半导体的导电性汇总
半导体的导电性能
3/ 2
m m
* e
* 3/ 4 h
exp g 2k BT
载流子的浓度主要由g/kBT确定 ne随g增大而减小：g(Si)>g(Ge)， ne(Si)<ne(Ge)
ne随T升高而增大
Ge和Si的本征电子浓度随温度的变化（Charles Kittel Introduction to Solic State Physics, P133） 本征半导体中，空穴浓度=电子浓度
m k T ne 2 2 2
* e B
3/ 2
exp C k BT
exp V k BT
不涉及费 米能级
m k T nh 2 2 2
* h B
3/ 2
k BT * * 3/ 2 ne nh 4 mm g k BT exp 2 e h 2
对导带底的电子
2 * 2 me
C K 2m C 2 2 2
3/ 2
C
1/ 2
对价带顶的空穴
2
2
* h
V K V 2m K
1 2m V 2 2 2
* * m m 对导带底，载流子为晶体电子： e
C K C
2 * 2 me
K
2
* m
* 对价带顶，载流子为空穴： mh
V K V
2 * 2 mh
空导带
K
2
禁带
g
满价带
半导体材料的导电性
空穴 (b) 偏压情况下
因此有：
Ei q
微电子电路基础
半导体材料的导电性 17
载流子漂移
在导带的电子移动至右边，而动能则相当于其于能带边缘 （如对电子而言为EC）的距离，当一个电子经历一次碰撞，它 将损失部分甚至所有的动能（损失的动能散至晶格中）而掉回 热平衡时的位置。在电子失去一些或全部动能后，它又将开始 向右移动且相同的过程将重复许多次，空穴的传导亦可想象为 类似的方式，不过两者方向相反。 E
q n n p p
所以，电阻率亦为
1
1 q (n n p p )
微电子电路基础
.
苏州科技学院电子与信息工程系
半导体材料的导电性 20
载流子漂移
一般来说，非本征半导体中，由于两种载流子浓度有好几 次方的差异，只有其中一种对漂移电流的贡献是显著的。 如对n型半导体而言，可简化为（因为n>>p）
qE dEc dx
I E N型 电子 V
由于导带底部EC 相当于电子 的电势能，对电势能梯度而 言，可用与EC 平行的本征费 米能级Ei的梯度来代替，即
E 1 dEc q dx 1 dEi q dx
qV
EC EF Ei EV
引入静电势，其负梯度等于 电场 ，即
E d dx
I N型 电子 V
在外加电场的影响下， 载流子的运输会产生电流， 称为漂移电流（drift current）
qV
EC EF Ei EV
空穴 (b) 偏压情况下
苏州科技学院电子与信息工程系
微电子电路基础
半导体材料的导电性 18
载流子漂移
半导体的导电性
当前研究的不足与挑战
半导体导电性的调控机制尚不完全清楚，需要进一步深入研究。
一些高性能的半导体材料和器件仍然依赖进口，需要加强自主创新和知识产权保护。
半导体产业的发展面临着技术、环境、资金等多方面的挑战，需要积极应对。
发展智能制造和绿色制造，提高半导体产业的核心竞争力。
加强基础研究和应用研究，推动半导体材料和器件的创新发展。
实现半导体材料和器件的全链条自主可控，保障国家安全和产业安全。
未来发展的趋势与展望
THANKS
谢谢您的观看
影响因素
迁移率与材料的晶体结构、杂质和温度等因素有关。
迁移率
载流子密度是衡量半导体材料中载流子数量的参数，定义为材料的电阻率与电阻率的乘积，即n=ρσ，其中ρ为电阻率。
定义
载流子密度与材料的纯度、晶体结构和掺杂等因素有关。
影响因素
载流子密度
03
半导体导电性的测量与实验技术
四探针电阻测量技术是一种非接触式测量方法，通过施加电流和测量电压来计算电阻率。
温度依赖Hall效应
通过测量不同温度下半导体内部的霍尔电压，研究温度对载流子浓度和迁移率的影响。
Hall效应测量
深能级瞬态谱技术
利用光脉冲激发半导体中的电子，并测量电子在各个时间点的分布情况，从而了解半导体中的缺陷、杂质等特性。
时间分辨深能级瞬态谱技术
通过使用超快激光脉冲，对半导体内部电子的动态行为进行高时间分辨率的测量，研究电子在半导体中的输运过程。
半导体导电性的基本概念
半导体导电主要通过自由电子和空穴两种载流子实现。
在半导体内部，自由电子和空穴的数量受温度、光照等因素影响。
当加电压时，自由电子和空穴的数量增加，从而导致电流增加。
半导体的导电特性
半导体
本征半导体 杂质半导体
P型半导体(空穴型） N型半导体（电子型）
常用半导体材料硅和锗的原子结构
价电子：最外层的电子受原子核的束缚最 小，最为活跃，故称之为价电子。 最外层有几个价电子就叫几价元素， 半导体材料硅和锗都是四价元素。
Si+14 2 8 4
Ge+32 2 8 18 4
2. 半导体的内部结构及导电方式：
一是势垒电容CB 二是扩散电容CD
(1) 势垒电容CB
势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。 当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层 的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的 电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。
