第四章1 半导体的导电性

第四章半导体的导电性本章重点1.迁移率2.载流子的散射3.电导率4.迁移率和电阻率与杂质浓度和温度的关系§ 4.1 载流子的漂移运动迁移率4.1.1 欧姆定律S E S E S l l E R V I σρρ====/为电导率，单位：西门子/米, 西门子/厘米ρσ1=mm c ⋅Ω⋅Ω，的单位电阻率ρ欧姆定律的微分形式EJ σ=4.1.2 漂移速度和迁移率载流子在电场力作用下作定向运动叫漂移运动，平均漂移速度。

dv −(2)d J nq v −=−E v d ×1sAO 电子浓度为n 的导体，电子漂移运动形成电流1d I nq v s−=−××−−==dv nq J E J 又增大电流密度随电场增加而，σ/(3)d d v Ev E μμ−−==Enq J μ=)4(μσnq =为电子迁移率，表示单位电场下电子的平均漂移速度。

描述载流子在电场中漂移运动的难易程度。

单位：（m 2/V.s 或cm 2/V.s ）μ漂移电流示意图电场方向4.1.3 半导体的电导率和迁移率复杂性：电子和空穴两种载流子，且其浓度随温度、掺杂而变化。

空穴漂移方向电子电流空穴电流电子漂移方向电子& 空穴的电流方向均与电场方向相同半导体中电流EE pq nq J J J p n p n σμμ=+=+=)(半导体中电导率与载流子浓度和迁移率的关系：pn pq nq μμσ+=导带中电子自由运动形成电流，大。

n μ价带空穴导电，实际共价键上的电子在价键间运动形成电流，小。

p μn nq σμ=对N 型半导体n>>pppq σμ=对P 型半导体p>>n 对本征半导体p ＝n ＝n i()i n p n q σμμ=+电子迁移率大于空穴迁移率，高速开关器件主要依靠电子导电。

电导率主要取决于多子§ 4.2 载流子的散射J E σ=，电场一定，电流密度恒定应不断增加，，载流子受电场力加速J v nq J d −−=矛盾的两方面：原因所在：载流子与晶格原子或电离杂质等发生碰撞而交换能量，从而改变载流子速度的大小和方向4.2.1 载流子散射与漂移运动1、载流子的散射——改变速度的方向和大小处在外电场中的载流子运动：散射+漂移运动。

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。

半导体的导电特性半导体的导电能力随着外界条件(如温度变化、光照)的不同而有很大的差别。

如果在纯净的半导体中掺人微量的某种杂质后，它的导电能力就可几十万甚至几百万倍地增加，正是由于这种独特的性质,使半导体得到了广泛的应用。

半导体有如下特性。

热敏性:当环境温度升高时，导电能力显著增强。

利用该特性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。

利用该特性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:如果在本征半导体中掺入微量的杂质(某种元素)，其导电能力明显改变。

利用该特性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。

这也是半导体广泛应用的最重要原因。

根据掺杂元素的不同,杂质半导体分为两类:(1)N型半导体在硅或锗的单晶体中掺入磷(或其他五价元素)，可使自由电子的数目大量增加。

这种半导体主要靠电子导电，或者说它的多数载流子是电子，少数载流子是空穴，故称为电子型半导体或N型半导体。

(2)P型半导体如果在硅或锗的单晶体中掺人硼(或其他三价元素)，半导体中就会形成大量的空穴。

这种以空穴导电作为主要导电方式的半导体称为空穴半导体或P型半导体。

其中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。

应当指出，不论是N型半导体，还是P型半导体，虽然掺杂造成了半导体中的多数载流子，但并不使半导体导电，即整个晶体对外仍呈中性。

2PN结的单向导电性在一块晶片上，采取特定的掺杂工艺方法，在两边分别形成P型半导体和N型半导体，它们的交界面就形成一个特殊的薄层，称为PN结PN结具有单向导电性，当PN结加正向电压时，处于导通状态;PN结加反向电压时，处于截止状态。

PN结是各种半导体器件的共同基础。

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。

第四章 半导体的导电性引言前几章介绍了半导体的一些基本概念和载流子的统计分布，还没有涉及到载流子的运动规律。

本章主要讨论载流子在外加电场作用下的漂移运动，讨论半导体的迁移率、电导率、电阻率随温度和杂质浓度的变化规律，以及弱电场情况下电导率的统计理论和强电场情况下的效应，并介绍热载流子的概念。

