半导体物理四精.ppt

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1、半导体物理四第1页，本讲稿共145页 载流子的漂移运动和迁移率载流子的漂移运动和迁移率 迁移率和电导率随温度和杂质浓度的变化迁移率和电导率随温度和杂质浓度的变化 载流子的散射载流子的散射 强电场效应强电场效应 霍尔效应霍尔效应 磁阻效应磁阻效应第2页，本讲稿共145页4.1 载流子的漂移运动和迁移率载流子的漂移运动和迁移率 一、漂移运动和漂移速度一、漂移运动和漂移速度外加电压时，半导体内部的外加电压时，半导体内部的载流子受到电场力的作用载流子受到电场力的作用，作定向运动形成电流。作定向运动形成电流。漂移运动漂移运动：载流子在电场力作用下的运动。：载流子在电场力作用下的运动。漂移速度漂移速度：载

2、流子定向漂移运动的速度。：载流子定向漂移运动的速度。第3页，本讲稿共145页二、欧姆定律二、欧姆定律 金属：金属：电子电子 半导体：半导体：电子、空穴电子、空穴 微分形式微分形式电流密度 J（A/m2):通过垂直于电流方向的单位面积的电流。E 为电场强度为电场强度电流 I(A):单位时间内通过垂直于电流方向的某一面积的电量。第4页，本讲稿共145页三、电导率三、电导率 的表达式的表达式 设设:Vdn和和Vdp分别为电子和空穴的平均漂移速度。分别为电子和空穴的平均漂移速度。以柱形以柱形 n 型半导体为例，分析半导体的电导现象型半导体为例，分析半导体的电导现象 第5页，本讲稿共145页ds表示表示

3、A处与电流垂直的小面积元，小柱体的高为处与电流垂直的小面积元，小柱体的高为 Vdndt在在dt 时时间间内内通通过过ds的的截截面面电电荷荷量量，就就是是A、B面面间小柱体内的电子电荷量，即间小柱体内的电子电荷量，即 AVdndtBdsVdn第6页，本讲稿共145页其中其中 n 是电子浓度，是电子浓度，q 是电子电荷是电子电荷 电子漂移的电流密度电子漂移的电流密度 Jn 为为 在在电场不太强电场不太强时，漂移电流遵守欧姆定律，即时，漂移电流遵守欧姆定律，即 第7页，本讲稿共145页其中其中为材料的电导率为材料的电导率 E 恒定，恒定，Vdn 恒定恒定 E ,J,Vdn 平均漂移速度的大小与平均

4、漂移速度的大小与电场强度成正比，其比电场强度成正比，其比值称为值称为电子迁移率电子迁移率。第8页，本讲稿共145页因为电子带负电，所以因为电子带负电，所以Vdn一般应和一般应和 E 反向，习惯上迁移率只取正值，即反向，习惯上迁移率只取正值，即上式为电导率和迁移率的关系上式为电导率和迁移率的关系单位场强下电子单位场强下电子的平均漂移速度的平均漂移速度第9页，本讲稿共145页对于空穴，有对于空穴，有：n和和p分别称为电子和空穴迁移率，分别称为电子和空穴迁移率，单位为单位为 cm2V-1s-1 第10页，本讲稿共145页对对 n 型半导体：型半导体：对对 p 型半导体型半导体：第11页，本讲稿共14

5、5页在饱和电离区：在饱和电离区：n 型，单一杂质：型，单一杂质：no=ND补偿型：补偿型：no=NDNA第12页，本讲稿共145页 本征：本征：补偿型：补偿型：po=NANDP 型，单一杂质：型，单一杂质：po=NA第13页，本讲稿共145页载流子热运动示意图载流子热运动示意图4.2 载流子的散射载流子的散射载流子散射：载流子散射：载流子在半导体中载流子在半导体中运动时，不断地与运动时，不断地与热振动着的晶格原热振动着的晶格原子或电离了的杂质子或电离了的杂质离子发生碰撞。离子发生碰撞。用用波的概念，即电波的概念，即电子波在半导体中传子波在半导体中传播时遭到了散射。播时遭到了散射。第14页，本讲