图 01.09 势垒电容示意图
(2) 扩散电容CD
扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧 面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散 到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形 成正向电流。刚扩散 过来的电子就堆积在P 区内紧靠PN结的附近， 形成一定的多子浓度 梯度。
vi
RL vo
vo
t
例3：设二极管的导通电压忽略，已知
vi=10sinwt(V)，E=5V，画vo的波形。
vi 10v
5v
R
t
D
vo
vi
E
vo
5v
t
例4：电路如下图，已知v=10sin(t)(V)，
E=5V，试画出vo的波形
vi
解：
t
vD
t
例5：VA=3V, VB=0V，求VF (二极管的导 通电压忽略)
根据理论推导，二极管的伏安特性曲线可用下式表示
V
I IS (e VT 1)
式中IS 为反向饱和电流，V 为二极管两端的电压降 ，VT =kT/q 称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数 ，q 为电子电荷量，T 为热力学温度。对于室温（相 当T=300 K），则有VT=26 mV。
半导体的导电性
第四章半导体的导电性本章主要内容载流子在外加电场作用下的漂移运动半导体的迁移率、电导率和电阻率随温度和杂质浓度的变化规律迁移率的本质-----散射4.1 载流子的漂移运动迁移率1、欧姆定律对于金属，电流I = V(电压）/R（电阻）V-I关系是直线对于半导体，流过不同截面的电流强度不一定相同，“即电流分布不均匀，而欧姆定律不能说明材料内部各处电流的分布情况。
电流密度：通过垂直于电流方向的单位面积的电流J = ∆I/∆S单位：A/cm2或A/m2欧姆定律微分形式：上式把通过导体中某一点的电流密度和该处的电导率及电场强度直接联系了起来。
S故: 半导体导电= 电子导电J = Jn + Jp = (nqu平均自由程：载流子在连续两次散射间自由运动的平均路程平均自由时间：载流子通过平均自由程所需的平均时间τ电场：载流子加速---定向运动；散射：载流子运动方向改变---杂乱无章，各个方向；半导体的主要散射机构：离化杂质散射晶格散射中性杂质散射位错散射(P为散射几率)起因：常温下，浅施主带正电• 双曲线，电离杂质处于一个焦点 • 速度小，作用时间长，偏离角θ大，τ小 • 弹性散射，不改变入射电子能量，只改变运动方向 τ ∝ T3/2/NI 杂质浓度（2）、晶格散射 晶格原子在其平衡位置附近不断进行热振动，且各个 原子的振动不是孤立的。
分析表明：晶格中原子的振动都 是由若干不同的基本波动按波的叠加原理组合而成，这些 基本波动称为格波。
q代表格波波矢， q 的方向即波的传播方向晶格散射：载流子在运动过程中遭受振动的晶格原子的散射， 失去在电场中获得的能量，失去动量。
在能带具有单一极值的半导体中 起主要散射作用的是长波。
即波 长比原子间距大很多倍的格波。
电子热运动速度~105m/s 电子波波长约10-8m 根据动量守恒要求，声子波长 范围应在同一量级，即10-8m,而 晶体中原子间距为10-10m，因而 起主要散射作用的是长波。
半导体材料的电导性质
Part Three
半导体材料的导电 类型
N型半导体
形成机制：通过掺入施主杂 质实现
定义：指半导体中自由电子 为主要载流子的导电类型
载流子类型：自由电子
导电特点：导电率较高，具 有负电阻温度系数
P型半导体
定义：掺入少量杂 质硼元素，使半导 体材料的导电性能 发生显著变化
载流子：空穴为主 要载流子
导电机制：空穴参 与导电，电子受到 束缚
应用：晶体管、集 成电路等电子器件
半导体的能带结构
直接跃迁能带结构 间接跃迁能带结构 施主能级与受主能级 能带弯曲与费米能级
半导体的载流子分布
电子导电：电子是主要的载流 子，常见于N型半导体
空穴导电：空穴是主要的载流 子，常见于P型半导体
双极性导电：同时存在电子和 空穴，常见于本征半导体
电导率与温度的关系
在低温下，电导率随温度变 化较小
半导体材料的电导率随温度 升高而增大
高温下，电导率随温度变化 较大
不同半导体材料的电导率与 温度关系存在差异
半导体材料的电阻率
定义：电阻率是衡量 材料导电性能的物理 量，单位为欧姆·米
影响因素：半导体材 料的电阻率受到温度、 掺杂浓度、能带结构 等因素的影响
添加标题
添加标题
集成电路制造过程中的电导控制
添加标题
添加标题
集成电路制造中半导体材料的电导 特性对芯片性能的影响
传感器和探测器的应用
传感器：利用半导体材料的电导性质，将物理量转化为电信号，用于监测和测量各种 物理量，如温度、压力、流量等。
探测器：利用半导体材料的电导性质，检测和响应光、热、辐射等信号，常用于成像、 光谱分析等领域。
温度对电导的影响
半导体的导电特性
