08-第四章-半导体的导电性
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在电场和磁场作用下,半导体中的电子和空穴的运动会引起各种电荷的输运现象半导体的导电性强弱随温度和杂质的含量变化而变化。
1. 从能带角度理解半导体的导电性半导体在绝对零度时,被电子占据的最高能带为满带,上面临近的能带是空带,当有一定温度时,电子从满带激发到空带,原来的空带变为不满带,在电场作用下,电子的状态在布里渊区中的分布不再对称,半导体导电。
2. 从晶格角度理解半导体的导电性在一定温度下,共价键上的电子e 挣脱了价键的束缚,进入到晶格空间形成准自由电子,这个电子在外电场的作用下运动而形成电子电流。
在价键的电子进入晶格后留下空穴,当这个空穴被电子重新填充后,会在另一个位置产生新的空穴,这一过程为空穴电流3. 载流子的散射理想完整晶体中电子处于严格周期势场中,v (k )不变,实际晶体由于存在缺陷,相当于在原有严格周期性势场上叠加了附加势场,从而引起了载流子状态的改变成为载流子的散射连续两次散射间的平均自由时间,散射主要有晶格振动散射和电离杂质散射。
(1)电离杂质原因是:电离杂质因为形成库仑场,附加在周期场上,局部破坏了周期势场。
散射几率:(2)晶格振动散射:晶体中格波氛围声学支和光学支。
声学支描述原胞的整体运动,光学支描述一个原胞内两个原子的相对运动。
一个原胞有n 个原子,则三维情况下总的格波数为3n ,其中3支声学波,3(n-1)支光学波。
①声学波散射原因:纵波的振动形式使原子形成疏密分布,半导体体积在疏处膨胀,密处压缩,使能带发生振动,产生附加势。
②光学波散射原因:原子的相对运动使电荷分布形成正电荷区和负电荷区,产生电场,形成附加势。
4. 载流子的漂移运动,迁移率(1) 在有外加电场存在时,载流子沿一定方向的有规则运动,称为漂移运动。
它是引起电荷流动的原因。
考虑平均,则电子和空穴的漂移速率分别为 ετ *-=n n n m q v 和 ετ *=pp p m q v ,*p m 和p τ分别为空穴的有效质量和弛豫时间。
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。