6、稿共145页E第15页，本讲稿共145页第16页，本讲稿共145页散射几率散射几率 P:单位时间内一个载流子受单位时间内一个载流子受 到散射的次数。到散射的次数。第17页，本讲稿共145页时：N0 为 t=0 时没有遭到散射的电子数 第18页，本讲稿共145页平均自由时间平均自由时间 :第19页，本讲稿共145页第20页，本讲稿共145页其中其中第21页，本讲稿共145页第22页，本讲稿共145页2.迁移率和电导率与平均自由时间的关系迁移率和电导率与平均自由时间的关系，m*,me*P第23页，本讲稿共145页第24页，本讲稿共145页推导电导有效质量示意图推导电导有效质量示意图z在在111方向

7、，方向，与与z轴夹角为轴夹角为x在在zz平面上，平面上，并并z轴轴y同时同时x轴和轴和z轴轴以以Ge为例：导带极值有为例：导带极值有4个，即个，即4个能谷或个能谷或 4 个个 旋转椭球等能面旋转椭球等能面yzx111111yxzE 第25页，本讲稿共145页第26页，本讲稿共145页设导带电子浓度设导带电子浓度 no，一个能谷的电子形成的，一个能谷的电子形成的电流密度在电流密度在 x y z 中的分量中的分量第27页，本讲稿共145页一个能谷的电子在电场一个能谷的电子在电场Ez方向形成的电流密度：方向形成的电流密度：第28页，本讲稿共145页第29页，本讲稿共145页 低温、掺杂浓度高低温、掺

8、杂浓度高电离的杂质在它的周围邻近地区形成库仑场，电离的杂质在它的周围邻近地区形成库仑场，其大小为：其大小为：第30页，本讲稿共145页电离杂质散射示意图电离杂质散射示意图电离电离施主施主散射散射电离电离受主受主散射散射+VvVv第31页，本讲稿共145页第32页，本讲稿共145页第33页，本讲稿共145页格波的波矢 q=2/,方向为格波的传播方向。第34页，本讲稿共145页一个晶体中具有同样一个晶体中具有同样 q 的格波不止一个，其数目的格波不止一个，其数目取决于晶胞中的原子数。取决于晶胞中的原子数。晶胞中有一个原子，则对应于每个晶胞中有一个原子，则对应于每个 q 有有3个格波。个格波。晶胞中

9、有两个原子，则对应于每个晶胞中有两个原子，则对应于每个 q 有有6个格波。个格波。第35页，本讲稿共145页波的传输方向与原子的振动方向相同第36页，本讲稿共145页横纵光学波声学波纵横长波aq110金刚石晶格振动沿金刚石晶格振动沿110 方向传播的方向传播的格波的频率与波矢格波的频率与波矢的关系的关系第37页，本讲稿共145页第38页，本讲稿共145页平衡时平衡时波的传播方向波的传播方向振动时振动时第39页，本讲稿共145页平衡时平衡时 疏疏密密疏疏波波振动 纵声学波纵声学波振动方向振动方向 振动方向振动方向12345678910第40页，本讲稿共145页膨胀状态-原子间距增大压缩状态原子间

10、距减小纵纵声声学学波波示示意意图图第41页，本讲稿共145页ABEcEv导带禁带价带Eg疏疏密密第42页，本讲稿共145页纵声学波纵声学波 原子疏密变化原子疏密变化 Eg 变变化化 附加势附加势 形变势形变势纵声学波的散射几率纵声学波的散射几率Ps与温度的关与温度的关系为系为：第43页，本讲稿共145页(3)光学波的散射光学波的散射 横波 纵波第44页，本讲稿共145页平衡时振动方向 振动方向12345678910 疏密疏 密疏密+纵波第45页，本讲稿共145页+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+纵光学波纵光学波离子晶体离子晶体极化场极化场第47页，本讲稿共145页纵光学

11、波的散射几率纵光学波的散射几率 Po:格波散射几率格波散射几率 Pc 第48页，本讲稿共145页对原子晶体：对原子晶体：主要是纵声学波散射；主要是纵声学波散射；对离子晶体：对离子晶体：主要是纵光学波散射。主要是纵光学波散射。低温时，主要是电离杂质的散射；低温时，主要是电离杂质的散射；高温时，主要是晶格散射。高温时，主要是晶格散射。第49页，本讲稿共145页4.3 迁移率和电导率随温度和迁移率和电导率随温度和 杂质浓度的变化杂质浓度的变化 一、迁移率与温度和杂质浓度的关系一、迁移率与温度和杂质浓度的关系 1.不同散射机构不同散射机构的表达式的表达式 纵声学波：纵声学波：第50页，本讲稿共145页

