半导体物理与器件省公开课一等奖全国示范课微课金奖PPT课件.pptxVIP

电导率和电阻率

电流密度：

对于一段长为l，截面面积为s，电阻率为ρ均匀导体，若施加以电压V，则导体内建立均匀电场E，电场强度大小为：

对于这一均匀导体，有电流密度：;半导体电阻率和电导率;问题：本征半导体导电性（常温下）是否一定比掺杂半导体更差？;右图所表示为N型和P型硅单晶材料在室温(300K)条件下电阻率随掺杂浓度改变关系曲线。;右图所表示为N型和P型锗、砷化镓以及磷化镓单晶材料在室温(300K)条件下电阻率随掺杂浓度改变关系曲线。;电阻率（电导率）同时受载流子浓度（杂质浓度）和迁移率影响，因而电阻率和杂质浓度不是线性关系。

对于非本征半导体来说，材料电阻率（电导率）主要和多数载流子浓度以及迁移率相关。

杂质浓度增高时，曲线严重偏离直线，主要原因：

杂质在室温下不能完全电离

迁移率随杂质浓度增加而显著下降

因为电子和空穴迁移率不一样，因而在一定温度下，不一定本征半导体电导率最小。;右图所表示为一块N型半导体材料中，当施主杂质掺杂浓度ND为1E15cm-3时，半导体材料中电子浓度及其电导率随温度改变关系曲线。;从图中可见，在非本征激发为主中等温度区间内（即大约200K至450K之间），此时杂质完全离化，即电子浓度基本保持不变，不过因为在此温度区间内载流子迁移率伴随温度升高而下降，所以在此温度区间内半导体材料电导率也伴随温度升高而出现了一段下降情形。

当温度深入升高，则进入本征激发区，此时本征载流子浓度伴随温度上升而快速增加，所以电导率也伴随温度上升而快速增加。

而当温度比较低时，则因为杂质原子冻结效应，载流子浓度和半导体材料电导率都伴随温度下降而不停减小。;电阻率和温度改变关系：;载流子漂移速度饱和效应

前边关于迁移率讨论一直建立在一个基础之上：弱场条件。即电场造成漂移速度和热运动速度相比较小，从而不显著改变载流子平均自由时间。但在强场下，载流子从电场取得能量较多，从而其速度（动量）有较大改变，这时，会造成平均自由时间减小，散射增强，最终造成迁移率下降，速度饱和。对于热运动电子：;在弱场条件下，??流子平均自由运动时间基本上由载流子热运动速度决定，不随电场改变而发生改变，所以弱场下载流子迁移率能够看成是一个常数。

当外加电场增强为7.5kV/cm之后，对应载流子定向漂移运动速度将到达107cm/s，这与载流子平均热运动速度持平。此时，载流子平均自由运动时间将由热运动速度和定向漂移运动速度共同决定，所以载流子平均自由运动时间将伴随外加电场增强而不停下降，由此造成载流子迁移率伴随外加电场不停增大而出现逐步下降趋势，最终使得载流子漂移运动速度出现饱和现象，即载流子漂移运动速度不再伴随外加电场增加而继续增大。;简单模型

假设载流子在两次碰撞之间自由旅程为l，自由时间为г，载流子运动速度为v：

在电场作用下：

vd为电场中漂移速度，vth为热运动速度。

;弱场：;较强电场：

强电场：;速度饱和;右图所表示为锗、硅及砷化镓单晶材料中电子和空穴漂移运动速度伴随外加电场强度改变关系。

; 从上述载流子漂移速度随外加电场改变关系曲线中能够看出，在弱场条件下，漂移速度与外加电场成线性改变关系，曲线斜率就是载流子迁移率；而在高电场条件下，漂移速度与电场之间改变关系将逐步偏离低电场条件下线性改变关系。以硅单晶材料中电子为例，当外加电场增加到30kV/cm时，其漂移速度将到达饱和值，即到达107cm/s；当载流子漂移速度出现饱和时，漂移电流密度也将出现饱和特征，即漂移电流密度不再伴随外加电场深入升高而增大。

对于砷化镓晶体材料来说，其载流子漂移速度随外加电场改变关系要比硅和锗单晶材料中情况复杂得多，这主要是由砷化镓材料特殊能带结构所决定。;负微分迁移率

从砷化镓晶体材料中电子漂移速度随外加电场改变关系曲线能够看出，在低电场条件下，漂移速度与外加电场成线性改变关系，曲线斜率就是低电场下电子迁移率，为8500cm2/V?s，这个数值要比硅单晶材料高出很多；伴随外加电场不停增强，电子漂移速度逐步到达一个峰值点，然后又开始下降，此时就会出现一段负微分迁移率区间，此效应又将造成负微分电阻特征出现。此特征可用于振荡器电路设计。

负微分迁移率效应出现能够从砷化镓单晶材料E-k关系曲线来解释：低电场下，砷化镓单晶材料导带中电子能量比较低，主要集中在E-k关系图中态密度有效质量比较小下能谷，mn*=0.067m0，所以含有比较大迁移率。;当电场比较强时，导带中电子将被电场加速并取得能量，使得部分下能谷中电子被散射到E-k关系图中态密度有效质量比较大上能谷，mn*=0.55m0，所以这部分电子迁移率将会出现下降情形，这么就会造成导带中电子总迁移率伴随电场增强而下降，从而引发负微分迁移率和负微分电阻特征。;高场