半导体的导电特性根据物质的导电能力可分为导体、半导体和绝缘体三大类，顾名思义半导体的导电能力介于导体绝缘体之间。
硅、锗、硒及大多数金属氧化物和硫化物都是半导体。
半导体的导电特性热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。
光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化(可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等)。
掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变(可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管等)。
1．本征半导体本征半导体：完全纯净的、不含其它杂质的半导体通称本征半导体。
用得最多的是硅和锗，图1所示是硅和锗的原子结构图，它们都是四价元素，在原子的最外层轨道上都有四个价电子。
(a) 锗Ge (b) 硅Si图1 硅和锗的原子结构在本征半导体中，每个原子的一个价电子与另一原子的一个价电子组成一个电子对，并且对两个原子所共有，因此称为共价键。
由共价键结构形成的半导体其原子排列都比较整齐，形成晶体结构，因此半导体又称为晶体，如图2所示。
图2 晶体中原子的排列方式本征半导体的导电机理在本正半导体的晶体结构中，每一个原子与相邻的四个原子结合，每一个原子的一个价电子与另一个原子的一个价电子组成一个电子对。
这对价电子是每两个相邻原子共有的，它们把相邻原子结合在一起，构成所谓的共价键结构，如图3所示。
图3 硅单晶中的共价键结构在共价键结构的晶体中，每个原子的最外层都有八个价电子，因此都处于比较稳定的状态。
只有当共价键中的电子获得一定能量（环境温度升高或受到光照射）后，价电子方可挣脱原子核的束缚成为自由电子，并且在共价键中留下一个空位，称为空穴。
如图4所示。
图4 空穴和自由电子的形成在一般情况下，本征半导体中自由电子和空穴的数量都比较少，其导电能力很低。
由于本征半导体中的自由电子和空穴总是成对出现，因此在一定温度下，它们的产生和复合将达到动态平衡，使自由电子和空穴维持在一定数目上。
半导体的导电特性
5.3. 2 电流分配和放大原理
IB(mA)
IC(mA)
IE(mA)
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
<0.001
0.70
集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。
3. 三极管内部载流子的运动规律
IC = ICE+ICBO ICE
IC
IB
B
E
C
N
N
P
EB
RB
EC
IE
IBE
ICE
ICBO
IB = IBE- ICBO IBE
ICE 与 IBE 之比称为共发射极电流放大倍数
集－射极穿透电流, 温度ICEO
3.反向峰值电流IRM
STEP5
STEP4
STEP3
STEP2
STEP1
定性分析：判断二极管的工作状态
导通截止
否则，正向管压降
硅0.6~0.7V锗0.2~0.3V
分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位 的高低或所加电压UD的正负。
若 V阳 >V阴或 UD为正( 正向偏置 )，二极管导通 若 V阳 <V阴或 UD为负( 反向偏置 )，二极管截止
IB(A)
UBE(V)
20
40
60
80
0.4
0.8
UCE1V
O
1. 输入特性
IB=0
20A
40A
60A
80A
100A
3
6
IC(mA )
1
2
3
4
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
漂移运动
2018/9/24
7
假设讨论的是n型半导体，电子浓度为n0， 在外电场下通过半导体的电流密度
vd :电子的平均漂移速度
在弱场下欧姆定律成立 J n n E 2
J n n0 qv d 1
2018/9/24
8
二式比较 vd 则 n n 0q E 3 n 0 q n vd 这里 迁移率 n 4 E
2018/9/24 22
2018/9/24
13
1、载流子散射
（1）载流子的热运动
在一定温度下,半导体内的大量载流 子,即使没有电场作用,也是运动着的, 这种运动是无规则、杂乱无章的，称 为热运动。宏观上没有沿着一定方向 流动，所以并不构成电流。
载流子在半导体中运动时，不断与晶格原子或杂质离子碰撞， 速度大小和方向发生变化。或者说电子遭到散射。无规则 热运动是不断遭到散射的结果。
有外加电压时,导体内部的自由电子受到电场力的作用,沿 电场反方向作定向运动形成电流. 漂移运动: 电子在电场力作用下的定向运动 漂移速度: 定向运动的速度.
vd :电子的平均漂移速度
电流密度
J nqvd
q 是电子电量
n
为电子浓度
电场强度增大时,电流密度增大,因此平均漂移速度也增大,可写为:
2018/9/24 5 称为电子的迁移率.表示单位场强下电子的平均迁移速度.