12、第51页，本讲稿共145页 纵光学波纵光学波第52页，本讲稿共145页 电离杂质的散射 第53页，本讲稿共145页2.实际材料实际材料的表达式的表达式 GaAs 第54页，本讲稿共145页 Si、Ge第55页，本讲稿共145页3.影响影响的因素的因素 (1)温度的影响温度的影响 低温时，主要是电离杂质的散射低温时，主要是电离杂质的散射，T，；高温时，主要是晶格散射高温时，主要是晶格散射，T，。第56页，本讲稿共145页TT3/2T-3/2迁移率随温度的变化关系迁移率随温度的变化关系第57页，本讲稿共145页(2)杂质浓度杂质浓度 Ni 的影响的影响 Ni1017/cm3，与与 Ni 无关；无关

13、；Ni1017/cm3，随随 Ni 的增加而下降。的增加而下降。第58页，本讲稿共145页Ni1017/cm3s迁移率与杂质浓度的关系迁移率与杂质浓度的关系第59页，本讲稿共145页(3)m*的影响的影响 mn*mp*，npGe：mn*=0.12mo Si:mn*=0.26mon(Ge)n(Si)第60页，本讲稿共145页二、半导体材料的电阻率与温度二、半导体材料的电阻率与温度 和杂质浓度的关系和杂质浓度的关系 电阻率的一般公式：电阻率的一般公式：n 型半导体：型半导体：第61页，本讲稿共145页 1.与与 ND 的关系的关系(T 恒定恒定)ND1017/cm3，noND，s ND1017/c

14、m3，no=nD+ND，sND,ND,第62页，本讲稿共145页 2.与与T 的关系的关系(ND恒定恒定)(1)本征本征 T，ni，i T，i Ti 第63页，本讲稿共145页T与与T 的关系的关系第64页，本讲稿共145页(2)正常掺杂的半导体材料正常掺杂的半导体材料 弱电离区 non+D ；i，T，nD+，i，TnoTT第65页，本讲稿共145页 饱和区饱和区 noND，s T，TnoNDTT第66页，本讲稿共145页 本征区 T，ni，第67页，本讲稿共145页T低温饱和本征第68页，本讲稿共145页4.4 强电场效应强电场效应在在强强电电场场中中，迁迁移移率率随随电电场场的的增增加加而

15、而变化，这种效应称为变化，这种效应称为强电场效应强电场效应。第69页，本讲稿共145页第70页，本讲稿共145页E(v/cm)J(V)103105EE1/2第71页，本讲稿共145页第72页，本讲稿共145页平均漂移速度：第73页，本讲稿共145页平均漂移速度Vn随电场增加而缓慢增大,Vn(J)E1/2第74页，本讲稿共145页第75页，本讲稿共145页载流子载流子晶格振动散射晶格振动散射能量交换能量交换无电场时无电场时:载载流流子子与与晶晶格格散散射射时时，将将吸吸收收声声子子或或发发射射声声子子，与与晶晶格格交交换换动动量量和和能能量量，最最终终达达到到热热平平衡衡，载载流流子子的的平平均

16、均能能量量与与晶晶格格相相同同，两两者者处处于同一温度。于同一温度。2.强电场时的散射理论强电场时的散射理论第76页，本讲稿共145页有电场时有电场时:载流子从电场中获得能量，随后又以声子载流子从电场中获得能量，随后又以声子的形式将能量传给晶格。的形式将能量传给晶格。设单位时间内，载流子的平均能量的变化为 d/dt：（为能量）第77页，本讲稿共145页单位时间载流子单位时间载流子从电场中获得的从电场中获得的能量同给予晶格能量同给予晶格的能量相同的能量相同第78页，本讲稿共145页假设在假设在时间内，电子交给晶格的能量为时间内，电子交给晶格的能量为：第79页，本讲稿共145页在强电场下：在强电场

17、下：载流子的平均能量载流子的平均能量热平衡状态时的热平衡状态时的载流子和晶格系统不再处于热平衡状态载流子和晶格系统不再处于热平衡状态载流子温度载流子温度Te晶格温度晶格温度 Tl第80页，本讲稿共145页电场不是很强时：电场不是很强时：载流子载流子声学波散射声学波散射电场进一步增强后：电场进一步增强后：载流子载流子发射光学波声子发射光学波声子载流子获得的能量大部分又消失，平均漂移载流子获得的能量大部分又消失，平均漂移速度可以达到饱和速度可以达到饱和第81页，本讲稿共145页(1)较强电场（较强电场（V V E E 1/21/2）第82页，本讲稿共145页载流子能量载流子能量声子能量声子能量第8

