光电器件基础2.5节.ppt

2.5 2.5 半导体物理基础半导体物理基础 自然界中存在着各式各样的物质，它们可以是气体、液自然界中存在着各式各样的物质，它们可以是气体、液体或固体。固体，按其原子排列来说，可以分成体或固体。固体，按其原子排列来说，可以分成 晶体晶体 非晶体非晶体按导电能力，可以分成按导电能力，可以分成 导体导体 绝缘体绝缘体 半导体半导体 不同材料的电阻率有很大的差别。通常把电阻率在不同材料的电阻率有很大的差别。通常把电阻率在1010-6-61010-3-3cmcm范围内范围内的物质称为的物质称为导体导体；电阻率在；电阻率在10101212cmcm以上的以上的物质称为物质称为绝缘体绝缘体；电阻率在介于导体和绝缘体之间的物质称电阻率在介于导体和绝缘体之间的物质称为为半导体半导体。导体、半导体、绝缘体三者之间虽然在电阻率的区分上导体、半导体、绝缘体三者之间虽然在电阻率的区分上无绝对明确的界限，但在性质上有几大的差别。半导体在电无绝对明确的界限，但在性质上有几大的差别。半导体在电子业与光电工业等方面占有及其重要地位。子业与光电工业等方面占有及其重要地位。图图2-6 2-6 一些材料的电阻率一些材料的电阻率半导体的特性半导体的特性 半导体的电阻温度系数一般是负的，它对温度的变化半导体的电阻温度系数一般是负的，它对温度的变化非常敏感。非常敏感。半导体的导电性能可受极微量杂质的影响而发生十分半导体的导电性能可受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化。显著的变化。如如纯硅在室温下的电导率为纯硅在室温下的电导率为 551010-6-6-1-1cmcm-1-1，当掺入硅原子数的百万分之一的杂质时，其纯度虽然仍高达当掺入硅原子数的百万分之一的杂质时，其纯度虽然仍高达99.999%99.999%，但是电导率去上升至，但是电导率去上升至 2 2-1-1cmcm-1-1。半导体的导电能力及性质会受热、光、磁等外界作用半导体的导电能力及性质会受热、光、磁等外界作用的影响而发生非常重要的变化。的影响而发生非常重要的变化。例如例如，沉积在绝缘基板上的，沉积在绝缘基板上的硫化镉层不受光照时的阻抗可高达几十甚至几百兆欧，但一硫化镉层不受光照时的阻抗可高达几十甚至几百兆欧，但一受到光照，电阻就会下降的几十千欧，甚至更小。受到光照，电阻就会下降的几十千欧，甚至更小。常见的半导体材料常见的半导体材料有硅、锗、硒的元素半导体，砷化镓有硅、锗、硒的元素半导体，砷化镓(GaAs)、铝砷化镓、铝砷化镓(Ga1-xAlxAs)、锑化銦、锑化銦(InSb)、硫化镉、硫化镉(CdS)和硫化铅和硫化铅(PbS)等化合物半导体，还有如氧化亚铜的氧化物半等化合物半导体，还有如氧化亚铜的氧化物半导体，如砷化镓导体，如砷化镓磷化镓固熔体半导体，以及有机半导体、磷化镓固熔体半导体，以及有机半导体、玻璃半导体、稀土半导体等等。玻璃半导体、稀土半导体等等。为了解释固体材料的不同导电特性，从电子能级的概念为了解释固体材料的不同导电特性，从电子能级的概念出发引入出发引入能带理论能带理论，来解释发生在半导体中的各种物理现象，来解释发生在半导体中的各种物理现象和各种半导体器件的工作原理。和各种半导体器件的工作原理。2.5.2 2.5.2 能带理论能带理论1.原子中电子的能级原子中电子的能级 原子是由一个带正电的原子核与一些带负电的电子所组成原子是由一个带正电的原子核与一些带负电的电子所组成电子环绕原子核在各自的轨道上不停的运动。根据量子论，电子环绕原子核在各自的轨道上不停的运动。根据量子论，电子运动有下面三个重要特点：电子运动有下面三个重要特点：电子绕核运动，具有完全确定的能量，这种稳定的运动电子绕核运动，具有完全确定的能量，这种稳定的运动状态陈为量子态。每一量子态所取的确定能量称为能级。状态陈为量子态。