第1章-2半导体基础知识

1、第第 一一 章章光电检测应用中的基础知识光电检测应用中的基础知识第一章 光电检测应用中的基础知识辐射度学和光度学基本概念光电效应 光电探测器的噪声和特性下 页返 回半导体基础知识基本定律第第 一一 章章光电检测应用中的基础知识光电检测应用中的基础知识本征半导体热热平平衡衡下下载载流流子子浓浓度度 第 3 节 半导体基础知识非非平平衡衡下下载载流流子子浓浓度度载载流流子子的的扩扩散散与与漂漂移移N型半导体 掺杂半导体P型半导体载流子能带结构能带的形成能带的形成 能带理论晶体晶体第第 一一 章章光电检测应用中的基础知识光电检测应用中的基础知识1.2 半导体的基础知识半导体的基础知识1.电子的共有化

2、运动电子的共有化运动2.能带的形成能带的形成能级能级3s2p1.2.1 固体的能带结构固体的能带结构允带允带禁带禁带允带允带允带允带禁带禁带第第 一一 章章光电检测应用中的基础知识光电检测应用中的基础知识3.能带的结构能带的结构价价带带导导带带禁带禁带物质的导电性：物质的导电性：价价带带导导带带禁带禁带价带中的空穴价带中的空穴导带中的电子导带中的电子价带价带导带导带内层内层能带能带禁带禁带禁带禁带内层内层能带能带禁带禁带满带：满带：被电子填满的能带被电子填满的能带; ;空带：没有空带：没有电子占据的能带电子占据的能带; ;允带：允许允带：允许电子占据的能带电子占据的能带; ;禁带：不允许禁带：

3、不允许电子占据电子占据-;-;第第 一一 章章光电检测应用中的基础知识光电检测应用中的基础知识价带价带导带导带禁带禁带低低温温下下低温下低温下:硅晶体中的价带中所有的硅晶体中的价带中所有的能级都被电子占据，即被填满，能级都被电子占据，即被填满，价带以下的能带被内层电子填满，价带以下的能带被内层电子填满，而导带的能级是空的，所以不导而导带的能级是空的，所以不导电。电。价带价带导带导带禁带禁带本征激发本征激发常常温温下下被激发到共价键之外被激发到共价键之外不不导导电电弱弱导导电电性性1）本征半导体）本征半导体4. N型半导体和型半导体和P型半导体型半导体第第 一一 章章光电检测应用中的基础知识光电

4、检测应用中的基础知识掺杂半导体（非本征半导体）半导体中人为地掺入少量杂质形成掺杂半导体。掺杂半导体分为施主能级和受主能级施主能级：释放电子，能级靠近导带低部，电子浓度高。受主能级：接受电子，能级靠近价带顶部，空穴浓度高。据此又分为N型半导体和P型半导体杂质成分与含量对半导体导电性能影响很大。在技术上通常用控制杂质含量（即掺杂）来控制半导体导电特性。为什么要掺杂?第第 一一 章章光电检测应用中的基础知识光电检测应用中的基础知识2）掺掺5族元素时族元素时-N型半导体型半导体处于共价键之外处于共价键之外低低温温下下价带价带导带导带禁带禁带杂质能级杂质能级EdEc第第 一一 章章光电检测应用中的基础知

5、识光电检测应用中的基础知识价带价带导带导带禁带禁带施主施主能级能级本征激发本征激发+杂质激发杂质激发价带价带导带导带禁带禁带杂质能级杂质能级低低温温下下常常温温下下被激发至导带被激发至导带第第 一一 章章光电检测应用中的基础知识光电检测应用中的基础知识N型半导体N型半导体由施主控制材料导电性; N型半导体中主要载流子是电子,也有少量的空穴;电子:多数载流子(多子)空穴:少数载流子(少子)第第 一一 章章光电检测应用中的基础知识光电检测应用中的基础知识3）掺）掺3族元素时族元素时-P型半导体型半导体低低温温下下B价带价带导带导带杂质能级杂质能级第第 一一 章章光电检测应用中的基础知识光电检测应用

