《半导体基础知识II》PPT课件.ppt

半导体对光的吸收 物质对光吸收的一般规律光波入射到物质表面上 用透射法测定光通量的衰减时 发现通过路程dx的光通量变化d 与入射的光通量 和路程dx的乘积成正比 即 式中 称为吸收系数 如图1 8所示 利用初始条件x 0时 0 解这个微分方程 可以找到通过x路程的光通量为 可见 当光在物质中传播时 透过的能量衰减到原来能量的e 1时所透过的路程的倒数等于该物质的吸收系数 即 另外 根据电动力学理论 平面电磁波在物质中传播时 其电矢量和磁矢量都按指数规律exp xc 1 衰减 乘积的实数部分应是辐射通量随传播路径x的变化关系 即 式中 称为消光系数 由此可以得出 半导体的消光系数 与入射光的波长无关 表明它对愈短波长的光吸收愈强 1 29 1 28 当不考虑反射损失时 吸收的光通量应为 半导体对光的吸收 在不考虑热激发和杂质的作用时 半导体中的电子基本上处于价带中 导带中的电子很少 当光入射到半导体表面时 原子外层价电子吸收足够的光子能量 越过禁带 进入导带 成为可以自由运动的自由电子 同时 在价带中留下一个自由空穴 产生电子 空穴对 如图1 9所示 半导体价带电子吸收光子能量跃迁入导带 产生电子空穴对的现象称为本征吸收 显然 发生本征吸收的条件是光子能量必须大于半导体的禁带宽度Eg 才能使价带EV上的电子吸收足够的能量跃入到导带底能级EC之上 即 由此 可以得到发生本征吸收的光波长波限 1 30 1 31 只有波长短于的入射辐射才能使器件产生本征吸收 改变本征半导体的导电特性 2 杂质吸收 N型半导体中未电离的杂质原子 施主原子 吸收光子能量hv 若hv大于等于施主电离能 ED 杂质原子的外层电子将从杂质能级 施主能级 跃入导带 成为自由电子 同样 P型半导体中 价带上的电子吸收了能量hv大于 EA 受主电离能 的光子后 价电子跃入受主能级 价带上留下空穴 相当于受主能级上的空穴吸收光子能量跃入价带 这两种杂质半导体吸收足够能量的光子 产生电离的过程称为杂质吸收 显然 杂质吸收的长波限 1 32 1 32 由于Eg ED或 EA 因此 杂质吸收的长波长总要长于本征吸收的长波长 杂质吸收的波长阈值多在红外区或远红外区 杂质吸收会改变半导体的导电特性 也会引起光电效应 3 激子吸收 当入射到本征半导体上的光子能量hv小于Eg 或入射到杂质半导体上的光子能量hv小于杂质电离能 ED或 EA 时 电子不产生能带间的跃迁成为自由载流子 仍受原来束缚电荷的约束而处于受激状态 这种处于受激状态的电子称为激子 吸收光子能量产生激子的现象称为激子吸收 显然 激子吸收不会改变半导体的导电特性 4 自由载流子吸收 对于一般半导体材料 当入射光子的频率不够高时 不足以引起电子产生能带间的跃迁或形成激子时 仍然存在着吸收 而且其强度随波长增大而增强 表现为红外吸收 这是由自由载流子在同一能带内的能级间的跃迁所引起的 称为自由载流子吸收 自由载流子吸收不会改变半导体的导电特性 5 晶格吸收 晶格原子对远红外谱区的光子能量的吸收直接转变为晶格振动动能的增加 在宏观上表现为物体温度升高 引起物质的热敏效应 以上五种吸收中 只有本征吸收和杂质吸收能够直接产生非平衡载流子 引起光电效应 其他吸收都程度不同地把辐射能转换为热能 使器件温度升高 使热激发载流子运动的速度加快 而不会改变半导体的导电特性 半导体对光的吸收主要是本征吸收 对于硅材料 