每一量子态所取的确定能量称为能级。由于微观粒子具有粒子与波动的两重性，因此，严格说由于微观粒子具有粒子与波动的两重性，因此，严格说原子中的电子没有完全确定的轨道。原子中的电子没有完全确定的轨道。在一个原子或原子组成的系统中，不能有两个电子同属在一个原子或原子组成的系统中，不能有两个电子同属于一个量子态，即在每一个能级中，最多只能容纳两个自旋于一个量子态，即在每一个能级中，最多只能容纳两个自旋方向相反的电子，这就是泡利不相容原理。方向相反的电子，这就是泡利不相容原理。图图2-7 2-7 硅原子中电子绕核运动轨道及与其相应能级示意图硅原子中电子绕核运动轨道及与其相应能级示意图 原子中原子中1414个电子分别有个电子分别有1414种不同的量子态，分布在离原种不同的量子态，分布在离原子核远近不同的三层轨道上。最里层的量子态，电子距原子子核远近不同的三层轨道上。最里层的量子态，电子距原子核最近，受原子核束缚最强，能量最低。越外层的量子态，核最近，受原子核束缚最强，能量最低。越外层的量子态，电子受原子核束缚越弱，能量越高。不可能有介于各能级之电子受原子核束缚越弱，能量越高。不可能有介于各能级之间的量子态存在。间的量子态存在。2.2.晶体中电子的能带晶体中电子的能带 电子共有化电子共有化-结合成晶体的原子之间的距离很近，这使不结合成晶体的原子之间的距离很近，这使不 同原子间的电子轨道（量子态）将发生不同程度同原子间的电子轨道（量子态）将发生不同程度 的交迭。轨道的交迭使电子可从一个原子转移到的交迭。轨道的交迭使电子可从一个原子转移到 另一个原子上去，在整个晶体中运动，成为整个另一个原子上去，在整个晶体中运动，成为整个 晶体所共有的现象。晶体所共有的现象。能带能带-N-N个原子排列起来结合成晶体，原来分属于个原子排列起来结合成晶体，原来分属于N N个单个个单个 原子的相同能级对应分裂或属于整个晶体的原子的相同能级对应分裂或属于整个晶体的N N个能量个能量 稍有差别的能级。这些能级互相靠得很近，分布在稍有差别的能级。这些能级互相靠得很近，分布在 一定的能量区域。能量区域中这些密集的能级被称一定的能量区域。能量区域中这些密集的能级被称 为能带，能带内的能级可看成是连续的。为能带，能带内的能级可看成是连续的。图图2-8 N2-8 N个原子结合成晶体前后的能级状态变化个原子结合成晶体前后的能级状态变化图图2-9 2-9 绝缘体、半导体、导体能带情况绝缘体、半导体、导体能带情况固体的能带情况固体的能带情况 绝缘体的禁带较宽，价带被电子填满，导带一般是空的。绝缘体的禁带较宽，价带被电子填满，导带一般是空的。在理想的绝对零度下，半导体也有被电子填满的价带和全空的在理想的绝对零度下，半导体也有被电子填满的价带和全空的导带，禁带比较窄。导体的能带情况有两种：一是它的价带没导带，禁带比较窄。导体的能带情况有两种：一是它的价带没有被电子填满，即最高能量的电子只能填充价带下半部分而上有被电子填满，即最高能量的电子只能填充价带下半部分而上半部分空着；二是它的价带与导带相重迭。半部分空着；二是它的价带与导带相重迭。几个基本概念几个基本概念 施主杂质施主杂质-杂质本身成为正电中心，即能施予电子，杂质本身成为正电中心，即能施予电子，具有这种特点的杂质具有这种特点的杂质 施主能级施主能级-被束缚于施主上的电子能量状态被束缚于施主上的电子能量状态 受主杂质受主杂质-杂质本身成为负电中心，即能接受电子，杂质本身成为负电中心，即能接受电子，具有这种特点的杂质具有这种特点的杂质 受主能级受主能级-受主的空能量状态被称为受主的空能量状态被称为 电离能电离能-施主（或受主）能级上的电子（或空穴）跃施主（或受主）能级上的电子（或空穴）跃 迁到导带（或价带）中去的过程所需的能量迁到导带（或价带）中去的过程所需的能量 即是即是电离能电离能 N N型半导体型半导体-主要有电子导电的半导体，把电子称为主要有电子导电的半导体，把电子称为 多数载流子多数载流子，空穴成为，空穴成为少数载流子少数载流子 P P型半导体型半导体-主要有空穴导电的半导体主要有空穴导电的半导体2.5.3 2.5.3 载流子运动载流子运动 半导体中非平衡载流子有两种运动。