《復(fù)旦大學微電子半導(dǎo)體器件第三章電導(dǎo)率》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《復(fù)旦大學微電子半導(dǎo)體器件第三章電導(dǎo)率（22頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、第三章 電導(dǎo)率和遷移率載流子散射電導(dǎo)率和遷移率電導(dǎo)率和溫度的關(guān)系強電場效應(yīng) 影響電子遷移率（單位外電場作用下電子在電場方向的平均速度）的因素？ 外加電場破壞了熱平衡熱平衡外加電場破壞了熱平衡 在恒定外電場的作用下電子的狀態(tài)在k空間作勻速運動前面講的是理想情況下：也就是晶體中原子的位置固定不動，而且原子在空間的排列沒有任何缺陷。這時如果有恒定外電電場作用,電子的狀態(tài)在k空間作勻速運動： 0 0dh k dkq hdt dt 理想情況下，全部被電子填滿的能帶中的電子在電場作用下不會有凈電流。未被電子填滿的能帶中的電子在電場作用下會出現(xiàn)往復(fù)運動，從而出現(xiàn)電流的振蕩。實際情況下由于散射存在阻礙了該現(xiàn)象

2、的發(fā)生。 晶體內(nèi)部載流子散射的因素晶格振動散射；晶格缺陷散射；電離雜質(zhì)和中性雜質(zhì)散射。 晶格振動散射在常溫下，單晶體中的原子在它的平衡位置附近作微振動，稱為晶格振動。晶格振動有許多種模式。晶格振動能量也是量子化的，和光子類似引入聲子。聲子有能量也有準動量，通常會有比光子大得多的準動量。電子和晶格振動之間交換能量和準動量可以看作電子吸收聲子或放出聲子從而獲得或失去聲子的能量和準動量。對于某種單晶可以用理論計算出在一定溫度下聲子的數(shù)量、它們的能量和準動量之間的關(guān)系、它們的能量分布等。 長聲學波散射在通常情況下鍺、硅單晶體長聲學波散射占據(jù)重要地位。把電子發(fā)生兩次散射之間的時間稱為自由時間，理論計算得

3、出長聲學波散射的平均自由時間和晶體溫度有關(guān)：溫度高電子熱運動速度快、晶格振動劇烈，所以散射頻繁、自由時間縮短。 3 / 2ac T 電離雜質(zhì)散射由于電子和電離雜質(zhì)之間的庫侖作用力引起散射。理論計算給出電離雜質(zhì)散射的平均自由時間和雜質(zhì)濃度成反比，同時也和溫度有關(guān)：溫度高電子熱運動速度快，在電離雜質(zhì)附近時間短，所以受到它的庫侖作用力影響小。 3 / 2I ITN 總散射幾率晶格熱振動（聲學聲子、光學聲子）、電離雜質(zhì)、中性雜質(zhì)對單晶體中電子的散射是各不相關(guān)的，所以電子受到的總散射幾率是所有這些散射幾率的總和。散射幾率是和平均自由時間成反比的，這樣總散射幾率為：通常中性雜質(zhì)的散射幾率相對很小可以忽略。

4、1 1 1 1 e ac I N 1 1 1e ac I 電導(dǎo)率和遷移率在外電場作用下，由歐姆定律可以得到： 或 就是電導(dǎo)率。如果半導(dǎo)體的載流子濃度是 、 在電場作用下獲得的平均漂移速度分別是 和 那么電流密度可以寫成：電場作用下電子的漂移速度正比與電場強度，比例系數(shù)就稱為遷移率： 、這樣就有：j j 0n 0p nv pv0 0n pj qn v qp v n nv p pv 0 0n pj q n p 0 0n pq n p 遷移率從上面可以看出在相同的電場作用下遷移率愈大電子在電場中獲得的漂移速度也愈大。理論計算得到遷移率和有效質(zhì)量、平均自由時間有關(guān)：在有多種相對獨立的散射機制的情況下有

