半导体物理第四章

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半导体物理学第四章

半导体物理学第四章
2
算术平均速度:
8kT 5 7 10 m / s 10 cm / s * m
作为比较: 声速~ 340m / s ,波音767~272m / s
§4.1 载流子的漂移运动,迁移率
无规则运动的原因:载流子(电子)在运动过程中 遭到散射,每次散射后它们的运动方向及速度大小 均发生变化,而且这种变化是随机的,所以速度不 能无限增大。 ②有规则运动(条件:存在电场或载流子浓度梯度)
a) 施加电场,电子(空穴)作 漂移运动,在电场方向上获 得加速度。
设电压为 V ,则电场
q * F qE m a a * E m
V E L

图4-1-1 电子在电 场中的运动
§4.1 载流子的漂移运动,迁移率
每次散射经过时间△t,得到附加度 j nqd 。
n型,n p, n N D , n 1 1 N D qn
n
§4.1 载流子的漂移运动,迁移率
1 p型, p n, p N A , p p N A q p
本征,ni pi , i 1
1
i

1 ni q( n p )
n type, 用N D N A 代替N D 存在杂质补偿时 p type, 用N A N D 代替N A

V ( x)
x 0,V (0) V0 示意图 V ( x) V0 Ex V0 x xd ,V ( xd ) 0, E x const d V0 电子电势能 qV ( x) qV0 qEx qV0 q x x0 设 xd 处为电势零点,对应的导带底为 Ec 0 V0 Ec ( x) Ec 0 qV ( x) Ec 0 qV0 qEx Ec 0 qV0 q x 则: xd

半导体物理-第四章-载流子的输运现象PPT课件

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• 学习的目的:最终确定半导体器件I-V特性的基础。 • 本章所作的假设:虽然输运过程中电子和空穴净流动,
但是热平衡状态不受到干扰。
.
2
4.1 载流子的漂移运动
一、电导微观理论(刘恩科书p106)
单位: 西门子/米 1S=1A/V=1/Ω
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3
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4
二、半导体的电导率和迁移率
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5
4.2 载流子的散射
一、
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1、
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9
二、
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小结:
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4.3 迁移率与杂质浓度和温度的关系
一、
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二、
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4.4 强电场下的输运
一、欧姆定律的偏离和热载流子
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.Leabharlann 21.22
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24
第四章 载流子的输运现象
书 第五章
.
1
• 在半导体中电子和空穴的净流动产生电流,把载流子的 这种运动称为输运。
• 本章介绍半导体晶体中两种基本输运机制: 1、漂移运动:由电场引起的载流子运动。 2、扩散运动:由浓度梯度引起的载流子运动。 此外半导体的温度梯度也引起载流子的运动,但是由于 半导体器件尺寸越来越小,这一效应可以忽略。

《半导体物理》第四章

《半导体物理》第四章
1 nq a exp( ) 1 k0T
长声学波,声子数最多,作用最大。
电子和声子的碰撞
• 声子的能量为:
1 1 1 a E (n )a a 2 2 exp(a ) 1 k0T
• 电子与声子的碰撞过程:
k 'k q E ' E h
• 具有单一极值、球形等能面的半导体,对导带电子散射 的几率是
k T (m ) Ps v 4 u
2 c 0 * 2 n 2
由形变引起导带底的变化
Ec c
V V0
最后,因电子热运动速度与T1/2成正比,声学波散射几率
Ps T 3 / 2
• 对于硅、锗具有旋转椭球等能面的半导体,切变也会引 起能带极值的变化,即横声学波也参与对电子的散射。 总的散射几率依然如上式,为T3/2关系。
§4.3 迁移率与杂质浓度和温度的关系
1、平均自由时间τ和散射几率P的关系 1 P
当几种散射机构同时存在时
总散射几率: 相应的平均自由时间:
P Pj
j
1


j
1
j
τ-P关系的数学推导 用N(t)表示t时刻未遭到散射的电子数,则在 t ~ t t 被 散射的电子数
• 对于硅、锗及III-V族化合物,其原胞结构均由两套 面心立方原子套构而成,基元有2个原子,三维结构 每个波矢q共有6支格波:3支声学波和3支光学波。 • 3支声学波为2横1纵。声学波是 q = 0时,=0。 • 长声学波代表质心的振动。在长波范围内,波数q越 大,波长越短,能量越大,声子数越少。 同时,其能 量 为量子化的: (n+1/2)h 。
载流子的散射 存在破坏周期性势场的作用因素: 载流子在半导体中运动时,不断与振动 杂质 着的晶格原子或杂质离子发生碰撞,碰撞后 缺陷 载流子速度的大小及方向均发生改变,这种 晶格热振动 现象称为载流子的散射。