即扩散运动和半导体中非平衡载流子有两种运动。即扩散运动和漂移运漂移运动。它们都是定向运动，分别与扩散电流和漂移电流相联系。动。它们都是定向运动，分别与扩散电流和漂移电流相联系。扩散运动扩散运动把载流子由热运动造成的从高浓度处向低浓度把载流子由热运动造成的从高浓度处向低浓度 处迁移运动称为扩散运动。它不是由电场力的处迁移运动称为扩散运动。它不是由电场力的 推动而产生的。推动而产生的。漂移运动漂移运动载流子在外加电场的作用下，电子向正电极方载流子在外加电场的作用下，电子向正电极方 向运动，空穴向负电极方向运动称为向运动，空穴向负电极方向运动称为漂移运漂移运 动。动。2.5.4 2.5.4 物质对光吸收的一般规律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，光波入射到物质表面上，用透射法测定光通量的衰减时，发现通过路程发现通过路程d dx x的光通量变化的光通量变化d d与入射的光通量与入射的光通量和路程和路程d dx x的乘积成正比，即的乘积成正比，即 （2-632-63）式中，式中，称为吸收系数。利用称为吸收系数。利用初始条件初始条件x x=0=0时时 ，解这个微分，解这个微分方程，可以找到通过方程，可以找到通过x x 路程的路程的光通量为光通量为 （2-642-64）图图2-10 物质对光的吸收示意图物质对光的吸收示意图当光在物质中传播时，透过的能量衰减到原来能量的当光在物质中传播时，透过的能量衰减到原来能量的e e-1-1 时所透过的路程时所透过的路程x xa a的倒数等于该物质的吸收系数的倒数等于该物质的吸收系数，即，即 （2-652-65）另外，根据电动力学理论，平面电磁波在物质中传播时，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其电矢量和磁矢量都按指数规律e e(-(-x/cx/c)衰减。而能流密度衰减。而能流密度 正比于电矢量正比于电矢量 和磁矢量和磁矢量的乘积，其实数部分应是辐射通量，它是传播路径的乘积，其实数部分应是辐射通量，它是传播路径x x的函数，的函数，即即（2-662-66）式中，式中，称为消光系数。称为消光系数。由此可以得出由此可以得出（2-672-67）该式表明，若消光系数该式表明，若消光系数与光波波长无关的常数，则吸收系与光波波长无关的常数，则吸收系数数与波长成反比。与波长成反比。当不考虑反射损失时，吸收的光通量应为当不考虑反射损失时，吸收的光通量应为（2-682-68）2.5.5 2.5.5 半导体对光的吸收半导体对光的吸收 1.本征吸收本征吸收 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，原子核外层价电子吸收足够的光子能量，越过禁带，进时，原子核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，产生电子下一个自由空穴，产生电子-空空穴对。穴对。半导体价带电子吸收光子能半导体价带电子吸收光子能量跃迁入导带，产生电子空穴对量跃迁入导带，产生电子空穴对的现象称为的现象称为本征吸收。本征吸收。图图2-11 2-11 本征吸收本征吸收 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的禁带宽度E Eg g，才能使价带，才能使价带E EV V上的电子吸收足够的能量跃入上的电子吸收足够的能量跃入到导带底能级到导带底能级E EC C之上，即之上，即（2-692-69）由此，可以得到发生本征吸收的光波长波限由此，可以得到发生本征吸收的光波长波限（2-702-70）只有波长短于只有波长短于L L的入射辐射才能使器件产生本征吸收，改变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。