1、半導(dǎo)體物理與器件1q電導(dǎo)率和電阻率電導(dǎo)率和電阻率m電流密度：電流密度：m對于一段長為對于一段長為l，截面面積為截面面積為s，電阻率為，電阻率為的均勻?qū)w，若施加的均勻?qū)w，若施加以電壓以電壓V V，則導(dǎo)體內(nèi)建立均勻電場，則導(dǎo)體內(nèi)建立均勻電場E E，電場強度大小為：，電場強度大小為：對于這一均勻?qū)w，有電流密度：對于這一均勻?qū)w，有電流密度：IJsIVEl/E lIVJssElsRs將電流密度與該將電流密度與該處的電導(dǎo)率以及處的電導(dǎo)率以及電場強度聯(lián)系起電場強度聯(lián)系起來，稱為歐姆定來，稱為歐姆定律的微分形式律的微分形式半導(dǎo)體物理與器件2m半導(dǎo)體的電阻率和電導(dǎo)率半導(dǎo)體的電阻率和電導(dǎo)率11drfnpn

2、pnpIeNAvtJNevvAAtenp EEenpenp顯然：電導(dǎo)率（電阻率）與載流子顯然：電導(dǎo)率（電阻率）與載流子濃度（摻雜濃度）和遷移率有關(guān)濃度（摻雜濃度）和遷移率有關(guān)半導(dǎo)體物理與器件3問題：本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性（常溫下）是問題：本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性（常溫下）是否一定比摻雜半導(dǎo)體更差？否一定比摻雜半導(dǎo)體更差？1/21/2()()pniinpnnpn和1/2min21ibb其中其中i i是本征半導(dǎo)體的電導(dǎo)率，是本征半導(dǎo)體的電導(dǎo)率，b=b=n n/p pSi-minSi-min0.860.86Si-ISi-I; ;GaAs-minGaAs-min0.40.4GaAs-IGaAs-I; ;半導(dǎo)體物

3、理與器件4右圖所示為右圖所示為N N型和型和P P型硅單型硅單晶材料在室晶材料在室溫溫(300K)(300K)條條件下電阻率件下電阻率隨摻雜濃度隨摻雜濃度的變化關(guān)系的變化關(guān)系曲線。曲線。m電阻率和雜質(zhì)濃度的關(guān)系電阻率和雜質(zhì)濃度的關(guān)系半導(dǎo)體物理與器件5右圖所示為右圖所示為N N型型和和P P型鍺、砷化型鍺、砷化鎵以及磷化鎵單鎵以及磷化鎵單晶材料在室溫晶材料在室溫(300K)(300K)條件下電條件下電阻率隨摻雜濃度阻率隨摻雜濃度的變化關(guān)系曲線。的變化關(guān)系曲線。半導(dǎo)體物理與器件6m電阻率（電導(dǎo)率）同時受電阻率（電導(dǎo)率）同時受載流子濃度載流子濃度（雜質(zhì)濃度）和（雜質(zhì)濃度）和遷移率遷移率的影響，因而電

4、阻率和雜質(zhì)濃度不是線性關(guān)系。的影響，因而電阻率和雜質(zhì)濃度不是線性關(guān)系。m對于非本征半導(dǎo)體來說，材料的電阻率（電導(dǎo)率）主對于非本征半導(dǎo)體來說，材料的電阻率（電導(dǎo)率）主要和要和多數(shù)載流子濃度多數(shù)載流子濃度以及以及遷移率遷移率有關(guān)。有關(guān)。m雜質(zhì)濃度增高時，曲線嚴重偏離直線，主要原因：雜質(zhì)濃度增高時，曲線嚴重偏離直線，主要原因：雜質(zhì)在室溫下不能完全電離雜質(zhì)在室溫下不能完全電離遷移率隨雜質(zhì)濃度的增加而顯著下降遷移率隨雜質(zhì)濃度的增加而顯著下降m由于電子和空穴的遷移率不同，因而在一定溫度下，由于電子和空穴的遷移率不同，因而在一定溫度下，不一定本征半導(dǎo)體的電導(dǎo)率最小。不一定本征半導(dǎo)體的電導(dǎo)率最小。半導(dǎo)體物理與