6、中的基础知识价带价带导带导带杂质能级杂质能级常常温温下下B低低温温下下受主受主能级能级价带价带导带导带杂质激发杂质激发+本征激发本征激发第第 一一 章章光电检测应用中的基础知识光电检测应用中的基础知识P型半导体型半导体P型半导体由受主控制材料导电性; 主要载流子是空穴,也有少量的电子载流子;空穴:多数载流子(多子)电子:少数载流子(少子)第第 一一 章章光电检测应用中的基础知识光电检测应用中的基础知识1.2.2热平衡下的载流子浓度热平衡下的载流子浓度本征半导体中的载流子本征半导体中的载流子价带价带导带导带禁带禁带本征激发本征激发开始时：激发开始时：激发复合复合复复合合一段时间后：激发一段时间后

7、：激发=复合复合（载流子浓度增大）（载流子浓度增大）（载流子浓度稳定）（载流子浓度稳定）热平衡状态热平衡状态设由低温到高温的过程设由低温到高温的过程:第第 一一 章章光电检测应用中的基础知识光电检测应用中的基础知识热平衡时半导体中自由载流子浓度与两个参数有关：2、这些能态中每一个能态可能被电子占据的概率,在某温度下热平衡态，能量为E的能态被电子占据的概率由费米-狄拉克函 数给出，即 ：1、在能带中能态（或能级）的分布。根据量子理论和泡利不相容原理，能态分布服从费米统计分布规律。f(E)：费米分布函数，能量E的概率分布函数， k：波耳兹曼常数，1.3810-23J/K, T：绝对温度， EF：费

8、米能级。KT/)EE(Fe)E(f11第第 一一 章章光电检测应用中的基础知识光电检测应用中的基础知识1.2.3 半导体中的非平衡载流子半导体中的非平衡载流子非平衡载流子非平衡载流子-通过注入或光激发方式使载流了浓度超出热平衡时的浓度，这些超出的载流子通常称为非平衡载流子非平衡载流子，或过过剩载流子剩载流子。1.半导体材料的光吸收效应半导体材料的光吸收效应1）本征吸收）本征吸收价带价带导带导带常温光照时常温光照时价带价带导带导带常温无光照时常温无光照时EggEh 要发生光电导效应，必须要发生光电导效应，必须满足：满足：g0Ehcg0E24. 1单位是单位是m第第 一一 章章光电检测应用中的基础

9、知识光电检测应用中的基础知识2）杂质吸收）杂质吸收N型半导体：型半导体：价带价带导带导带低温无光照时低温无光照时Ed价带价带导带导带低温有光照时低温有光照时价带价带导带导带低温无光照时低温无光照时Ea工作时温度要低工作时温度要低-防止热激发防止热激发价带价带导带导带低温有光照时低温有光照时P型半导体：型半导体：第第 一一 章章光电检测应用中的基础知识光电检测应用中的基础知识2. 非平衡载流子浓度非平衡载流子浓度光照射半导体时：光照射半导体时： 载流子的浓度增加载流子的浓度增加停止光照射后：停止光照射后：由于复合，载流子的浓度不断的减少，由于复合，载流子的浓度不断的减少，直到热平衡。直到热平衡。

10、复合方式有复合方式有直接复合直接复合-导带中的电子直接回到价导带中的电子直接回到价带填充空位带填充空位间接复合间接复合-通过通过“缺陷、错位、缺陷、错位、杂质杂质”等形成的复合中心复合等形成的复合中心复合价带价带导带导带价带价带导带导带电注入电注入：通过体界面把载流子注入半导体，使热平衡受到破坏。 光注入光注入：价带中的电子吸收了光子能量从价带跃迁到导带，同时在价带中留下等量的空穴。第第 一一 章章光电检测应用中的基础知识光电检测应用中的基础知识1.2.4 载流子的扩散和漂移载流子的扩散和漂移1.扩散扩散-在某种作用下（如光照），使材料中的局部位置的光生载在某种作用下（如光照），使材料中的局部位置的光生载流子浓度高于其它地方的载流了浓度，这时载流子就从浓度高流子浓度高于其它地方的载流了浓度，这时载流子就从浓度高的地方向浓度低的地方运动，这种现象称为扩散的地方向浓度低的地方运动，这种现象称为扩散dxdnqDJnnD扩散形成电流的大小：扩散形成电流的大小：dxdpqDJppD2.飘移飘移-在电场做用