載流子的散射

載流子的散射，半導體的主要散射機構。

在一定温度下，半導體內部的大量載流子，即使沒有電場作用，它們也不是靜止不動的，而是永不停息地作着無規則的、雜亂無章的運動，稱為熱運動。同時晶格上的原子也在不停地圍繞格點作熱振動。半導體還摻有一定的雜質，它們一般是電離了的，也帶有電荷。載流子在半導體中運動時，便會不斷地與熱振動着的晶格原子或電離了的雜質離子發生作用，或者説發生碰撞，碰撞後載流子速度的大小及方向就發生改變，用波的概念，就是説電子波在半導體中傳播時遭到了散射。所以，載流子在運動中，由於晶格熱振動或電離雜質以及其他因素的影響，不斷地遭到散射，載流子速度的大小及方向不斷地在改變着。載流子無規則的熱運動也正是由於它們不斷地遭到散射的結果。 ^[1] 

半導體中載流子在運動過程中遭到散射的根本原因是週期性勢場的被破壞。 ^[1] 

①電離雜質的散射：給體雜質在電離後是一個帶正電的離子，而受體雜質電離後則是負離子。在正離子有或負離子周圍形成一個庫侖勢場，載流子將受到這個庫侖場的作用，即散射。②晶格振動的散射：光學波和聲學波散射。隨着温度的增加，晶格振動的散射越來顯著，而雜質電離的散射變得不顯著了。③其他因素引起的散射：等同的能谷間散射、中性雜質散射、位錯散射、合金散射。另外，載流子之間也有散射作用，但這種散射只在強簡併時才顯著。

施主雜質電離後是一個帶正電的離子，受主雜質電離後是一個帶負電的離子。在電離施主或電離受主周圍形成一個庫侖勢場，這一庫侖勢場局部地破壞雜質附近的週期性勢場，而載流子運動到電離雜質附近時，使其運動速度和方向均發生變化，即為電離雜質散射。 ^[2] 

在一定温度下，晶體中原子都各自在其平衡位置附近做微振動，載流子在半導體中運動時，會不斷地與這些熱振動着的晶格原子發生碰撞，這種由於晶格熱振動的碰撞使載流子速度的大小和方向不斷地改變，即為晶格振動散射。晶格振動散射包括光學波和聲學波散射，分別對應長縱光學波和長縱聲學波會造成原子分佈的疏密變化，產生體變，即疏處體積膨脹、密處壓縮，產生一附加勢場破壞了原來勢場的嚴格週期性，產生散射。 ^[2] 

硅的導帶具有極值能量相同的6個旋轉橢球等能面（鍺有4個），載流子在這些能谷中分佈相同，這些能谷稱為等同的能谷；電子在這種多能谷半導體中從一個極值附近散射到另個極值附近的散射，即為等同的能谷間散射。 ^[2] 

低温下雜質沒有充分電離，沒有電離的雜質呈中性，這種中性雜質也對週期性勢場有一定的微擾作用而引起散射。但它只有在雜質濃度很高的重摻雜半導體中，當温度很低時，晶格振動散射和電離雜質散射都很微弱的情況下，才起主要的散射作用。 ^[1] 

在n型（p型）材料中位錯線俘獲電子成為一串負電（正電）中心，其周圍形成了一個圓柱形正（負）空間電荷區，其內部存在的電場就是引起載流子散射的附加勢場。位錯散射具有各向異性，電子垂直於空間電荷圓柱體運動時將受到散射。 ^[2] 

在電場作用下，電子從電場中獲取能量，可在能谷間轉移，即能谷間散射，電子的準動量有較大的改變，伴隨散射發射或吸收光學聲子。同時，電子的有效質量、遷移率、平均漂移速度、電導率都將發生變化。 ^[2] 

兩種不同原子在晶格位置上的隨機排列，對週期性勢場產生一定的微擾作用，因而引起對載流子的散射作用，稱為合金散射。一般地，對於任一種多元化和物半導體混合晶體，當其中兩種同族原子在其晶格中相應的位置上隨機排列時，都會產生對載流子的合金散射作用。合金散射式混合晶體中所特有的散射機制。但在原子有序排列的混合晶體中，幾乎不存在合金散射效應。 ^[1] 

這種散射只在強簡併時才顯著。 ^[1]