§4.1载流子的漂移运动和迁移率一、欧姆定律 1.金属：V I R=（4.1-1） lRs ρ=（4.1-2） 单位：m Ω∙和cm Ω∙1=σρ（4.1-3） 单位：/m S 和/cm S2.半导体：电流密度：通过垂直于电流方向的单位面积的电流，J=Is∆∆（4.1-4） 单位：/m A 和/cm A电场强度：=Vl ε（4.1-5）单位：/m V 和/cm V 均匀导体：J=I s（4.1-6） 所以，J==I V ls Rs Rs εεσ==（4.1-7） 上式表示半导体的欧姆定律，把通过导体某一点的电流密度和改点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。

二、漂移速度和迁移率有外加电压时，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构成电流。

电子在电场力作用下的这种运动称为漂移运动，定向运动的速度称为漂移速度。

电子的平均漂移速度为d v ，则其大小与电场强度成正比：d v με=（4.1-8）其中，μ称为电子的迁移率，表示单位场强下电子的平均漂移速度，单位是m 2/V·s 或cm 2/V·s 。

由于电子带负电，其d v 与E 反向，但μ习惯上只取正值，即dv με=（4.1-9）d J nqv =-}d v με=(4.110)J nq με=-(4.111)nq σμ=-1.n 型半导体：n p ，0n n q σμ=（4.1-12）2.p 型半导体：pn ，0p p q σμ=（4.1-13）3.本征半导体：i n p n ==，()i n p n q σμμ=+（4.1-14） 4.一般半导体：n p nq pq σμμ=+（4.1-15） §4.2载流子的散射一、载流子散射的概念在有外加电场时，载流子在电场力的作用下作加速运动，漂移速度应该不断增大，由式：d J nqv =-可知，电流密度将无限增大。