5、器件7右圖所示為一塊右圖所示為一塊N N型半型半導(dǎo)體材料中，當施主導(dǎo)體材料中，當施主雜質(zhì)的摻雜濃度雜質(zhì)的摻雜濃度N ND D為為1E15cm1E15cm-3-3時，半導(dǎo)體材時，半導(dǎo)體材料中的電子濃度及其料中的電子濃度及其電導(dǎo)率隨溫度的變化電導(dǎo)率隨溫度的變化關(guān)系曲線。關(guān)系曲線。m電導(dǎo)率和溫度的關(guān)系電導(dǎo)率和溫度的關(guān)系半導(dǎo)體物理與器件8 從圖中可見，在非本征激發(fā)為主的從圖中可見，在非本征激發(fā)為主的中等溫度區(qū)間中等溫度區(qū)間內(nèi)（即大內(nèi)（即大約約200K200K至至450K450K之間），此時雜質(zhì)完全離化，即電子的濃度基本之間），此時雜質(zhì)完全離化，即電子的濃度基本保持不變，但是由于在此溫度區(qū)間內(nèi)載流子的保

6、持不變，但是由于在此溫度區(qū)間內(nèi)載流子的遷移率隨著溫度遷移率隨著溫度的升高而下降的升高而下降，因此在此溫度區(qū)間內(nèi)半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率也隨，因此在此溫度區(qū)間內(nèi)半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率也隨著溫度的升高而出現(xiàn)了一段下降的情形。著溫度的升高而出現(xiàn)了一段下降的情形。 當溫度進一步升高，則進入本征激發(fā)區(qū)，此時本征載流子當溫度進一步升高，則進入本征激發(fā)區(qū)，此時本征載流子的濃度隨著溫度的上升而迅速增加，因此電導(dǎo)率也隨著溫度的的濃度隨著溫度的上升而迅速增加，因此電導(dǎo)率也隨著溫度的上升而迅速增加。上升而迅速增加。 而當溫度比較低時，則由于雜質(zhì)原子的凍結(jié)效應(yīng)，載流子而當溫度比較低時，則由于雜質(zhì)原子的凍結(jié)效應(yīng)，載流子濃度和半導(dǎo)

7、體材料的電導(dǎo)率都隨著溫度的下降而不斷減小。濃度和半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率都隨著溫度的下降而不斷減小。半導(dǎo)體物理與器件9m電阻率和溫度的變化關(guān)系：電阻率和溫度的變化關(guān)系：T T低溫低溫飽和飽和本征本征低溫下晶格振動不明顯，本征載流子濃度低。低溫下晶格振動不明顯，本征載流子濃度低。電離中心散射隨溫度升高而減弱，遷移率增加電離中心散射隨溫度升高而減弱，遷移率增加雜質(zhì)全部電離，載流子濃度不變；晶格振動散雜質(zhì)全部電離，載流子濃度不變；晶格振動散射起主要作用，隨溫度升高遷移率下降射起主要作用，隨溫度升高遷移率下降本征區(qū)，載本征區(qū)，載流子濃度隨流子濃度隨溫度升高而溫度升高而迅速升高，迅速升高，半導(dǎo)體物理與器件10

8、q載流子的漂移速度飽和效應(yīng)載流子的漂移速度飽和效應(yīng)前邊關(guān)于遷移率的討論一直建立在一個基礎(chǔ)之上：前邊關(guān)于遷移率的討論一直建立在一個基礎(chǔ)之上：弱弱場場條件。即電場造成的漂移速度和熱運動速度相比較小，從條件。即電場造成的漂移速度和熱運動速度相比較小，從而不顯著改變載流子的平均自由時間。但在強場下，載流子而不顯著改變載流子的平均自由時間。但在強場下，載流子從電場獲得的能量較多，從而其速度（動量）有較大的改變，從電場獲得的能量較多，從而其速度（動量）有較大的改變，這時，會造成平均自由時間減小，散射增強，最終導(dǎo)致遷移這時，會造成平均自由時間減小，散射增強，最終導(dǎo)致遷移率下降，速度飽和。對于熱運動的電子：率