本征吸收的吸收系数比非本征吸收的吸收系数要大几十倍到几万倍 一般照明下只考虑本征吸收 可认为硅对波长大于1 15 m的可见光透明 室温下 杂质已全部电离 载流子的产生与复合过剩载流子 半导体的平衡态条件并不总能成立 如果某些外界因素作用于平衡态半导体上 比如 用光子能量h Eg的光照射n型半导体 这时平衡态条件被破坏 样品就处于偏离平衡态的状态 称作非平衡态 1 非平衡态 14 载流子的产生价带中的电子跃迁到导带后会产生一个准自由电子和一个空穴 这个过程称为载流子的产生过程 电子需要获取足够大的能量 由热激发 光照射或其它外界因素 产生率G cm 3s 1 G与温度 光照等因素有关许多热敏 光敏器件的就是基于此工作原理 载流子数目增加 15 载流子的复合每一个被激发到导带的电子经过一段时间后都会重新回到价带的空量子态上 并因此导致一对准自由电子和空穴的消失 这个过程称为载流子的复合过程 复合将以热 辐射光子 LDLED 等方式释放能量复合率R cm 3s 1 R 电子浓度 空穴浓度复合需要1个空穴 1个准自由电子大多数发光器件发光的基于此原理 载流子数目减少 非平衡载流子的产生 1 光注入 用波长比较短的光 照射到半导体 光照 n p no po 光照产生非平衡载流子 2 电注入 通过半导体界面把载流子注入半导体 使热平衡受到破坏 光照前半导体中电子和空穴浓度分别是n0和p0 并且n0 p0 光照后的非平衡态半导体中电子浓度n n0 n 空穴浓度p p0 p 并且 n p 比平衡态多出来的这部分载流子 n和 p就称为非平衡载流子 n型半导体中称 n为非平衡多子 p为非平衡少子 载流子的产生与复合过剩载流子 2 非平衡载流子的产生 一般来说 n型半导体中 n n0 p n0 p型半导体中 n p0 p p0 载流子的产生与复合过剩载流子 小注入 过剩载流子浓度远小于平衡态时的多子浓度 大注入 过剩载流子浓度接近或大于平衡时多子的浓度 例 1 cm的n型硅中 n0 5 5 1015cm 3 p0 3 1 104cm 3 注入非子 n p 1010cm 3则 n p0 非平衡少子浓度 平衡少子浓度 即使小注入 实际上 非平衡少子起重要作用 热平衡状态下 导带中的电子可能会落入价带中 从而带来过剩电子 空穴的复合过程 也可以说半导体由非平衡态恢复到平衡态的过程 也就是非平衡载流子逐步消失的过程 称为非平衡载流子的复合 载流子的产生与复合过剩载流子 3 非平衡载流子的复合 4 过剩少子的寿命 光照停止后非平衡载流子生存一定时间然后消失 所以过剩少子浓度是一个与时间有关的量 把撤除光照后非平衡载流子的平均生存时间 称为非平衡载流子的寿命 由于非平衡少子的影响占主导作用 故非平衡载流子寿命称为少子寿命 为描述非平衡载流子的复合消失速度 定义单位时间单位体积内净复合消失的电子 空穴对数为非平衡载流子的复合率 非平衡载流子的寿命 非子的平均寿命 假设t 0时 停止光照 t t时 非子浓度为 p t t t t时 非子浓度为 p t t 在 t时间间隔中 非子的减少量 p t p t t 单位时间 单位体积中非子的减少为 当 t 0时 t时刻单位时间单位体积被复合掉的非子数 为 N型半导体 非平衡载流子的寿命 考虑小注入条件下 若n型半导体在t 0时刻非平衡载流子浓度为 p 0 并在此时突然停止光照 过剩少子浓度如何变化 p t 将因为复合而随时间变化 也就是非平衡载流子浓度随时间的变化率 d p t