改31半導(dǎo)體基礎(chǔ)

第一節(jié)半導(dǎo)體基礎(chǔ)半導(dǎo)體特性能帶結(jié)構(gòu)i，n和p型半導(dǎo)體熱平衡下的載流子的濃度半導(dǎo)體中的非平衡載流子載流子的擴(kuò)散與漂移半導(dǎo)體特性電阻溫度系數(shù)是負(fù)的，對溫度變化敏感溫度升高，電阻下降優(yōu)點：測溫缺點：精度受環(huán)境影響，實現(xiàn)高精度需恒溫導(dǎo)電性能受微量雜質(zhì)的影響而發(fā)生十分敏感的變化室溫下純硅電導(dǎo)率5*10-6/Ω/cm室溫下純度為99.9999%硅電導(dǎo)率2/Ω/cm導(dǎo)電能力和性質(zhì)受光電磁等外界作用發(fā)生重要的變化第一節(jié)半導(dǎo)體基礎(chǔ)半導(dǎo)體特性能帶結(jié)構(gòu)i，n和p型半導(dǎo)體熱平衡下的載流子的濃度半導(dǎo)體中的非平衡載流子載流子的擴(kuò)散與漂移2n-1KLM1232n2電子層spdsps112123電子亞層能帶結(jié)構(gòu)孤立原子中的電子狀態(tài)

電子按照一定的殼層排列電子在殼層上的分布遵守泡利不相容原理和能量最低原則電子具有確定的分立能量值晶體中的電子狀態(tài)

多原子的各殼層之間有不同程度的交疊。最外面的電子殼層交疊最多，內(nèi)層交疊較小電子的共有化運(yùn)動電子只能在相鄰原子相似殼層中運(yùn)用外層電子的共有化運(yùn)動顯著，內(nèi)層弱晶體中的能帶電子在晶體中不僅受本身原子勢場影響，還受周圍原子勢場作用，該作用使本來處于同一能量狀態(tài)的、不同位置的電子發(fā)生了能量微小的差異晶體中若有N個原子，每個相同能級都分裂為N個新的能級，成為能帶。允帶-----電子可占據(jù)的能帶。禁帶-----電子占據(jù)不了的間隙叫禁帶。滿帶---被電子占滿的允帶稱滿帶價帶---晶體最外層電子能級分裂所成的能帶。導(dǎo)帶---比價帶能量更高的允帶稱導(dǎo)帶。晶體中電子的能量狀態(tài)，也遵守泡利不相容原理和能量最低原則自由電子---從價帶躍遷到導(dǎo)帶的電子自由空穴---電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶后，價帶中出現(xiàn)電子的空缺本征激發(fā)---電子直接由價帶躍遷到導(dǎo)帶，特點是產(chǎn)生的電子數(shù)等于空穴數(shù)；載流子---自由電子和自由空穴。絕緣體、半導(dǎo)體、金屬的能帶圖

