电导率、迁移率、霍耳效应ppt.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,4.5,电导率和迁移率,一、欧姆定律,二、电流密度,欧姆定律的微分形式,三、漂移速度和迁移率,在外场,|E|,的作用下，半导体中载流子要逆,(,顺,),电场方向作定向运动，这种运动称为漂移运动。,定向运动速度称为漂移速度，它大小不一，取其平均值称作平均漂移速度。,电子的平均漂移速度,图中截面积为,s,的均匀样品，,内部电场为,|E|,，电子浓度为,n,。,在其中取相距为 的,A,和,B,两,个截面，这两个截面间所围成,的体积中总电子数为 ，,这,N,个电子经过,t,时间后都将通过,A,面，因此按照电流强度的定义,与电流方向垂直的单位面积上所通过的电流强度定义为电流密,度，用,J,表示，那么,图,4.1,平均漂移速度分析模型,对掺杂浓度一定的半导体，当外加电场恒定时，平均漂移速度应不变，相应的电流密度也恒定；电场增加，电流密度和平均漂移速度也相应增大。即平均漂移速度与电场强度成正比例,迁移率，表征单位场强下电子平均,漂,移速度，单位为,m,2,/V,s,或,cm,2,/V,s,，,迁移率一般取正值,四、半导体的电导率和迁移率,图,4.2,电子和空穴漂移电流密度,若在半导体两端加上电压，内部就形成电场,.,电子和空穴漂移方向相反,但所形成的漂移电流密度都是与电场方向一致的，因此总漂移电流密度是两者之和。,在电场强度不是很大的情况下,在半导体中电子和空穴同时导电,由于电子在半导体中作“自由”运动，而空穴运动实际上是共价键上电子在共价键之间的运动。,所以两者在外电场作用下的平均漂移速度显然不同，用,n,和,p,分别表示电子和空穴的迁移率。,n,型半导体，,np,=nq,n,;,p,型半导体，,pn,=pq,p,;,本征型半导体，,n=p=n,i,i,=n,i,q,(,n,+,p,),问题：,F=m*a,如果电场恒定是否 载流子不断加速，速度越来越大？,载流子在运动中会受到碰撞而改变原来的方向,载流子散射,五、载流子的散射,1,载流子散射的概念,热运动：无规则的、杂乱无章的运动,半导体中的载流子在没有外电场作用时，做无规则热运动，与格点原子、杂质原子,(,离子,),和其它载流子发生碰撞，用波的概念就是电子波在传播过程中遭到散射。,在电场力作用下的载流子一方面遭受散射，使载流子速度的方向和大小不断改变。,另一方面，载流子受电场力作用，沿电场方向（空穴）或反电场方向（电子）定向运动。,二者作用的结果是载流子以一定的平均漂移速度做定向运动。,电场对载流子的加速作用只存在于连续的两次散射之间。,而“自由”载流子只是在连续的两次散射之间才是“自由”的。,平均自由程：连续两次散射间自由运动的平均路程,平均自由时间：连续两次散射间的平均时间,2,半导体的主要散射机构,半导体中载流子遭到散射的根本原因：,在于晶格周期性势场遭到破坏而存在有附加势场。,因此凡是能够导致晶格周期性势场遭到破坏的因素都会引发载流子的散射。,（,1,）,.,电离杂质散射,施主杂质在半导体中未电离时是中性的，电离后成为正电中心，而受主杂质电离后接受电子成为负电中心，因此离化的杂质原子周围就会形成库仑势场，载流子因运动靠近后其速度大小和方向均会发生改变，也就是发生了散射，这种散射机构就称作电离杂质散射。,电离杂质对电子和空穴的散射,电离杂质对载流子散射的问题，与,粒子被原子核散射的情形很类似。,载流子的轨道是双曲线，电离杂质在双曲线的一个焦点上。,为描述散射作用强弱，引入散射几率,P,，它定义为单位时间内,一个载流子受到散射的次数。,如果电离杂质浓度为,N,i,，电离杂质散射的散射几率,P,i,与,N,i,及,其温度的关系为,上式表明：,N,i,越高，载流子受电离杂质散射的几率越大；,温度升高导致载流子的热运动速度增大，从而更容易掠过电离杂质周围的库仑势场，遭电离杂质散射的几率反而越小。,说明：,对于经过杂质补偿的,n,型半导体，在杂质充分电离时，补偿后的有效施主浓度为,N,D,-N,A,，导带电子浓度,n,0,=N,D,-N,A,；,而电离杂质散射几率,P,i,中的,N,i,应为,N,D,+N,A,，因为此时施主和受主杂质全部电离，分别形成了正电中心和负电中心及其相应的库仑势场，它们都对载流子的散射作出了贡献，这一点与杂质补偿作用是不同的。,（,2,）晶格振动散射,一定温度下的晶体其格点原子,(,或离子,),在各自平衡位置附近振动。半导体中格点原子的振动同样要引起载流子的散射，称为晶格振动散射。,格点原子的振动都是由若干个不同基本波动按照波的迭加原理迭加而成。