9、下降，速度飽和。對于熱運動的電子： 上述隨機熱運動能量對應(yīng)于硅材料中電子的平均熱運動速度上述隨機熱運動能量對應(yīng)于硅材料中電子的平均熱運動速度為為10107 7cm/scm/s；如果我們假設(shè)在低摻雜濃度下硅材料中電子的遷移；如果我們假設(shè)在低摻雜濃度下硅材料中電子的遷移率為率為n n=1350cm=1350cm2 2/V/Vs s，則當外加電場為，則當外加電場為75V/cm75V/cm時，對應(yīng)的載流時，對應(yīng)的載流子定向漂移運動速度僅為子定向漂移運動速度僅為10105 5cm/scm/s，只有平均熱運動速度的，只有平均熱運動速度的百分百分之一之一。半導(dǎo)體物理與器件11在在弱場弱場條件下，載流子的條件

10、下，載流子的平均自由運動時間平均自由運動時間基本上由載流子的基本上由載流子的熱運動速度熱運動速度決定，不隨電場的改變而發(fā)生變化，因此弱場下載決定，不隨電場的改變而發(fā)生變化，因此弱場下載流子的遷移率可以看成是一個常數(shù)。流子的遷移率可以看成是一個常數(shù)。 當外加電場增強為當外加電場增強為7.5kV/cm7.5kV/cm之后，對應(yīng)的載流子定向漂移之后，對應(yīng)的載流子定向漂移運動速度將達到運動速度將達到10107 7cm/scm/s，這與載流子的平均熱運動速度持平。，這與載流子的平均熱運動速度持平。此時，載流子的平均自由運動時間將由熱運動速度和定向漂移此時，載流子的平均自由運動時間將由熱運動速度和定向漂移

11、運動速度共同決定，因此載流子的運動速度共同決定，因此載流子的平均自由運動時間平均自由運動時間將隨著外將隨著外加電場的增強而不斷加電場的增強而不斷下降下降，由此導(dǎo)致載流子的遷移率隨著外加，由此導(dǎo)致載流子的遷移率隨著外加電場的不斷增大而出現(xiàn)逐漸下降的趨勢，最終使得載流子的漂電場的不斷增大而出現(xiàn)逐漸下降的趨勢，最終使得載流子的漂移運動速度出現(xiàn)移運動速度出現(xiàn)飽和飽和現(xiàn)象，即載流子的漂移運動速度不再隨著現(xiàn)象，即載流子的漂移運動速度不再隨著外加電場的增加而繼續(xù)增大。外加電場的增加而繼續(xù)增大。*cpeEvm半導(dǎo)體物理與器件12m簡單模型簡單模型 假設(shè)載流子在兩次碰撞之間的自由路程為假設(shè)載流子在兩次碰撞之間的

12、自由路程為l，自由時間，自由時間為為，載流子的運動速度為，載流子的運動速度為v：在電場作用下：在電場作用下：vd為電場中的漂移速度，為電場中的漂移速度，vth為熱運動速度。為熱運動速度。ltvdthvvv半導(dǎo)體物理與器件13弱場：弱場：310/EV cm710/thvcm sTdVV*TdlVemvEE平均漂移速度平均漂移速度 ：半導(dǎo)體物理與器件14較強電場：較強電場：強電場：強電場：351010/EV cmdthlvvdE，v，平均漂移速度平均漂移速度V Vd d隨電場增加而緩慢增大隨電場增加而緩慢增大510/EV cm12dthdvvlvE半導(dǎo)體物理與器件151,11()dECEEvEC又

13、常數(shù)速度飽和速度飽和半導(dǎo)體物理與器件16右圖所示為右圖所示為鍺、硅及砷鍺、硅及砷化鎵單晶材化鎵單晶材料中電子和料中電子和空穴的漂移空穴的漂移運動速度隨運動速度隨著外加電場著外加電場強度的變化強度的變化關(guān)系。關(guān)系。m遷移率和電場的關(guān)系遷移率和電場的關(guān)系半導(dǎo)體物理與器件17從上述載流子漂移速度隨外加電場的變化關(guān)系曲線中可從上述載流子漂移速度隨外加電場的變化關(guān)系曲線中可以看出，在以看出，在弱場弱場條件下，漂移速度與外加電場成條件下，漂移速度與外加電場成線性線性變化關(guān)系，變化關(guān)系，曲線的曲線的斜率斜率就是載流子的就是載流子的遷移率遷移率；而在高電場條件下，漂移速；而在高電場條件下，漂移速度與電場之間的