本征半导体的导电特性。2.2.杂质吸收杂质吸收 N N型半导体中未电离的杂质原子吸收光子能量型半导体中未电离的杂质原子吸收光子能量hvhv。若。若hvhvE ED D，杂质原子的外层电子将从杂质能级跃入导带，成为自，杂质原子的外层电子将从杂质能级跃入导带，成为自由电子。由电子。P P型半导体中，价带上的电子吸收了能量型半导体中，价带上的电子吸收了能量hvhvE EA A的光子的光子后，价电子跃入受主能级，价带上留下空穴。后，价电子跃入受主能级，价带上留下空穴。这两种杂质半导体吸收足够能量的光子，产生电离的过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程称为杂质吸收。杂质吸收。杂质吸收的长波限杂质吸收的长波限（2-712-71）或或（2-722-72）由于由于E Eg gE ED D或或E EA A，因此，杂质吸收的长波长总要长于，因此，杂质吸收的长波长总要长于本征吸收的长波限。杂质吸收会改变半导体的导电特性，也本征吸收的长波限。杂质吸收会改变半导体的导电特性，也会引起光电效应。会引起光电效应。3.3.激子吸收激子吸收 当入射到本征半导体上的光子能量当入射到本征半导体上的光子能量hvhv小于小于E Eg g，或入射到，或入射到杂质半导体上的光子能量杂质半导体上的光子能量hvhv小于杂质电离能（小于杂质电离能（E ED D或或E EA A）时，电子不产生能带间的跃迁成为自由载流子，仍受原来束时，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为激子。吸收光子能量产生激子的现象称为激子吸收激子吸收。显。显然，激子吸收不会改变半导体的导电特性。然，激子吸收不会改变半导体的导电特性。若价带中的电子吸收光子而形成激子时，所吸收光子的若价带中的电子吸收光子而形成激子时，所吸收光子的波长要比长波限更大些，即在长波限的长波侧形成一些很尖波长要比长波限更大些，即在长波限的长波侧形成一些很尖锐的吸收线，每条谱线对应于一定的激发态锐的吸收线，每条谱线对应于一定的激发态(n=1(n=1时为基态，时为基态，n n1 1时为受激态时为受激态)。4.4.自由载流子吸收自由载流子吸收 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，而且其强度随波长吸收，而且其强度随波长增大而增强。这是由自由载流子增大而增强。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，称为自由载流子吸自由载流子吸收收。自由载流子吸收不会改变半导体的导电特性。自由载流子吸收不会改变半导体的导电特性。一般吸收系数一般吸收系数与与的关系为的关系为n n 按经典散射理论考虑，按经典散射理论考虑，n=2n=2，实际的，实际的n n值在值在1.61.62.22.2之间。之间。若杂质含量很大，则若杂质含量很大，则n n可变达到可变达到3.53.5左右。左右。5.5.晶格吸收晶格吸收 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。由于晶体中晶格的振动也是量子化的，即能质的热敏效应。由于晶体中晶格的振动也是量子化的，即能量的改变量只能取某一些能量值量的改变量只能取某一些能量值hvhv的整数倍。的整数倍。晶格吸收的光谱范围与晶格振动频率在同一数量级，通晶格吸收的光谱范围与晶格振动频率在同一数量级，通常波长在常波长在1010100100m m之间。之间。