度的关系§4.3.2电导率、迁移率与平均自由时间的关系电子迁移率空穴迁移率各种不同类型材料的电导率n型：p型：混合型：*nnnmq*ppnmq*2nnnnmnqnq*2ppppmpqpq*2*2nnppnppmnqmpqnqpq24§4.3迁移率与杂质浓度和温度的关系§4.3.2电导率、迁移率与平均自由时间的关系对于等能面为旋转椭球面的多极值半导体令所以mc称为电导有效质量，对于硅mc=0.26m0由于电子电导有效质量小于空穴电导有效质量，所以电子迁移率大于空穴迁移率。xxxxEnqEqnEqnEqnJ)(31333321321xcxEnqJcncmq)(31321)21(311tlcmmm25§4.3迁移率与杂质浓度和温度的关系§4.3.3迁移率与杂质和温度的关系ememccem即:μ∝τ∝1/P1/μ∝1/τ∝P当认为半导体中各种散射彼此独立，则有:总散射几率:P=PI+PS+PO1/μ=1/μI+1/μS+1/μO实际迁移率主要取决于最小的分迁移率26§4.3迁移率与杂质浓度和温度的关系§4.3.3迁移率与杂质和温度的关系3/213/2IIIIPNTNT1(1)(1)hhkTkTOOPnee②③几种散射同时存在时,有:1111soIqm*1111soI实际的τ与迁移率μ由各种散射机构中最小的τ和迁移率决定，此时相对应的散射最强.①（电离杂质散射）与温度的关系：3/23/2SSPTT（声学波散射）（光学波散射）27§4.3迁移率与杂质浓度和温度的关系§4.3.3迁移率与杂质和温度的关系0IN可忽略Iso111L讨论：1.在高纯材料中，情况如何？KK150100~以上时，㏒μ~㏒T的关系曲线为线性，表明μ是T的幂函数.72952910321012....:TTSLpLni83296617100511094....:TTGLpLne可见，随着T的增大,μ下降的速度要比声学波散射的T-3/2的规律要快，这是因为长光学波散射也在起作用，是二者综合作用的结果.28§4.3迁移率与杂质浓度和温度的关系§4.3.3迁移率与杂质和温度的关系2.在掺有杂质的半导体中T一定（室温）时，由㏒μ～㏒N关系曲线,得IL111GaAsGeSi㏒μ10210181019㏒NIINN与掺杂浓度的关系：29§4.3迁移率与杂质浓度和温度的关系§4.3.3迁移率与杂质和温度的关系若掺杂浓度一定，㏒μ～T的关系为：-10020001001015cm-3㏑μn1013cm-31016cm-31017cm-31018cm-31019cm-3T（℃）（Si中电子迁移率）32ssI321IIT111TN在硅中有Ls所以与温度的关系：30§4.3迁移率与杂质浓度和温度的关系§4.3.3迁移率与杂质和温度的关系-1sII-3232-1sIIANBTCTNNI↑→电离杂质散射渐强→μ随T下降的趋势变缓NI很大时（如1019cm-3）,在低温的情况下,T↑,μ↑（缓慢）,说明杂质电离项作用显著;在高温的情况下,T↑,μ↓，说明晶格散射作用显著.23I23TBNCT1NI很小时,[1013(高纯)—1017cm-3(低掺)].BNI/T3/2CT3/2.所以,随着温度的升高，迁移率μ下降.即T↑，μ↓.此时晶格散射起主要作用.总之：低温和重掺杂时，电离杂质散射主要;高温和低掺杂时，晶格振动散射为主要的.31§4.4电阻率与杂质浓度和温度的关系（1）电阻率与温度的关系：pnpnpqnqpqnq1①低温区：T↑,n↑,μ↑.(电离杂质散射).主要由n-T的变化决定.温度较低时，载流子主要来源于杂质电离，随温度升高杂质电离加强使载流子浓度增加。另一方面低温下载流子散射以电离散射为主，温度升高，散射减弱迁移率增加，电阻率随温度升高而下降32§4.4电阻率与杂质浓度和温度的关系②温度升高到杂质饱和电离区：n基本不变,晶格振动散射是主要的.随着温度T的升高,迁移率μn下降,电导率σ也下降.即T↑→μn↓→σ↓→ρ↑③进入本征区后：随着温度T的升高,载流子浓度n以e指数的形式增加,而迁移率μn以幂指数的形式下降,电导率σ也升高.即T↑→n↑,μn↓→σ↑→ρ↓33§4.4电阻率与杂质浓度和温度的关系求室温下本征硅的电阻率。在本征硅中掺入百万分之一的硼之后，其电阻率比本征电阻率降了多少倍？(2)电阻率与杂质浓度的关系：34§4.4电阻率与杂质浓度和温度的关系型：型：P1111pnpnpqNnqpqnq