华南理工半导体物理—第四章

华南理工半导体物理—第四章

E=0 2
1 6 3 随机热运动 4
5
当一个小电场E施加于半导体时,每一个电子会从电场上 受到一个-qE的作用力,且在各次碰撞之间,沿着电场的反向 被加速。因此,一个额外的速度成分将再加至热运动的电子上 ,此额外的速度成分称为漂移速度(drift velocity) 一个电子由于随机 的热运动及漂移成分两 者所造成的位移如图所 示。 值得注意的是,电 子的净位移与施加的电 场方向相反。
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。

电离杂质散射几率
Pi N iT
3
2
上式表明,随着温度的降低,散射几率 增大。因此,这种散射过程在低温下是 比较重要的。
Байду номын сангаас
晶格振动散射
半导体晶体中原子的振动是引起载流子 被散射的主要原因之一。
mn n 0.26 0.911030 kg 1000104 m2 / V s c q 1.6 1019 C
1.48 1013 s 0.148 ps.

1 3 3kT 2 mn vth kT vth 107 cm / s 2 2 mn
所以,平均自由程则为
漂移运动,迁移率与电导率
• 漂移运动:载流子在电场力作用下的定向运动, 定向运动的速度称为漂移速度
j E
vd n E
j nqvd
jn nqn E
n nqn
J jn j p (nqn nq p ) E
(nqn nq p )
载流子散射
j E
dI dV J E ds dl
半导体中电流的大小还可以从另一个角度 来理解。

第半导体物理课件 第四章

第半导体物理课件 第四章

用,对电子产生散射作用。
• 横声学波要引起一定的切变,对具有多极值、旋转椭球等 能面的锗、硅来说,也将引起能带极值的变化。
光学波散射
• 离子性半导体中,长纵光学波有重要的散射作用。 • 每个原胞内正负离子振动位移相反,正负离子形成硫密 相间的区域,造成在一半个波长区域内带正电,另一半 个波长区域内带负电,将产生微区电场,引起载流子散 射。 长声学波振动,声子的速度很小,散射前后电子能量基本不 变,--弹性散射 光学波频率较高,声子能量较大,散射前后电子能 量有较大的改变,--非弹性散射。

迁移率和杂质与温度关系

杂质浓度较低,迁移率随温度升高迅速减小,晶格散射起主要作用; 杂质浓度高,迁移率下降趋势不显著,说明杂质散射机构的影响为主。当 杂质浓度很高时,低温范围内,随温度升高,电子迁移率缓慢上升,直到
很高温度(约550K左右)才稍有下降,这说明杂质散射起主要作用。晶格 振动散射与前者比影响不大,所以迁移率随温度升高而增大;温度继续升 高后,又以晶格振动散射为主,故迁移随温度下降。
② 计算中假设散射后的速度完全无规则,即散射后载流子向各个方向运动 的几率相等。这只适用于各向同性的散射.对纵声学波和纵光学波的散射确 实是各向同性的.但是电离杂质的散射则偏向于小角散射。所以精确计算还 应考虑散射的方向性。
下节较精确地计算半导体的电导率,为简单起见,仍限于讨论各向同性的 散射。

5 玻耳兹曼方程· 电导率的统计理论
• 各向同性晶体特点:
a、声学波散射: Ps∝T3/2 b、光学波散射:P o∝[exphv/k0T)]-1
2)电离杂质散射:即库仑散射
散射几率Pi∝NiT-3/2(Ni:为杂质浓度总和)。
3)其它散射机构

