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1、第四章第四章 载流子的输运载流子的输运n半导体中载流子的输运有三种形式：漂移：载流子在外电场中的运动扩散：因化学势不同，由高浓度到低浓度产生和复合：能带间跃迁硅、锗、砷化镓硅、锗、砷化镓300K时电阻率与杂质浓度关系时电阻率与杂质浓度关系 电阻率与杂质浓度的关系电阻率与杂质浓度的关系原因？特征？说明：说明：轻掺杂时（轻掺杂时（10161018cm-3）nNDpNA迁移率为常数迁移率为常数反比反比杂质浓度增加时，曲线严重偏离直线杂质浓度增加时，曲线严重偏离直线不能全部电离不能全部电离迁移率显著下降迁移率显著下降对比对比变化趋势是怎么样的？变化趋势是怎么样的？电阻率随温度的变化电阻率随温度的变化本
2、征半导体本征半导体：ni随温度的上升而急剧增加，而迁移率随随温度的上升而急剧增加，而迁移率随T升高而升高而下降较慢，所以本征半导体的电阻率随着温度增加而单调下降，下降较慢，所以本征半导体的电阻率随着温度增加而单调下降，这是半导体区别于金属的一个重要特征这是半导体区别于金属的一个重要特征。载流子浓度：杂质电离、本征激发载流子浓度：杂质电离、本征激发迁移率：电离杂质、晶格散射迁移率：电离杂质、晶格散射有何特征？有何特征？思考题思考题：为什么金属的电阻率随温度的升高而增加？：为什么金属的电阻率随温度的升高而增加？杂质半导体：杂质半导体：低温区：低温区：EFED，施主未全部电离。，施主未全部电离。T，
3、电离施主增多，电离施主增多，n 在此范围晶体振动不明显在此范围晶体振动不明显电离杂质为主（电离杂质为主（随随T而增加，尽管电离施而增加，尽管电离施主数量的增多在一定程度上限制迁移率增加），总效果仍使电阻率随主数量的增多在一定程度上限制迁移率增加），总效果仍使电阻率随温度的升高而下降温度的升高而下降饱和区：饱和区：杂质全部电离杂质全部电离 晶体散射起作用，使晶体散射起作用，使随随T而下降，而下降，随随T而而本征区：本征区：本征激发很快增大，本征载流子的产生远大于迁移率减小对电阻率的影响。本征激发很快增大，本征载流子的产生远大于迁移率减小对电阻率的影响。硅电阻率与温度关系示意图硅电阻率与温度关系示
4、意图（一定施主杂质浓度）（一定施主杂质浓度）nq1电离杂质散射晶格振动散射本征激发23II23L11TaNTa填空：填空：u杂质浓度越高，进入本征载流子导电占优势的温度杂质浓度越高，进入本征载流子导电占优势的温度（ ）；）；u材料的禁带宽度越小，则同一温度下本征载流子的材料的禁带宽度越小，则同一温度下本征载流子的浓度（浓度（ ），进入本征导电的温度（），进入本征导电的温度（ ）。）。欧姆定律的偏移欧姆定律的偏移实验表明：实验表明： 在外电场在外电场E E不是很强时，不是很强时，是常数，是常数， ；欧姆定律成立。；欧姆定律成立。 当电场超过一定强度后当电场超过一定强度后 ，J与与E的关系偏离欧姆
5、定律，的关系偏离欧姆定律， 就不再就不再是一个常数，为场强的函数。是一个常数，为场强的函数。Evd平均漂移速度与电场强度的关系平均漂移速度与电场强度的关系（300K）EJ 低场强时：低场强时：132cmV101021EJ 大于大于 ：1cmKV20EJ （饱和）（饱和）电场在电场在 范围内偏离范围内偏离欧姆定律欧姆定律 153cmV1010 平均漂移速度与平均漂移速度与E不再成正比不再成正比 随电场改变随电场改变强电场效应：平均漂移速度随外电场的增加速率开始缓慢，强电场效应：平均漂移速度随外电场的增加速率开始缓慢， 最后趋于一个不随场强变化的定值，达到饱和最后趋于一个不随场强变化的定值，达到饱
