第1章-2半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識

第一章光電檢測應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識輻射度學(xué)和光度學(xué)基本概念光電效應(yīng)光電探測器的噪聲和特性下頁返回半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識基本定律本征半導(dǎo)體熱平衡下載流子濃度第3節(jié)半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識非平衡下載流子濃度載流子的擴(kuò)散與漂移N型半導(dǎo)體摻雜半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體載流子能帶結(jié)構(gòu)能帶的形成能帶理論晶體1.2半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識1.電子的共有化運(yùn)動2.能帶的形成能級3s2p1.2.1固體的能帶結(jié)構(gòu)允帶禁帶允帶允帶禁帶3.能帶的結(jié)構(gòu)價帶導(dǎo)帶禁帶物質(zhì)的導(dǎo)電性：價帶導(dǎo)帶禁帶價帶中的空穴導(dǎo)帶中的電子價帶導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)帶的能級是空的，所以不導(dǎo)電。價帶導(dǎo)帶禁帶本征激發(fā)常溫下被激發(fā)到共價鍵之外不導(dǎo)電弱導(dǎo)電性1）本征半導(dǎo)體4.N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體摻雜半導(dǎo)體（非本征半導(dǎo)體）半導(dǎo)體中人為地?fù)饺肷倭侩s質(zhì)形成摻雜半導(dǎo)體。摻雜半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體和P型半導(dǎo)體雜質(zhì)成分與含量對半導(dǎo)體導(dǎo)電性能影響很大。在技術(shù)上通常用控制雜質(zhì)含量（即摻雜）來控制半導(dǎo)體導(dǎo)電特性。為什么要摻雜?2）摻5族元素時------N型半導(dǎo)體處于共價鍵之外低溫下價帶導(dǎo)帶禁帶雜質(zhì)能級EdEc價帶導(dǎo)帶禁帶施主能級本征激發(fā)+雜質(zhì)激發(fā)價帶導(dǎo)帶禁帶雜質(zhì)能級低溫下常溫下被激發(fā)至導(dǎo)帶N型半導(dǎo)體①N型半導(dǎo)體由施主控制材料導(dǎo)電性;②N型半導(dǎo)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(dǎo)體低溫下B價帶導(dǎo)帶雜質(zhì)能級價帶導(dǎo)帶雜質(zhì)能級常溫下B低溫下受主能級價帶導(dǎo)帶雜質(zhì)激發(fā)+本征激發(fā)P型半導(dǎo)體①P型半導(dǎo)體由受主控制材料導(dǎo)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(dǎo)體中的載流子價帶導(dǎo)帶禁帶本征激發(fā)開始時：激發(fā)>復(fù)合復(fù)合一段時間后：激發(fā)=復(fù)合（載流子濃度增大）（載流子濃度穩(wěn)定）熱平衡狀態(tài)設(shè)由低溫到高溫的過程:熱平衡時半導(dǎo)體中自由載流子濃度與兩個參數(shù)有關(guān)：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(fèi)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(fèi)米統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律。f(E)：費(fèi)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(fèi)米能級。1.2.3半導(dǎo)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(dǎo)體材料的光吸收效應(yīng)1）本征吸收價帶導(dǎo)帶常溫光照時價帶導(dǎo)帶常溫?zé)o光照時Eg要發(fā)生光電導(dǎo)效應(yīng)，必須滿足：單位是μm2）雜質(zhì)吸收N型半導(dǎo)體：價帶導(dǎo)帶低溫?zé)o光照時Ed價帶導(dǎo)帶低溫有光照時價帶導(dǎo)帶低溫?zé)o光照時Ea工作時溫度要低---防止熱激發(fā)價帶導(dǎo)帶低溫有光照時P型半導(dǎo)體：2.非平衡載流子濃度光照射半導(dǎo)體時：載流子的濃度增加停止光照射后：由于復(fù)合，載流子的濃度不斷的減少，直到熱平衡。復(fù)合方式有直接復(fù)合---導(dǎo)帶中的電子直接回到價帶填充空位間接復(fù)合---通過“缺陷、錯位、雜質(zhì)”等形成的復(fù)合中心復(fù)合價帶導(dǎo)帶價帶導(dǎo)帶電注入：通過體界面把載流子注入半導(dǎo)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(dǎo)帶，同時在價帶中留下等量的空穴。1.2.4載流子的擴(kuò)散和漂移1.擴(kuò)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