半导体物理_第四章

半导体物理_第四章
以简化为玻尔兹曼分布函数,即:
其中NC称为导带的有效态密度函数,若取mn*=m0, 则当T=300K时, NC=2.5E19cm-3,对于大多数半导 体材料来说,室温下NC确实是在1019cm-3的数量级。
其中NV称为价带的有效态密度函数,若取mp*=m0,则 当T=300K时, NV=2.5E19cm-3,对于大多数半导体 材料来说,室温下NV确实是在1019cm-3的数量级。 热平衡状态下电子和空穴的浓度直接取决于导带和 价带的有效态密度以及费米能级的位置。
为了求解热平衡状态下的载流子浓度,首先必须确 定费米能级EF的位置。对于本征半导体材料(即纯净 的半导体材料,既没有掺杂,也没有晶格缺陷)来说, 在绝对零度条件下,所有价带中的能态都已填充电子, 所有导带中的能态都是空的,费米能级EF一定位于导 带底EC和价带顶EV之间的某个位置。 当温度高于绝对零度时,价带中的部分电子将获得 足够的热运动能量,进而跃迁到导带中,产生一个导 带电子,同时也产生一个价带空穴。也就是说电子- 空穴成对出现,因而费米能级的位置几乎不变。
参见右图所示,当 半导体材料中掺入 施主杂质后,导带 中的电子浓度将大 于价带中的空穴浓 度,半导体材料成 为N型材料,其费 米能级的位置也将 由禁带中心附近向 导带底部上移。
而当半导体材料 中掺入受主杂质 后,价带中的空 穴浓度将大于导 带中的电子浓度, 半导体材料则变 成P型材料,其费 米能级的位置也 将由禁带中心附 近向价带顶部下 移,如右图所示。
右图给出了几种常见半导体材 料的本征载流子浓度与温度之间的 变化关系。 根据上式计算出的室温下硅材 料本征载流子浓度为 ni=6.95E9cm-3,这与实测的本征 载流子浓度为ni=1.5E10cm-3有很 大偏离,原因在于:电子和空穴的 有效质量通常是在低温下利用回旋 共振实验方法测得的,室温下会有 一定的偏差;态密度函数是利用三 维无限深势阱模型得到的,这也与 实际情况有一定偏离。

半导体物理与器件-第四章 平衡半导体

半导体物理与器件-第四章 平衡半导体
ni严重依赖温度
16
4.1 半导体中的载流子
4.1.3 本征载流子浓 度
P81例4.3
ni随温度的升高而明显增大。
• 与温度关系很大: • 温升150度时,浓度增大4个数量级。
17
4.1 半导体中的载流子
4.1.4 本征费米能级位置
由电中性条件:n0=p0
禁带中央
本征费米能级精确位于禁带中央;
本征费米能级会稍高于禁带中央; 本征费米能级会稍低于禁带中央;
平征半导体(Intrinsic Semiconductor)
本征激发:共价键上的电子激发成为准自由电子,也就是 价带电子获得能量跃迁到导带的过程。
本征激发的特点:成对的产生导带电子和价带空穴。
14
4.1 半导体中的载流子
4.1.3 本征载流子浓度
说明: 本征半导体中电子的浓度=空穴的浓度即n0=p0 (电中性条件)记为ni=pi
3、施主杂质原子增加导带电子,但并不产生价带空穴,因此,这样的半导体称为 n型半导体。
22
4.2掺杂原子与能级 施主杂质
■ 电子脱离施主杂质的束缚成为导电电子的过程称为施主电 离,所需要的能量
ΔED=Ec-Ed 称为施主杂质电离能。ΔED的大小与半导体材料和杂质种类
有关,但远小于Si和Ge的禁带宽度。 ■ 施主杂质未电离时是中性的,称为束缚态或中性态,电离后
4.4施主和受主的统计学分布 4.4.2完全电离和束缚态
与室温条件相反,当T=0K时,杂质原子没有电离: 1、对n型半导体,每个施主原子都包含一个电子,nd=Nd
费米能级高于施主能级
2、对p型半导体,杂质原子不包含外来电子,na=Na,费米能级低于受主能级
束缚态:
没有电子从施主能态热激发到导带 中,