18、3页，本讲稿共145页第84页，本讲稿共145页载流子能量载流子能量第85页，本讲稿共145页第86页，本讲稿共145页第87页，本讲稿共145页散射后电子的能量变化为：(2)强电场强电场 （V 与与 E 无关）无关）第88页，本讲稿共145页 V 与与E无关无关第89页，本讲稿共145页3.多能谷散射、耿式效应、负阻效应多能谷散射、耿式效应、负阻效应（自学）（自学）第90页，本讲稿共145页754326510101010101010电场强度|E|(V/m)平均漂移速度Vd(cm/s)对GaAs第91页，本讲稿共145页极值点在坐标原点：mn*=0.068mo 极值点在(100)：mn*=1.

19、2mo 称此效应为负阻效应 第92页，本讲稿共145页1.P型半导体霍耳效应的形成过程型半导体霍耳效应的形成过程 一、一、P型半导体霍尔效应型半导体霍尔效应 4.5 半导体的霍尔效应第93页，本讲稿共145页BzdbVHIlBAzyx+_fxfLfEy第94页，本讲稿共145页电场力：f=qEx 磁场力：fL=qVxBz y方向的电场强度为：Ey（霍耳电场）（霍耳电场）平衡后：fExfLqEy第95页，本讲稿共145页 令：第96页，本讲稿共145页（RH）P为为 P 型材料的霍尔系数。型材料的霍尔系数。2.求霍尔系数求霍尔系数(RH)P和载流子浓度和载流子浓度 p设样品长度为 l，宽度为 b

20、，厚度为 d：第97页，本讲稿共145页VH为霍尔电压 第98页，本讲稿共145页 3.求霍尔角求霍尔角及空穴迁移率及空穴迁移率和电导率和电导率 ExP型材料：EyqEyfLEJ第99页，本讲稿共145页第100页，本讲稿共145页第101页，本讲稿共145页1霍尔效应的形成过程霍尔效应的形成过程第102页，本讲稿共145页第103页，本讲稿共145页ExEyEJ第104页，本讲稿共145页两种载流子两种载流子同时存在同时存在霍尔效应霍尔效应？第105页，本讲稿共145页1霍尔效应的形成过程及霍尔系数霍尔效应的形成过程及霍尔系数 RH第106页，本讲稿共145页y方向洛伦兹力引起的空穴电流密度

21、洛伦兹力引起的空穴电流密度又第107页，本讲稿共145页+y方向(2)y方向上的电子电流密度方向上的电子电流密度(Jn)yy 方向总的空穴电流密度为方向总的空穴电流密度为第108页，本讲稿共145页第109页，本讲稿共145页第110页，本讲稿共145页第111页，本讲稿共145页第112页，本讲稿共145页1/TRH()本征半导体本征半导体 RH 与与 T 的关系的关系第113页，本讲稿共145页(2)p型半导体型半导体 饱和区 第114页，本讲稿共145页 过渡区 T,p-nbnb2 2 但 p-nb2 0，RH 0，且RH 当 nb2=p 时，RH0 T，nb2p，RH0 但nb2，|R

22、H|当 时，RH达到负的最大值 第115页，本讲稿共145页1/TRH(+)(+)()()本征区 饱和区P型半导体型半导体 RH 与与 T 的关系的关系第116页，本讲稿共145页(3)N 型半导体型半导体 饱和区 第117页，本讲稿共145页 温度再升高，少子浓度升高 无论温度多高，RH 始终小于0，并且随T 升高，始终下降。第118页，本讲稿共145页1/TRH()()饱和区N型半导体型半导体 RH 与与 T 的关系的关系第119页，本讲稿共145页ND或或NA升高，升高，RH下降，下降，RHT 变化规律一样变化规律一样 第120页，本讲稿共145页四、霍尔效应的应用四、霍尔效应的应用 1