14、變化關(guān)系將逐漸偏離低電場條件下的線性變化度與電場之間的變化關(guān)系將逐漸偏離低電場條件下的線性變化關(guān)系。以硅單晶材料中的電子為例，當外加電場增加到關(guān)系。以硅單晶材料中的電子為例，當外加電場增加到30kV/cm30kV/cm時，其漂移速度將達到時，其漂移速度將達到飽和值飽和值，即達到，即達到10107 7cm/scm/s；當載；當載流子的流子的漂移速度漂移速度出現(xiàn)飽和時，出現(xiàn)飽和時，漂移電流密度漂移電流密度也將出現(xiàn)飽和特性，也將出現(xiàn)飽和特性，即漂移電流密度不再隨著外加電場的進一步升高而增大。即漂移電流密度不再隨著外加電場的進一步升高而增大。對于對于砷化鎵砷化鎵晶體材料來說，其載流子的漂移速度隨外加晶

15、體材料來說，其載流子的漂移速度隨外加電場的變化關(guān)系要比硅和鍺單晶材料中的情況復(fù)雜得多，這主電場的變化關(guān)系要比硅和鍺單晶材料中的情況復(fù)雜得多，這主要是由砷化鎵材料特殊的要是由砷化鎵材料特殊的能帶結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu)所決定的。所決定的。半導(dǎo)體物理與器件18m負微分遷移率負微分遷移率從砷化鎵晶體材料中電子漂移速度隨外加電場的變化關(guān)從砷化鎵晶體材料中電子漂移速度隨外加電場的變化關(guān)系曲線可以看出，在低電場條件下，漂移速度與外加電場成線系曲線可以看出，在低電場條件下，漂移速度與外加電場成線性變化關(guān)系，曲線的性變化關(guān)系，曲線的斜率斜率就是低電場下電子的就是低電場下電子的遷移率遷移率，為，為8500cm8500cm2

16、 2/V/Vs s，這個數(shù)值要比硅單晶材料高出很多；隨著外加電，這個數(shù)值要比硅單晶材料高出很多；隨著外加電場的不斷增強，電子的漂移速度逐漸達到一個峰值點，然后又場的不斷增強，電子的漂移速度逐漸達到一個峰值點，然后又開始下降，此時就會出現(xiàn)一段開始下降，此時就會出現(xiàn)一段負微分遷移率負微分遷移率的區(qū)間，此效應(yīng)又的區(qū)間，此效應(yīng)又將導(dǎo)致將導(dǎo)致負微分電阻負微分電阻特性的出現(xiàn)。此特性可用于振蕩器電路的設(shè)特性的出現(xiàn)。此特性可用于振蕩器電路的設(shè)計。計。負微分遷移率效應(yīng)的出現(xiàn)可以從砷化鎵單晶材料的負微分遷移率效應(yīng)的出現(xiàn)可以從砷化鎵單晶材料的E-kE-k關(guān)關(guān)系曲線來解釋：低電場下，砷化鎵單晶材料導(dǎo)帶中的電子能量系曲

17、線來解釋：低電場下，砷化鎵單晶材料導(dǎo)帶中的電子能量比較低，主要集中在比較低，主要集中在E-kE-k關(guān)系圖中態(tài)密度有效質(zhì)量比較小的下能關(guān)系圖中態(tài)密度有效質(zhì)量比較小的下能谷，谷，m mn n* *=0.067m=0.067m0 0，因此具有比較大的遷移率。，因此具有比較大的遷移率。半導(dǎo)體物理與器件19 當電場比較強時，導(dǎo)帶中當電場比較強時，導(dǎo)帶中的電子將被電場加速并獲得能量，的電子將被電場加速并獲得能量，使得部分下能谷中的電子被散射使得部分下能谷中的電子被散射到到E-kE-k關(guān)系圖中態(tài)密度有效質(zhì)量關(guān)系圖中態(tài)密度有效質(zhì)量比較大的上能谷，比較大的上能谷，m mn n* *=0.55m=0.55m0 0，因此這部分電子的遷移率將會出因此這部分電子的遷移率將會出現(xiàn)下降的情形，這樣就會