2016 固体与半导体物理 第五章 半导体的导电性.pdf

第五章半导体的导电性 冯·克利青（Klaus von 崔琦发现分数量子霍 Klitzing, 1943- ）发现 尔效应于1998年获诺 薛其坤 2013年发现 整数量子霍耳效应， 反常量子霍尔效应 贝尔物理奖 于1985年获诺贝尔物理 学奖 第五章半导体的导电性 本章主要讨论载流子在外加电场作用下的漂移运 动，引入了载流子迁移率的概念；为了深入理解迁移 率的本质，定性地讨论了载流子散射的物理本质，给 出必要的结论；剖析了半导体的迁移率、电阻率随杂 质浓度和温度的变化规律；介绍了霍尔效应。 第五章 半导体的导电性 •半导体的导电原理 •载流子的漂移运动,迁移率及散射机构 •电阻率与杂质浓度和温度的关系 •霍尔效应 半导体导电的微观机理 • 半导体能否导电，必须考虑电子填充能 带的情况，只有不满的能带中的电子才可以 导电，满带情况下，电子不能导电。 • 在半导体中，有两种导电机构： 导带中少量电子 价带中少量空穴 • 本征半导体 在0K时，没有导电能力； 在常温下，本征激发产生的导带电子、 价带空穴数量较少，导电能力较差。 • 杂质半导体 在常温下，杂质产生电离。施主杂质电 离产生电子，使导带部分填充；受主杂质 电离产生空穴，使价带部分填充。 杂质半导体的导电能力与掺杂浓度和杂 质的电离程度相关。 半导体导电的宏观电流—— 欧姆定律的微分形式 导电材料中，欧姆定律 V l I R ρ R s 交代了电流强度与外加电压和材料电阻之间的关系。 为了处理半导体内部遇到电流分布不均匀的情况， 推导出欧姆定律的微分形式（电流密度的表达式） J σε 式中 σ=1/ρ为半导体电导率。 载流子在电场力作用下的运动称为漂移运动，其 定向运动的速度称为漂移速度。带电粒子的定向运动 形成电流，所以对电子而言，电流密度应为 J n(−q)vd nq vd − vd 是电子的平均漂移速度（反映电子漂移运动的能力） 载流子散射 •载流子散射的概念 理想的完整晶体里的电子处在严格的周 期性势场中,如果没有其他因素的作用,其运 动状态保持不变(用波矢k标志)。但实际晶 体中存在的各种杂质和晶格原子振动会在理 想的周期性势场上附加一个势场,它可以改 变载流子的状态，这种附加势场引起的载流 子状态的改变就是载流子散射。 载流子无规则的热运动也正是由于它们不断地 遭到散射的结果。当有电场作用时，载流子一方面 受电场力的作用定向运动，一方面不断地遭到散射 使载流子的运动速度不断改变大小和方向，使漂移 速度不能无限增加。 半导体的主要散射机构 1.电离杂质散射 半导体中的电离杂质形成正、负电中心，对载流子 有吸引或排斥作用，形成库仑势场，从而引起载流子 散射。图为电离施主对电子和空穴的散射. θ 载流子的轨道是双 曲线，电离杂质在 双曲线的一个焦点 上。 电离杂质对载流子