,基本波动被称作格波,常用格波波矢,|q|=1/,表示格波波长以及格波传播方向,由,N,个原胞,(,每个原胞含由两个原子组成）组成的一块半导体，共有,6N,个格波，分成六支。,其中频率低的三支称为声学波，三支声学波中包含一支纵声学波和二支横声学波。,六支格波中频率高的三支称为光学波，三支光学波中也包括一支纵光学波和二支横光学波。,波长在几十个原子间距以上的所谓长声学波对散射起主要作用，而长纵声学波散射更重要。,纵声学波相邻原子振动相位一致，结果导致晶格原子分布疏密改变，产生了原子稀疏处体积膨胀、原子紧密处体积压缩的体变。,原子间距的改变会导致禁带宽度产生起伏，使晶格周期性势场被破坏，如图所示。,长纵声学波对导带电子的散射几率,Ps,与温度的关系为,(a),纵声学波,(b),纵声学波引起的能带改变,纵声学波及其所引起的附加势场,光学波对载流子的散射几率,P,o,为,式中,为纵光学波频率，是随 变化的函数，,其值为,0.61,。,P,o,与温度的关系主要取决于方括号项，低温下,P,o,较小，温度升高方括号项增大，,P,o,增大3,）其它因素引起的散射,Ge,、,Si,晶体因具有多能谷的导带结构，载流子可以从一个能谷散射到另一个能谷，称为等同的能谷间散射，高温时谷间散射较重要。,低温下的重掺杂半导体，大量杂质未电离而呈中性，而低温下的晶格振动散射较弱，这时中性杂质散射不可忽视。,强简并半导体中载流子浓度很高，载流子之间也会发生散射。,如果晶体位错密度较高，位错散射也应考虑。,若掺杂浓度一定，,ln,T,的关系为：,-100,200,0,100,10,15,cm,-3,n,10,13,cm,-3,10,16,cm,-3,10,17,cm,-3,10,18,cm,-3,10,19,cm,-3,T,（,）,（,Si中电子迁移率）,N,I,电离杂质散射渐强,随,T,下降的趋势变缓,N,I,很大时（如,10,19,cm,-3,）,在低温的情况下,T,（缓慢）,说明杂质电离项作用显著,;,在高温的情况下,T,，,说明,晶格散射作用显著,.,总之：低温和重掺杂时，电离杂质散射主要,;,高温和低掺杂时，晶格振动散射主要。,室温下迁移率与杂质浓度关系,七 电阻率与杂质浓度和温度的关系,电阻率和电导率互为倒数，,因此半导体中,取决于载流子浓度和迁移率，而载流子浓度和迁移率都与掺杂情况和温度有关。,因此半导体的电阻率,与温度有关，也与杂质浓度有关。,1,电阻率与杂质浓度的关系,轻掺杂时,，如果认为室温下杂质全部电离，多子浓度等于杂质浓度。而迁移率随杂质变化不大，可以认为是常数。,电阻率随杂质浓度成简单的反比关系，在对数坐标近似为直线,杂质浓度增高时，曲线严重偏离直线。,原因（,1,）杂质不能完全电离,（,2,）迁移率随杂质浓度的增加而显著下降,300K,时电阻率,与杂质浓度的实验曲线,2,电阻率与温度的关系,图中曲线随温度的变化规律,可以根据不同温度区间,因杂质电离和本征激发的作用,使载流子浓度发生变化以及相应的散射机制作用强,弱不同加以解释。,掺杂,Si,样品的电阻率与温度关系,杂质激发的范围，主要是一种载流子,对本征半导体材料,迁移率稍有下降,本征半导体电阻率随温度增加而单调下降,低温区：,温度很低，本征激发可以忽略不计，载流子主要由杂质电离提供。载流子随温度升高而增加。,散射由电离杂质决定，迁移率也随温度升高而加大。,T,n,p,电阻率随温度升高而下降,杂质半导体材料,温度升高到杂质饱和电离区：,杂质已全部电离，本征激发还不显著，载流子浓度基本不变,晶格振动散射是主要的,.,随着温度,T,的升高,迁移率下降,T ,电阻率随温度升高而增大,进入本征区后,随着温度,T,的升高,载流子浓度迅速增加,而迁移率,下降,但大量本征载流子的产生远远超过迁移率减小对电阻率的影响。,T,n,p,电阻率随温度升高而下降,判断题,半导体的电阻总随着温度的上升而下降。,半导体的电阻总随着温度的上升而下降。,错,对于本征半导体才有此规律。,八强电场下的效应,欧姆定律的偏离,弱电场时,:,当,E,10,3,V,/,cm,后,成立,.,当,E,10,5,V,/,cm,后,平均漂移速度与电场强度的关系,.,半导体的霍耳效应,半导体片置于,xy,平面内,电流沿,x,方向,磁场垂直于半导体片沿,z,方向,空穴导电的,P,型半导体，载流子受到洛伦兹力,半导体片两端形成正负电荷的积累，产生静电场,达到稳恒，满足,电流密度,电场强度,电子导电的,N,半导体,电场强度,霍耳系数,霍耳系数,霍耳系数,霍耳系数,半导体的霍耳系数与载流子浓度成反比,半导体的霍耳效应比金属强得多,测量霍耳系数可以直接测得载流子浓度,确定载流子的种类,霍耳系数为正,空穴导电,霍耳系数为负,电子导电,