多能谷散射和负微分电导效应的详细介绍

对于绝大多数的半导体材料，当其两端施加一定的偏置电压时，电子或空穴会在外加电场的作用下进行漂移运动，且漂移速度随着电场的增加而增大，直到达到饱和漂移速度；然而，对于某一类半导体材料而言，例如n-GaAs，当半导体内部的电场处于某一范围时，n-GaAs材料会呈现出负微分电导区，电子的平均漂移速度逐渐减小，迁移率则为负值。为什么会出现这种现象？由什么引起？带着这些疑问，小赛将为大家慢慢解读。

GaAs材料的能带结构，可以看出GaAs材料的导带存在两个能谷，分别为能谷1和能谷2 ［1］。导带最低能谷1和价带顶极值都位于布里渊区中心，在 ［111］ 方向的布里渊区边界L处还有一个高出约0.29 eV的能谷2，且能谷2的曲率比能谷1小，所以能谷2中电子的有效质量大于能谷1中电子的有效质量；这导致两个能谷中的电子迁移率有所不同，即能谷2中的电子迁移率比能谷1中的电子迁移率更小。

一般情况下，即温度不高，电场较弱时，导带中大部分电子位于能谷1中；而图1（b）表明，当半导体内电场达到3×103 V/cm时，电子的平均漂移速度开始减小，此时微分电导为负值；这是由于电场达到某一值后，能谷1中电子可以从电场中获得足够的能量，使其能被激发到具有更高的能级能谷2中。由于能谷中迁移率的差异性，能谷2中电子的平均漂移速度减小，从而造成负微分电导现象，从而发生能谷间的散射［1］。

除了n-GaAs，n型的磷化铟，碲化镉，砷化铟以及n型锗等半导体材料在一定条件下都能产生多能谷散射与负微分电导现象。

另外，对于近几年受到广泛关注的宽禁带半导体材料GaN来说，虽然导带底能谷与其它能谷能级间的能量差值较大，但是同样存在多能谷散射与负微分电导现象。

当GaN体内电场达到15 MV/m临界值时，电子的漂移速度开始出现下降现象，此时的微分电导为负值［2］。同样，由图2（b）也可以观察到，当半导体两端外加偏压为50 V的时候，由于多能谷散射造成的负微分电导效应，导致出现电流下降的现象［3］。由此可以充分说明在研究与设计GaN基的半导体器件时，谷间散射是一个影响电导率的不容忽视的因素。

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