6、和 漂移速度。漂移速度。如何说明？如何说明？上述现象的解释（载流子与晶格散射的能量交换）上述现象的解释（载流子与晶格散射的能量交换）载流子的速度（载流子的速度（） 低电场时：载流子平均漂移速度低电场时：载流子平均漂移速度vd比平均热运动速度比平均热运动速度vT小小得多，得多，决定于决定于vT ，而与，而与|E|无关，无关，是一常数。是一常数。 增加到临界场强时（增加到临界场强时（ vd接近接近vT ）：）： 电场足够强时：载流子速度足够大，晶体振动散射变得电场足够强时：载流子速度足够大，晶体振动散射变得非常强，使平均速度趋于饱和值。非常强，使平均速度趋于饱和值。dvvlTE，vd， ， ， v
7、d不再与不再与E成正比，而变为随成正比，而变为随电场增加较为缓慢。电场增加较为缓慢。核心：载流子与晶格的散射作用核心：载流子与晶格的散射作用散射机制（导带电子为例）散射机制（导带电子为例） 无电场：无电场：载流子和晶格散射时，将吸收声子或发射声子，与晶载流子和晶格散射时，将吸收声子或发射声子，与晶格交换动量和能量，格交换动量和能量，交换的净能量为交换的净能量为0，载流子的平均能量与，载流子的平均能量与晶格的相同，两都处于热平衡状态晶格的相同，两都处于热平衡状态 。 低电场：低电场：载流子发射的声子数多于吸收的声子数。但是载流子载流子从电场获得的能量很小，通过与晶体散射达到平衡，电子温度从电场获
8、得的能量很小，通过与晶体散射达到平衡，电子温度Te与晶体温度与晶体温度Tl差别不明显差别不明显，与与|E|无关，无关，J|E| 高电场：高电场：载流子从电场中获得的能量很多，载流子和晶格系统载流子从电场中获得的能量很多，载流子和晶格系统不再处于平衡状态，不再处于平衡状态，Te明显超过明显超过Tl，此时称其为热载流子。其，此时称其为热载流子。其速度大于热平衡状态时的速度，速度大于热平衡状态时的速度， 。电子受到晶格振动的散。电子受到晶格振动的散射主要表现为发射声子的形式，即将焦耳热传送给晶格。射主要表现为发射声子的形式，即将焦耳热传送给晶格。 再增强：再增强：发射光学波声子发射光学波声子，获得的
9、能量大部分消失，获得的能量大部分消失， vd饱和。饱和。l v练习练习一、判断一、判断1、在半导体中，原子最外层电子的共有化运动、在半导体中，原子最外层电子的共有化运动最显著。最显著。 （ ）2、不同的、不同的k值可标志自由电子的不同状态，但它值可标志自由电子的不同状态，但它不可标志晶体中电子的共有化状态。不可标志晶体中电子的共有化状态。 （ ）3、空位表现为施主作用，间隙原子表现为受主、空位表现为施主作用，间隙原子表现为受主作用。作用。 （ ）4、半导体中两种载流子数目相同的为高纯半导、半导体中两种载流子数目相同的为高纯半导体。体。 （ ）练习练习5、杂质总共可分为两大类（、杂质总共可分为两
10、大类（ ）和（）和（ ），），施主杂质为（施主杂质为（ ），受主杂质为（），受主杂质为（ ）。）。6、施主杂质向（、施主杂质向（ ）带提供（）带提供（ ）成为（）成为（ ）电中心；受主杂质向（电中心；受主杂质向（ ）带提供（）带提供（ ）成）成为（为（ ）电中心。）电中心。7 、热平衡时，能级热平衡时，能级E处的空穴浓度为（处的空穴浓度为（ ）。）。8 、在半导体中，载流子的三种输运方式为在半导体中，载流子的三种输运方式为（ ）、）、 （ ）和（）和（ ）。）。ABC电阻率温度杂质电离化区过渡区高温本征激发区练习练习0 100 200 300 400 500 6002.01.51.00.510 102 103 104 106 10210310