5、： 、*nn nqm 1 1 1 .n nac nI 1 1 1 .p pac pI *pp pqm 電導(dǎo)率隨溫度的變化電導(dǎo)率隨溫度的變化取決于載流子濃度和遷移率隨溫度的變化。載流子濃度的變化在前面已經(jīng)討論過，有雜質(zhì)弱電離區(qū)、飽和電離區(qū)和本征激發(fā)區(qū)。前面兩個區(qū)域只需考慮多數(shù)載流子，而本征激發(fā)區(qū)要考慮兩種載流子。遷移率變化依賴于平均自由時間的變化。在雜質(zhì)弱電離區(qū)和本征激發(fā)區(qū)載流子隨溫度變化激烈，遷移率變化影響可以忽略，而飽和電離區(qū)遷移率變化顯現(xiàn)出來。 0 0n pq n p N型半導(dǎo)體中熱平衡電子濃度隨溫度變化右邊是單一淺施主低摻雜半導(dǎo)體中熱平衡電子濃度隨溫度變化的示意圖。弱電離區(qū)、飽和電離區(qū)和

6、本征激發(fā)區(qū)的導(dǎo)帶電子主要來源分別是施主逐步電離、施主接近全電離和本征激發(fā)。 三個區(qū)域載流子的計算公式弱電離區(qū)飽和電離區(qū)本征激發(fā)區(qū)電子空穴濃度積始終滿足1/20 exp2 2c D c DN N E En kT 0 Dn N 1/20 0 exp 2 gi c V En p n N N kT 20 0 exp gi c V En p n N N kT 遷移率隨溫度和電離雜質(zhì)變化 3 / 2ac T 3 / 2I ITN 3 / 2I IT 電阻率與摻雜濃度的關(guān)系pn qpqn 00 11 n 型nqn 01p 型pqp 01本征)( 1 pnii qn 速度飽和效應(yīng)和強場微分負阻效應(yīng)在低電場作用

7、下，載流子的遷移率是常數(shù)，載流子的速度隨電場線性增加。但是在強電場時載流子的速度趨向飽和，甚至有的半導(dǎo)體（例如砷化鎵）會出現(xiàn)微分負阻。 速度飽和效應(yīng)常溫下硅單晶中電子的熱運動速度約 ，而在100伏/厘米電場作用下，電子從電場獲得的附加漂移速度只有： ，對電子的熱運動速度影響很小 ，這時平均自由時間可以看作常數(shù)。但是，一旦漂移速度接近熱運動速度，散射就要加劇，平均自由時間隨速度增加而急劇減少，遷移率就會大幅度下降 ，這樣就出現(xiàn)了速度飽和效應(yīng)。 710 /cm s510 /cm s 耿氏效應(yīng)當N型砷化鎵中的電場增加到3500V/cm以上就會出現(xiàn)微分負阻現(xiàn)象?；仡櫱懊嫔榛壍哪軒?，導(dǎo)帶底以上0.29

8、eV處還有一個極小值，稱為導(dǎo)帶的子能谷。導(dǎo)帶底的電子靠熱激發(fā)到子能谷的幾率很小。當電場給電子的附加能量足夠大的時候就可能使導(dǎo)帶底的電子向子能谷轉(zhuǎn)移。由于砷化鎵子能谷的電子有效狀態(tài)密度比導(dǎo)帶底大，而遷移率比導(dǎo)帶底小，所以會出現(xiàn)微分負阻現(xiàn)象。 重點內(nèi)容外電場破壞熱平衡，在不太高的電場下，載流子從電場獲得的能量不足以把價帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶，載流子濃度和平衡態(tài)相同，在能帶圖上表現(xiàn)為整個能帶傾斜；費米能級傾斜就有載流子流動；如果沒有散射，晶體中的電子在恒定電場作用下會產(chǎn)生振蕩；晶體中載流子受到的散射因素有哪些；硅單晶中通常載流子受到的主要散射因素是什么；硅單晶電阻率隨溫度變化的規(guī)律；強電場效應(yīng)及其發(fā)生的原因；滿足什么條件的半導(dǎo)體材料強電場時會出現(xiàn)微分負阻現(xiàn)象；更強的電場就會產(chǎn)生擊穿，這將在后面講述。 習題 300K溫度下，電阻率最高的硅單晶是什么型號?試計算出電阻率的數(shù)值。 300K溫度下，純凈硅單晶的電子遷移率是： 1500cm 2/Vs，有電離雜質(zhì)后遷移率降低到1000cm 2/Vs，試問如果不考慮晶格散射電子的遷移率會是多少？硅單晶在什么情況下電阻率會有正溫度系數(shù)？試說明是否可以從能帶圖上粗略地看出砷化鎵的子能谷遷移率低，有效狀態(tài)密度大。