半导体物理第四章电子和空穴的统计分布复习

半导体物理第四章电子和空穴的统计分布复习
第四和状态密度有效质量
N(E) 定义:单位体积的晶体中,单位能量间隔的状态数
mdn
2
1
M 3 m1m2m3 3
,叫做状态密度有效质量。
2。费米分布函数:p73, 4.10式
描述每个量子态被电子占据的几率随能量E的变化 3。费米能级EF的意义,影响费米能级的因素;费米分布函数
的性质 p74 4。能带中电子和空穴的浓度:
p77,4.22式,4.21式 ;p78, 4.25和4.26
p79,4.29式
非简并半导体的条件。
5。本征半导体,电中性条件 本征费米能级:p81, 4.31式 本征载流子浓度:4.32式,4.33, 4.34, 4.35
6。杂质能级: 电子占据杂质能级的几率:p85,4.36-4.40式 杂质能级上的电子浓度和空穴浓度:p86,4.41-4.44式 只含一种杂质的半导体(p87)和有杂质补偿的半导体(p96):
VIP: 电中性条件的具体对应形式及应用
弱电离、饱和电离和本征激发的条件(p89,4.52,4.55) 确定杂质电离能的方法。浓度表达式(p89, 4.54, 4.58)
载流子浓度随温度变化的讨论(杂质半导体)(p91, 图4.5) 费米能级与杂质浓度和温度的关系(p93, 图4.6;p94)
(p95)饱和电离区的范围的标准和应用 7。简并半导体的概念
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第四章半导体的导电性
本章学习的内容
1.载流子在电场作用下如何运动,即如何获
得定向运动速度形成电流?
2.半导体的电导率与哪些因素有关,其物理
本质是什么?
载流子的漂移运动迁移率
电导率与迁移率
载流子的散射
两种作用竞争的结果:
1.载流子只在两次散射间作加速运动;
2.每次散射后载流子将失去从电场获得的定向附加速度;平均漂移速度与什么因素有关呢?
平均自由时间:连续两次散射之间时间间隔的平均值。

E 1τ2τ3τi
ττ
载流子在电场作用下时,存在相互矛盾的两种运动:一方面在电场力作用下作加速运动;另一方面载流子不断遭受散射而改变运动方向。

平均自由时间与迁移率
平均自由时间与电导率
载流子的散射
散射机构的本质是破坏晶体周期性势场的附加势
平均自由时间与散射几率
电离杂质散射
散射理论指出电离杂质的散射几率为:
3/2i i P N T −∝(4-19)
i N T 为电离杂质浓度,为温度
电离的杂质会在其附近形成一个库伦势场,经过其附近的载流子将在库伦作用下而改变其运动方向,该作用过程就是电离杂质对载流子的散射作用
晶格振动的散射
¾晶体振动以格波形式存在,格波又分为声学波和光学波,声学波代表原胞质心振动,频率低;而光学波代表原胞内原子间的相对振动,频率高;
¾晶格振动的能量是量子化的,晶格振动的能量子称为声子。

晶格振动对载流子的散射可看作是载流子与声子的碰撞;
¾电子和声子的碰撞也遵循准动量守恒和能量守恒定律。

¾对于硅、锗等单质半导体,起散射作用的主要是声学波;光学波主要在离子性半导体中起重要散射作用。

迁移率与杂质和温度的关系
多种散射机构同时存在时的迁移率
300K时锗、硅、砷化镓迁移率与杂质浓度的关系
注:对于补偿半导
决定于施主和受
主浓度之差,但
是迁移率决定于
两种杂质浓度之
和!
电阻率与杂质浓度和温度的关系
ρ
AB段:载流子主要来自杂质电离,它随温度升高而增加,散射以电离杂质为主,迁移率随温度升高而增大;
BC段:杂志全部电离,载流子浓度基本不变,晶格振动散射开始起主导作用,迁移率随温度升高而下降,电阻率增大C段:本征激发为主,随温度升高,载流子数量快速增加,其影响远远超过迁移率变化,电阻下降
习题
作业:
1,2,3
热载流子
硅、锗、砷化镓的平均漂移
速度与电场强度的关系
为与电场无关常数
为与电场无关常数
300K时,随机热运动的平均能量为:
根据电导率的统计理论:
多能谷散射耿氏效应

习题
作业:
7,17,19。

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