SiO2

Eg=5.2evSiEg=1.1evEg=0電阻率1012Ω·cm10-3—1012Ω·cm10-6—10-3Ω·cm半導(dǎo)體具有獨(dú)特光電特性－－重要應(yīng)用價值導(dǎo)電機(jī)理---電場作用下，導(dǎo)帶電子，價帶空穴作定向運(yùn)動第一節(jié)半導(dǎo)體基礎(chǔ)半導(dǎo)體特性能帶結(jié)構(gòu)i，n和p型半導(dǎo)體熱平衡下的載流子的濃度半導(dǎo)體中的非平衡載流子載流子的擴(kuò)散與漂移i，n和p型半導(dǎo)體i型半導(dǎo)體：（本征或純凈半導(dǎo)體）四族C、Si、Ge、Sn、PbT=0K，材料不導(dǎo)電T=常溫，半導(dǎo)體有導(dǎo)電性（熱激發(fā)）禁帶寬度大決定其導(dǎo)電能力弱科7n型半導(dǎo)體如果在四族原子鍺或硅組成的晶體中摻入五族原子砷或磷，就形成了n型半導(dǎo)體施主原子---As，施主能級---Ed施主電離：施主能級上電子躍遷到導(dǎo)帶叫施主電離，特點是只產(chǎn)生電子施主電離能---施主能級和導(dǎo)帶底間的能量差N型半導(dǎo)體中，自由電子濃度將高于自由空穴濃度。自由電子是多子，空穴是少子p型半導(dǎo)體如果在四族原子鍺或硅組成的晶體中摻入三族原子硼，就形成了p型半導(dǎo)體受主原子---B，受主能級---Ea受主電離：受主能級上空穴躍遷到價帶叫受主電離，特點是只產(chǎn)生空穴受主電離能---導(dǎo)帶底和受主能級間的能量差P型半導(dǎo)體中，自由空穴濃度將高于自由電子濃度。自由空穴是多子，電子是少子第一節(jié)半導(dǎo)體基礎(chǔ)半導(dǎo)體特性能帶結(jié)構(gòu)i，n和p型半導(dǎo)體熱平衡下的載流子的濃度半導(dǎo)體中的非平衡載流子載流子的擴(kuò)散與漂移熱平衡下的載流子的濃度載流子濃度：單位體積的載流子數(shù)。為什么要研究載流子濃度？半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)與材料的載流子濃度有關(guān)熱平衡載流子最終形成暗電流和噪聲熱激發(fā)：一定溫度下，非外界作用，從不斷熱振動的晶體中電子獲得一定的能量，從價帶躍遷到導(dǎo)帶，形成自由電子。復(fù)合：電子釋放能量由導(dǎo)帶回落到價帶。熱平衡狀態(tài)一定溫度時，熱產(chǎn)生的載流子數(shù)恒定，熱激發(fā)與復(fù)合動態(tài)平衡。溫度改變后，熱激發(fā)變化，隨后復(fù)合跟上，最終新平衡建立熱平衡時載流子濃度決定于：能級密度能級被電子占據(jù)的概率能級密度定義：導(dǎo)帶和價帶內(nèi)單位體積，單位能量能級數(shù)目。導(dǎo)帶能級密度價帶能級密度當(dāng)離導(dǎo)帶低或價帶頂越遠(yuǎn)時，能級密度越大費(fèi)米能級和電子占據(jù)率電子占據(jù)率：Ef為費(fèi)米能級T=0，若E<Ef，fn(E)=1T>0，若E=Ef，fn(E)=0.5

若E>Ef，fn(E)<0.5

若E<Ef，fn(E)>0.5空穴占據(jù)率：fp(E)=1-fn(E)平衡載流子濃度自由電子濃度

為導(dǎo)帶有效能級密度。自由電子濃度n與溫度(正比)及費(fèi)米能級位置（正比）有關(guān)。自由空穴濃度

為價帶有效能級密度。自由空穴濃度p與溫度(正比)及費(fèi)米能級位置(反比)有關(guān)推論熱平衡下，任何半導(dǎo)體中，n與p的乘積與費(fèi)米能級無關(guān)；熱平衡下，任何半導(dǎo)體中，n與p的乘積與Eg成反比；熱平衡下，任何半導(dǎo)體中，n與p的乘積與溫度成正比本征半導(dǎo)體中載流子濃度EcEvEfi(Ei)室溫下硅、鍺、砷化鎵的本征載流子濃度GeSiGaAsEg(eV)0.671.121.35Me*0.56m1.08m0.068mMp*0.37m0.59m0.50mNi(1/cm3)2.1*10131.3*10101.1*107m=9.11*10-31kg室溫下金屬載流子濃度>1022/cm3

n型半導(dǎo)體載流子濃度EcEvEiEfnEdp型半導(dǎo)體載流子濃度EcEvEiEfpEa

用費(fèi)米能級描述載流子分布－－“標(biāo)尺”練習(xí)：畫出輕摻雜N型和重?fù)诫sN型費(fèi)米能級示意圖第一節(jié)半導(dǎo)體基礎(chǔ)半導(dǎo)體特性能帶結(jié)構(gòu)i，n和p型半導(dǎo)體熱平衡下的載流子的濃度半導(dǎo)體中的非平衡載流子