dt等于非平衡载流子的复合率 p 即 上式的解为 表明光照停止后非平衡载流子浓度随时间按指数规律衰减 非平衡载流子的寿命 说明 寿命 的另一个含义是非平衡载流子衰减至起始值的1 e倍所经历的时间 的大小反映了外界激励因素撤除后非平衡载流子衰减速度的不同 寿命越短衰退越快 不同材料或同一种材料在不同条件下 其寿命 可以在很大范围内变化 25 半导体中依靠什么物理机制传导电流 电子和空穴在电场中的运动规律 当电子或空穴存在浓度差时的运动规律 载流子的输运 输运 在半导体中 电子和空穴的流动 定向 将产生电流 把载流子的这种运动过程称为输运 输运机制有两种 漂移运动和扩散运动 载流子的扩散运动 扩散是因为无规则热运动而引起的粒子从浓度高处向浓度低处的有规则的输运 扩散运动起源于粒子浓度分布的不均匀 均匀掺杂的n型半导体中 因为不存在浓度梯度 也就不产生扩散运动 其载流子分布也是均匀的 如果以适当波长的光照射该样品的一侧 同时假定在照射面的薄层内光被全部吸收 那么在表面薄层内就产生了非平衡载流子 而内部没有光注入 这样由于表面和体内存在了浓度梯度 从而引起非平衡载流子由表面向内部扩散 27 扩散运动只要微观粒子在各处的浓度不均匀 由于无规则热运动 就可以引起粒子由浓度高的地方向浓度低的地方扩散 扩散运动完全是由粒子浓度不均匀 存在浓度梯度 所引起 它是粒子的有规则运动 但它与粒子的无规则运动密切相关 扩散运动与扩散系数 载流子分布存在浓度梯度 从浓度高的区域扩散到浓度低的区域 28 扩散电流载流子的扩散运动形成电流 扩散电流不是在电场的作用下产生的 而是在浓度分布不均匀时 通过载流子的热运动实现的 当载流子浓度分布不均匀时 即使没有外加电场也可以形成电流 扩散运动与扩散系数 29 扩散流密度 S 单位时间通过单位面积的载流子数 cm 2 s 扩散流密度的大小正比于载流子的浓度梯度 扩散运动与扩散系数 电子的扩散流密度空穴的扩散流密度 负号表示扩散流的方向与浓度梯度方向 浓度梯度是从低到高为正 相反 扩散系数D cm2 s 描述载流子扩散能力强弱的常数 与材料种类 掺杂浓度和温度有关 注意 同一块半导体中 电子和空穴的扩散系数也不相等 30 扩散电流密度 A cm 2 扩散流密度乘上载流子所带的电荷量 扩散运动与扩散系数 电子的扩散电流密度空穴的扩散电流密度 虽然都是由浓度高的区域向浓度低的区域扩散 但是它们所带的电荷不同 所以电子的扩散电流密度方向与浓度梯度方向相同 而空穴的扩散电流密度方向与浓度梯度方向相反 31 补充知识电流密度矢量电导率 当通过任一截面的电量不均匀时 用电流强度来描述就不够用了 有必要引入一个描述空间不同点电流的大小 定义 电流密度矢量的方向为空间某点处正电荷的运动方向 它的大小等于单位时间内该点附近垂直与电荷运动方向的单位截面上所通过的电量 电流密度矢量 由计算流经任一面元的电流强度 所以 通过导体任一截面S的电流强度为 与微观量的关系 设n为单位体积内电子密度 导体在外电场中 电子在杂乱无章的热运动上叠加一个沿场强反方向上的定向漂移 设漂移速度为 在时间内穿过面的电子数 即电量为 欧姆定律的微分形式及金属导电的经典微观解释 载流子的漂移运动和迁移率 漂移运动和漂移速度 有外加电压时 导体内部的自由电子受到电场力的作用 沿着电场的反方向作定向运动形成电流 电子在电场力作用下的定向运动称为漂移运动 定向运动的速度称为漂移速度 电子和空穴是带电荷的 做漂移运动时会形成电