半导体的导电特性半导体是一种介于导体和绝缘体之间的物质。

它的导电特性与其他材料有所不同，因此对于理解和应用半导体的各种电子器件至关重要。

本文将深入探讨半导体的导电特性，包括本征导电、掺杂与载流子浓度、载流子迁移率以及PN结的导电特性等。

1. 本征导电半导体材料的本征导电是指在纯净无杂质状态下，通过自由载流子实现的导电现象。

半导体晶体中的自由电子和空穴是通过热激发或光激发的方式生成的。

具体而言，半导体中的自由电子主要来自于价带的电子跃迁，而空穴则是通过连带效应产生的。

在本征导电状态下，半导体的导电能力较弱。

2. 掺杂与载流子浓度为了提高半导体的导电性能，常常会对其进行掺杂。

掺杂是向半导体中加入少量杂质原子，以改变半导体的导电特性。

根据掺杂杂质的电性，可以将掺杂分为N型和P型两种。

N型半导体中掺入少量五价元素，如磷或砷，这些杂质原子提供了额外的自由电子，因此N型半导体中的导电能力增强。

P型半导体中掺入少量三价元素，如硼或铝，这些杂质原子提供了额外的空穴，因此P型半导体中的导电能力提高。

掺杂后的半导体中，载流子浓度变得非常高，因为掺杂引入了大量的自由电子或空穴。

这种载流子浓度的增加极大地改善了半导体的导电性能。

3. 载流子迁移率除了载流子浓度，载流子的迁移率也是决定半导体导电特性的重要因素之一。

载流子迁移率指的是自由载流子在半导体中运动时的移动速度。

迁移率取决于材料的特性以及杂质的种类和浓度。

在半导体晶体结构中，载流子的运动受到晶格缺陷、杂质和温度等因素的影响。

晶格缺陷会散射载流子，从而降低其迁移率。

而杂质的种类和浓度也会影响载流子的迁移率，高浓度的杂质会增加散射，降低迁移率。

此外，温度的升高也会导致晶格振动增加，进而增加自由载流子的散射，降低迁移率。

4. PN结的导电特性PN结是半导体中最基本的器件之一，其导电特性在电子学和光电子学领域有广泛应用。

PN结由N型半导体和P型半导体通过正向或反向偏置连接而成。

半导体物理学黄整载流子输运半导体中载流子的输运有三种形式：¾漂移¾扩散¾产生和复合2沿电场的反方向作定向运动（定向运动的速度称为漂移速度）dv 电流密度Ad I qnv =−dJ qnv =−4d v nq J =E μnq =Eσ=nq σμ=q 5半导体的电导率和迁移率半导体的导电作用为电子导电和空穴导电的总和==n p J J J +当电场强度不大时，满足J =σ E()n p nq pq μμ+En pnq pq σμμ=+N 型半导体n nq σμ=p n >>P 型半导体p pq σμ=n n ===n p >>6本征半导体i p ()i n p n q σμμ+散射概念的提出外加电场的作用下载流子应当作加速运动外加电场的作用下，载流子应当作加速运动−dJ qnv =不断增大但是J σ=E恒定7热运动在无电场作用下，载流子永无停息地做着无规则的、杂乱无章的运动，称为热运动。

晶体中的碰撞和散射引起净速度为零，净电流为零。

平均自由时间为τm~0.1ps8当有外电场作用时，载流子既受电场力的作用，同时不断发生散射。

载流子在外电场的作用下为热运动和漂移运动的叠加，因此电流密度恒定。

9散射的原因根本原因是周载流子在半导体内发生散射的期性势场遭到破坏附加势场ΔV使能带中的电子在不同k状态间跃迁，并使载流子的运动速度及方向发生改变。

10晶格振动对电子的散射格波¾形成原子振动的基本波动¾格波波矢q=2π/λ¾对应于某一q值的格波数目不定，一个晶体中格波的总数取决于原胞中所含的原子数¾Si、Ge半导体的原胞含有两个原子，对应于每一个q就有六个不同的格波，频率低的三个格波称为声学波，频率高的三个为光学波¾长声学波（声波）振动在散射前后电子能量基本不变，为弹性散射；光学波振动在散射前后电子能量有较大的改变，为非弹性散射12长光学波，能谷内部非弹性散射。

半导体的导电性及掺杂半导体材料是一类介于导体和绝缘体之间的材料，具有特殊的导电性质。

本文将探讨半导体的导电性以及如何通过掺杂来改变其导电性。

一、半导体材料的导电性质半导体的导电性质是由其特殊的能带结构决定的。

在半导体中，存在着价带和导带之间的禁带。

价带是指电子处于低能量状态时所占据的能带，而导带则是指电子处于高能量状态时所占据的能带。

禁带是二者之间的能量间隔。

在固体材料中，原子核和价带中的电子形成了共价键，这些价带中的电子都是成对出现的，无法自由移动。

而在半导体中，由于禁带的存在，价带中的电子无法跃迁到导带中，导致半导体无法导电。

二、本征半导体和掺杂半导体半导体可以分为本征半导体和掺杂半导体两种类型。

本征半导体是指未经过任何掺杂的纯净半导体材料。

在本征半导体中，导带中的电子数量很少，因此导电性较差。

通常情况下，本征半导体的导电性取决于其材料的温度。

掺杂半导体是指通过掺杂过程向半导体材料中引入其他杂质元素，从而改变其导电性质的半导体材料。

常见的掺杂元素有硼、磷、砷等。

掺杂的过程会使得半导体材料中的导电性质发生显著改变，从而使电子或空穴数量增加，提高导电能力。

三、掺杂对半导体导电性的影响掺杂的类型和浓度决定了半导体材料的导电性质。

1. N型半导体N型半导体是指通过向半导体中引入电子供体杂质元素，如磷或砷，使得电子数量增多的材料。

在N型半导体中，杂质原子释放的额外电子进入导带，从而增加了导电性能。

这些额外的电子被称为自由电子，它们能够自由地在半导体中移动并参与导电过程。

2. P型半导体P型半导体是指通过向半导体中引入电子受体杂质元素，如硼，使得空穴数量增多的材料。

在P型半导体中，杂质原子缺少一个电子，形成了一个空穴。

空穴可以看作是正电荷的移动载流子。

空穴在半导体中移动，从而参与了导电过程。

通过掺杂N型半导体和P型半导体，可以制造出PN结。

PN结是一种广泛应用于半导体器件中的结构，如二极管和晶体管等。

PN结的导电性质由P区和N区的不同导电性决定，使得半导体器件具有特殊的电子控制功能。