单位时间内一个载流子被散射的次数
电流 I
散射几率 P
2018/9/24 17
2、半导体的主要散射机构
电离杂质散射 晶格振动散射 等同能谷间的散射 中性杂质散射 位错散射 载流子与载流子间的散射
2018/9/24
18
半导体中载流子在运动过程中遭到散射的根本原因: 周期性势场的被破坏.
如果除了周期性势场,又存在一个附加势场,在该附 加势场作用下,能带中的电子可能会发生能态跃迁。 例如，原来处于k状态的电子，附加势场使它有一定 几率跃迁到各种其它的状态k’。也就是说，原来沿 某一个方向以v(k)运动的电子，附加势场使它散射 到其它各个方向，改以速度v(k’)运动。也就是说， 电子在运动过程中遭到了散射。
2018/9/24 11
对本征半导体
因 ni n p
故 i nq n pq p
2018/9/24
ni qn p 7
12
§4.2 载 流 子 的 散 射 The Scattering of Carriers
散射 散射机构
KEY 使迁移率减小 即各种散射因素
迁移 率
2018/9/24
表征了在单位电场下载流子的 平均漂移速度。
它是表示半导体电迁移能力的重要参数。
9
同理，对p型半导体
p p 0 q p 5 这里 空穴迁移率 p v dp E v dp为空穴漂移速度
10
2018/9/24
对一般半导体
n p
nqn pq p 6
第四章
Electrical conduction of semiconductors
半导体的导电性
前几章介绍和讨论了半导体的一些基本概念和载流子的统计分布 本章主要讨论载流子在外加电场作用下的漂移运动
重点：
迁移率(Mobility) 散射(Scattering mechanisms) ——影响迁移率的本质因素 弱电场下电导率的统计理论 2018/9/24 1
理想情况 （无散射）
2018/9/24
(严格周期势场中)载流子在电场 作用下不断加速，漂移速度应该 不断增大，电流密度也应无限增
大。
16
在外电场作用下，实际上，载流子的运动是：
热运动+漂移运动： 即在外力和散射的双重影响下，使得载流子以一 定的平均速度（平均漂移速度）沿力的方向漂移， 形成了电流。在恒定电场作用下，电流密度恒定。
§4.1 载流子的漂移运动 迁移率 The drift motion of Carrier,Mobility
重
点
• 漂移运动 • 扩散运动 • 迁移率
2018/9/24
2
1.欧姆定律
金属导体中的电流强度:
l R s
V I R
是导体的电阻。
1
是导体的电阻率，其倒数就是电导率：
电流密度是指通过垂直于电流方向的单位面积的电流：
2018/9/24
19
存在破坏周期性势场的作用因素：
* 杂质 * 缺陷 * 晶格热振动
2018/9/24
20
1）电离杂质散射（即库仑散射）
电离施主和受主周围形成一个库仑势场,局部地破坏了杂质 附近的周期势场。当载流子运动到电离杂质附近时，由于 库仑势场的作用，就使载流子运动的方向发生改变。
v'
v'
2018/9/24 14
自由程：相邻两次散射之间自由
运动的路程。
平均自由程：连续两次散射间自 由运动的平均路程。
平均自由时间 连续两次散射间自由运动的平均运动时间
2018/9/24 15
（2）、载流子的漂移运动
载流子在电场作用下，沿电场方向（空穴）或反方向 （电子）定向运动，这就是漂移运动。
I J s
对均匀导体：
2018/9/24
I J s
3
均匀导体，两端加电压后，导体内部各处建立起电场，电 场强度大小
V | E | l
得到：
J | E |
上式把导体中某一点的电流密度和该处的电导率及电场强 度直接联系起来，称为欧姆定律的微分形式。
2018/9/24
4
2. 漂移速度和迁移率
v'
v'
v
电子 电离施主
v
空穴
v
空穴 电离受/24
21
散射概率P：代表单位时间内一个载流子受到散射 的次数。
（Ni为杂质浓度总和）
Pi∝NiT-3/2
Ni越大，载流子遭受散射的机会越多， 温度T越高，载流子热运动的平均速度越大，可 以较快地掠过杂质离子，偏转就小，所以不易被 散射。
vd | E |
vd
一般应和电场强度反向,但习惯上迁移率只取正值
vd | | E
J nqvd nq | E |
又因为: 得:
J | E |
nq
这就是电导率与迁移率间的关系.
2018/9/24
6
3、半导体的电导率和迁移率
半导体中的载流子加上外电场E后作定向运动，即漂移运动。