23、判别极性，测半导体材料的参数 （n,p,)2霍尔器件 3探测器 第121页，本讲稿共145页4.6 半导体的磁阻效应半导体的磁阻效应 由于磁场的存在引起电阻的增加，称这种效应为磁阻效应磁阻效应。第122页，本讲稿共145页一、磁阻效应的类型一、磁阻效应的类型 按电磁场的关系分 纵向磁阻效应：纵向磁阻效应：B/E，电阻变化小，不产生VH 横向磁阻效应：横向磁阻效应：BE，电阻变化明显，产生VH 第123页，本讲稿共145页按机理分：由于电阻率变化引起的R变化 物理磁阻效应物理磁阻效应 由于几何尺寸l/s的变化引起的R变化 几何磁阻效应几何磁阻效应 第124页，本讲稿共145页 磁阻的大小：或 第

24、125页，本讲稿共145页二、物理磁阻效应二、物理磁阻效应 1一种载流子一种载流子 P型：电场加在 x 方向，磁场在 z 方向 达到稳定时：第126页，本讲稿共145页ExvxlfqEyVVxVVxV Vx 的空穴：偏向磁场力作用的方向 第127页，本讲稿共145页 只考虑一种载流子的材料的磁阻效应，通常只考虑一种载流子的材料的磁阻效应，通常用用：Tm为磁阻系数 H为霍尔迁移率，它表示载流子在单位磁场强度下的偏转强度 第128页，本讲稿共145页2同时考虑两种载流子同时考虑两种载流子 Bz=0、E=Ex 时，电子逆电场方向运动，形成电场方向电流Jn 空穴沿电场方向运动，形成电场方向电流Jp 总

25、电流：J0=Jn+Jp 第129页，本讲稿共145页+JJpJn(a)JnJp+Ey(b)J+Bz+xx第130页，本讲稿共145页Bz0时，沿x方向的总电流应是两电流的矢量之和 电阻升高 第131页，本讲稿共145页此种磁阻效应表示为：为横向磁阻系数 RHo为弱磁场时的霍尔系数 第132页，本讲稿共145页所谓弱场，一般指：0为无磁场时的电导率 第133页，本讲稿共145页三、几何磁阻效应三、几何磁阻效应 1长条样品长条样品(P型型)Bz=0，E=Ex Bz0 IJBzEEJIBzJEJExx第134页，本讲稿共145页 IBx第135页，本讲稿共145页2园盘形样品园盘形样品 称为Corb

26、ino效应 IIBz第136页，本讲稿共145页第137页，本讲稿共145页磁光效应磁光效应(包括朗道能级）、量子化霍耳效应、包括朗道能级）、量子化霍耳效应、热磁效应、光磁电效应、压阻效应热磁效应、光磁电效应、压阻效应自学自学第138页，本讲稿共145页GMR磁头不仅在厚度上，而磁头不仅在厚度上，而且在长度上且在长度上都在都在100纳米以内纳米以内 56GB/平方英寸平方英寸第139页，本讲稿共145页GMR目前的产业化情况目前的产业化情况1994年，年，NVE实现巨磁电阻（实现巨磁电阻（GMR）效应的产业化，）效应的产业化，销售巨磁电阻磁场传感器。销售巨磁电阻磁场传感器。1998年，年，IB

27、M研制出计算机硬盘驱动器上巨磁电阻研制出计算机硬盘驱动器上巨磁电阻 （GMR）磁头磁头世界世界GMR磁头的市场总额每年磁头的市场总额每年400亿美元亿美元将来将来1000亿美元的市场容量亿美元的市场容量第140页，本讲稿共145页第四章一、电导率的表达式以及迁移率和电导率 与平均自由时间的关系 二、载流子的散射 1.电离杂质的散射：低温、掺杂浓度高 2.晶格散射：高温、掺杂浓度低 纵声学波散射原子晶体 纵光学波散射离子晶体 第141页，本讲稿共145页 三、元素半导体的迁移率和电阻率与温 度和掺杂浓度的关系 四、强电场效应五、霍尔效应 1.霍尔效应的形成过程 2.霍尔系数与温度、掺杂类型和浓度的关系 第142页，本讲稿共145页3.霍尔角与迁移率和电导率的关系 六、磁阻效应：物理磁阻效应和几何磁阻效应第143页，本讲稿共145页第四章习题第四章习题P113:2题（题（Si的原子密度为的原子密度为1022/cm3）；）；3题：题：=10cm7题；题；16题题第144页，本讲稿共145页设：设：补充题补充题试证明：试证明：（1）半导体电导率取极小值）半导体电导率取极小值min的条件是：的条件是：（2）其中其中i是本征半导体的电导率，是本征半导体的电导率，b=n/p第145页，本讲稿共145页