第1章-2半導體基礎知識

第一章光電檢測應用中的基礎知識輻射度學和光度學基本概念光電效應光電探測器的噪聲和特性下頁返回半導體基礎知識基本定律本征半導體熱平衡下載流子濃度第3節(jié)半導體基礎知識非平衡下載流子濃度載流子的擴散與漂移N型半導體摻雜半導體P型半導體載流子能帶結構能帶的形成能帶理論晶體1.2半導體的基礎知識1.電子的共有化運動2.能帶的形成能級3s2p1.2.1固體的能帶結構允帶禁帶允帶允帶禁帶3.能帶的結構價帶導帶禁帶物質的導電性：價帶導帶禁帶價帶中的空穴導帶中的電子價帶導帶內(nèi)層能帶禁帶禁帶內(nèi)層能帶禁帶滿帶：被電子填滿的能帶;空帶：沒有電子占據(jù)的能帶;允帶：允許電子占據(jù)的能帶;禁帶：不允許電子占據(jù)--;價帶導帶禁帶低溫下低溫下:硅晶體中的價帶中所有的能級都被電子占據(jù)，即被填滿，價帶以下的能帶被內(nèi)層電子填滿，而導帶的能級是空的，所以不導電。價帶導帶禁帶本征激發(fā)常溫下被激發(fā)到共價鍵之外不導電弱導電性1）本征半導體4.N型半導體和P型半導體摻雜半導體（非本征半導體）半導體中人為地摻入少量雜質形成摻雜半導體。摻雜半導體分為施主能級和受主能級施主能級：釋放電子，能級靠近導帶低部，電子濃度高。受主能級：接受電子，能級靠近價帶頂部，空穴濃度高。據(jù)此又分為N型半導體和P型半導體雜質成分與含量對半導體導電性能影響很大。在技術上通常用控制雜質含量（即摻雜）來控制半導體導電特性。為什么要摻雜?2）摻5族元素時------N型半導體處于共價鍵之外低溫下價帶導帶禁帶雜質能級EdEc價帶導帶禁帶施主能級本征激發(fā)+雜質激發(fā)價帶導帶禁帶雜質能級低溫下常溫下被激發(fā)至導帶N型半導體①N型半導體由施主控制材料導電性;②N型半導體中主要載流子是電子,也有少量的空穴;電子:多數(shù)載流子(多子)空穴:少數(shù)載流子(少子)3）摻3族元素時-----P型半導體低溫下B價帶導帶雜質能級價帶導帶雜質能級常溫下B低溫下受主能級價帶導帶雜質激發(fā)+本征激發(fā)P型半導體①P型半導體由受主控制材料導電性;②

主要載流子是空穴,也有少量的電子載流子;空穴:多數(shù)載流子(多子)電子:少數(shù)載流子(少子)1.2.2熱平衡下的載流子濃度本征半導體中的載流子價帶導帶禁帶本征激發(fā)開始時：激發(fā)>復合復合一段時間后：激發(fā)=復合（載流子濃度增大）（載流子濃度穩(wěn)定）熱平衡狀態(tài)設由低溫到高溫的過程:熱平衡時半導體中自由載流子濃度與兩個參數(shù)有關：2、這些能態(tài)中每一個能態(tài)可能被電子占據(jù)的概率,在某溫度下熱平衡態(tài)，能量為E的能態(tài)被電子占據(jù)的概率由費米-狄拉克函數(shù)給出，即：1、在能帶中能態(tài)（或能級）的分布。根據(jù)量子理論和泡利不相容原理，能態(tài)分布服從費米統(tǒng)計分布規(guī)律。f(E)：費米分布函數(shù)，能量E的概率分布函數(shù)，k：波耳茲曼常數(shù)，1.38×10-23J/K,T：絕對溫度，EF：費米能級。1.2.3半導體中的非平衡載流子非平衡載流子---通過注入或光激發(fā)方式使載流了濃度超出熱平衡時的濃度，這些超出的載流子通常稱為非平衡載流子，或過剩載流子。1.半導體材料的光吸收效應1）本征吸收價帶導帶常溫光照時價帶導帶常溫無光照時Eg要發(fā)生光電導效應，必須滿足：單位是μm2）雜質吸收N型半導體：價帶導帶低溫無光照時Ed價帶導帶低溫有光照時價帶導帶低溫無光照時Ea工作時溫度要低---防止熱激發(fā)價帶導帶低溫有光照時P型半導體：2.非平衡載流子濃度光照射半導體時：載流子的濃度增加停止光照射后：由于復合，載流子的濃度不斷的減少，直到熱平衡。復合方式有直接復合---導帶中的電子直接回到價帶填充空位間接復合---通過“缺陷、錯位、雜質”等形成的復合中心復合價帶導帶價帶導帶電注入：通過體界面把載流子注入半導體，使熱平衡受到破壞。光注入：價帶中的電子吸收了光子能量從價帶躍遷到導帶，同時在價帶中留下等量的空穴。1.2.4載流子的擴散和漂移1.擴散------在某種作用下（如光照），使材料中的局部位置的光生載流子濃度高于其它地方