載流子的擴(kuò)散與漂移半導(dǎo)體中的非平衡載流子定義：外部注入的或光激發(fā)的、超出熱平衡時濃度的載流子這部分載流子攜帶有外部信息材料的光吸收效應(yīng)

本征吸收雜質(zhì)吸收其它吸收本征吸收定義：使價帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶的光吸收條件：

為本征吸收長波限。Eg雜質(zhì)吸收定義：使電子（空穴）從雜質(zhì)能級激發(fā)到導(dǎo)帶（價帶）的光吸收。長波限：

雜質(zhì)吸收多在紅外區(qū)和遠(yuǎn)紅外區(qū)。ΔEdΔEa其它吸收激子吸收定義：吸收了小于禁帶寬度能量的電子，離開了價帶卻上不了導(dǎo)帶，與形成的空穴間保有庫侖力作用，從而形成的一個電中性系統(tǒng)。自由載流子吸收定義：使自由載流子在同一能帶內(nèi)不同能級間躍遷的光吸收。晶格吸收定義：被轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц裾駝幽芰康奈?。非平衡載流子濃度在這一節(jié)我們并不關(guān)心光子產(chǎn)生非平衡載流子的效率，這個概念我們以后再講這一節(jié)我們關(guān)心非平衡載流子產(chǎn)生及復(fù)合的過程，因為這個過程存在時間上的沿滯，研究這個過程是理解探測器的頻率特性的基礎(chǔ)突然光照，由于產(chǎn)生>復(fù)合，光生載流子濃度Δn(t)(Δp(t))處于上升期產(chǎn)生=復(fù)合，光生載流子濃度達(dá)到飽和光照突然消失，由于產(chǎn)生<復(fù)合,光生載流子濃度Δn(t)(Δp(t))處于下降期通常，光生載流子的產(chǎn)生和復(fù)合具有相同的時間特性電路時間常數(shù)表征電路瞬態(tài)過程中響應(yīng)變化的快慢，如RC電路的時間常數(shù)為R*C，它表征電容充放電的快慢：電路閉合后，電容的端電壓達(dá)到最大值的1-1/e，即約0.63倍所需要的時間電路斷開時，電容的端電壓達(dá)到最大值的1/e，即約0.37倍時所需要的時間?？?在這里，沿用時間常數(shù)τ這一概念描述光電探測器對光照響應(yīng)的快慢（光生載流子產(chǎn)生和復(fù)合的快慢）光生載流子的產(chǎn)生和復(fù)合具有相同的時間特性，這里只研究載流子的復(fù)合過程由復(fù)合率與載流子濃度成正比推得下降期光生載流子濃度的變化規(guī)律為τ的意義：載流子濃度下降的衰減常數(shù)載流子濃度下降到初始值1/e所需的時間載流子的平均壽命（也稱載流子壽命）復(fù)合率同理可得上升期光生載流子濃度的變化規(guī)律為第一節(jié)半導(dǎo)體基礎(chǔ)半導(dǎo)體特性能帶結(jié)構(gòu)i，n和p型半導(dǎo)體熱平衡下的載流子的濃度半導(dǎo)體中的非平衡載流子載流子的擴(kuò)散與漂移

載流子的擴(kuò)散與漂移攜帶有信息的非平衡載流子通過形成定向移動的電流被檢測到，所以需要研究非平衡載流子運(yùn)動的形式擴(kuò)散漂移擴(kuò)散定義：由于載流子濃度的不均勻產(chǎn)生的載流子從高濃度處往低濃度處的遷移運(yùn)動。產(chǎn)生條件：摻雜不均勻或局部因光照產(chǎn)生非平衡載流子。擴(kuò)散電流密度（單位面積單位時間內(nèi)通過的載流子電量）與濃度梯度成正比

Dp和Dn分別為電子和空穴的擴(kuò)散系數(shù)。漂移定義：載流子在電場作用下的定向運(yùn)動在電場作用下，電子向正極漂移，空穴向負(fù)極漂移。電場過強(qiáng)，漂移運(yùn)動偏離歐姆定律（飽和或雪崩擊穿），弱電場下，漂移運(yùn)動符合歐姆定律。由歐姆定律的