半导体的导电性汇总

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。

半导体知识点总结大全引言半导体是一种能够在一定条件下既能导电又能阻止电流的材料。

它是电子学领域中最重要的材料之一，广泛应用于集成电路、光电器件、太阳能电池等领域。

本文将对半导体的知识点进行总结，包括半导体基本概念、半导体的电子结构、PN结、MOS场效应管、半导体器件制造工艺等内容。

一、半导体的基本概念（一）电子结构1. 原子结构：半导体中的原子是由原子核和围绕原子核轨道上的电子组成。

原子核带正电荷，电子带负电荷，原子核中的质子数等于电子数。

2. 能带：在固体中，原子之间的电子形成了能带。

能带在能量上是连续的，但在实际情况下，会出现填满的能带和空的能带。

3. 半导体中的能带：半导体材料中，能带又分为价带和导带。

价带中的电子是成对出现的，导带中的电子可以自由运动。

（二）本征半导体和杂质半导体1. 本征半导体：在原子晶格中，半导体中的电子是在能带中的，且不受任何杂质的干扰。

典型的本征半导体有硅（Si）和锗（Ge）。

2. 杂质半导体：在本征半导体中加入少量杂质，形成掺杂，会产生额外的电子或空穴，使得半导体的导电性质发生变化。

常见的杂质有磷（P）、硼（B）等。

（三）半导体的导电性质1. P型半导体：当半导体中掺入三价元素（如硼），形成P型半导体。

P型半导体中导电的主要载流子是空穴。

2. N型半导体：当半导体中掺入五价元素（如磷），形成N型半导体。

N型半导体中导电的主要载流子是自由电子。

3. 载流子浓度：半导体中的载流子浓度与掺杂浓度有很大的关系，载流子浓度的大小决定了半导体的电导率。

4. 质量作用：半导体中载流子的浓度受温度的影响，其浓度与温度成指数关系。

二、半导体器件（一）PN结1. PN结的形成：PN结是由P型半导体和N型半导体通过扩散结合形成的。

2. PN结的电子结构：PN结中的电子从N区扩散到P区，而空穴从P区扩散到N区，当N区和P区中的载流子相遇时相互复合。

3. PN结的特性：PN结具有整流作用，即在正向偏置时具有低电阻，反向偏置时具有高电阻。

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：VIR=（4.1-1）lRsρ=（4.1-2）单位：mΩ•和cmΩ•1=σρ（4.1-3）单位：/mS和/cmS2.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：/mA和/cmA电场强度：=Vlε（4.1-5）单位：/mV和/cmV均匀导体：J=Is（4.1-6）所以，J==I V ls Rs Rsεεσ==（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dv，则其大小与电场强度成正比：dvμε=（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m2/V·s 或cm2/V·s。

由于电子带负电，其dv与E反向，但μ习惯上只取正值，即dvμε=（4.1-9）dJ nqv=-扩散运动：载流子浓度漂移运动：外加电场}dvμε=(4.110)J nqμε=-(4.111)nqσμ=-电导率与迁移率之间的关系实际中，存在破坏周期性势场的作用因素：杂质、缺陷、晶格热振动等。

1.n 型半导体：n p ?，0n n q σμ=（4.1-12）2.p 型半导体：p n ?，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。