光电子技术1.pptx

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1、半导体基础知识半导体基础知识2021/9/121半导体材料半导体材料半导体材料大多数是晶体材料。半导体材料大多数是晶体材料。单晶单晶 材料中原子全部都有规则的材料中原子全部都有规则的周期性排列的晶体。周期性排列的晶体。多晶多晶 只在很小范围内原子有规则只在很小范围内原子有规则的排列，形成小晶粒，而晶粒之间的排列，形成小晶粒，而晶粒之间有无规则排列的晶粒界隔开。有无规则排列的晶粒界隔开。2021/9/122电子的能级分布电子的能级分布能能级级（EnergyLevel）原原子子核核外外的的电电子子按按照照一一定定的的壳壳层层排排列列，每每一一壳壳层层容容纳纳一一定定数数量量的的电电子子。每每个个壳

2、壳层层上上的的电电子子具具有有确确定定的的分分立立能能量量值值，也也就就是是电电子子按按能能级级分分布布。在在电电子子能能级级图图上上用用高高低低不不同同的的水水平平线线表表示示电电子子的能级。的能级。电电子子能能量量电子只能在一些电子只能在一些分离开的、特定分离开的、特定的轨道上绕核运的轨道上绕核运动。电子的不同动。电子的不同内能值形成不同内能值形成不同的能级。的能级。2021/9/123电子的共有化运动电子的共有化运动电电子子的的共共有有化化运运动动：晶晶体体中中大大量量的的原原子子集集合合在在一一起起，（SiSi：0.235nm,5100.235nm,5102222个个/cm/cm2 2

3、），使使离离原原子子核核较较远远的壳层发生交叠，这种现象称为电子的共有化。的壳层发生交叠，这种现象称为电子的共有化。2021/9/124能带的形成能带的形成电子的共有化使处于同一能量状态的电子电子的共有化使处于同一能量状态的电子产生微小的能量差异，能级扩展为能带。产生微小的能量差异，能级扩展为能带。原子中电子轨道原子中电子轨道允带允带允带允带允带允带禁带禁带禁带禁带原子能级原子能级电子能量电子能量原子能级分裂成能带示意图原子能级分裂成能带示意图2021/9/125禁带、价带与导带禁带、价带与导带禁带（禁带（ForbiddenBand）：允许被电子占据）：允许被电子占据的能带称为允许带，允许带之

4、间的范围是不的能带称为允许带，允许带之间的范围是不允许电子占据的，此范围称为禁带允许电子占据的，此范围称为禁带。价价带带（ValenceBand）：原原子子中中最最外外层层的的电电子子称称为为价价电电子子，与与价价电电子子能能级级相相对对应应的的能能带带称为价带。称为价带。导导带带（ConductionBand）：价价带带以以上上能能量量最低的允许带称为导带。最低的允许带称为导带。2021/9/126本征半导体能带图本征半导体能带图共价键上电子所受束缚力较小，它会因为受到热激发而跃过共价键上电子所受束缚力较小，它会因为受到热激发而跃过禁带，去占据价带上面的能带，电子从价带跃迁到导带后，禁带，去

5、占据价带上面的能带，电子从价带跃迁到导带后，导带中的电子称为自由电子，价带中电子跃迁到导带后，价导带中的电子称为自由电子，价带中电子跃迁到导带后，价带中出现电子的空缺称为自由空穴。导电的自由电子和自由带中出现电子的空缺称为自由空穴。导电的自由电子和自由空穴统称为载流子。空穴统称为载流子。2021/9/127n型半导体能带图型半导体能带图在在四四价价原原子子锗锗(Ge)或或硅硅(Si)组组成成的的晶晶体体中中掺掺入入五五价价原原子子砷砷（As）或或磷磷（P），在在晶晶格格中中某某个个硅硅原原子子被被砷砷原原子子所所替替代代。砷砷用用四四个个价价电电子子与与周周围围的的硅硅原原子子组组成成共共价价

6、键键，尚尚有有一一个个电电子子多多余余，这这个个多多余余电电子子受受原原子子的的束束缚缚力力要要比比共共价价键键上上电电子子所所受受束束缚缚力力小小得得多多，它它很容易被砷原子释放，跃迁到导带而形成自由电子很容易被砷原子释放，跃迁到导带而形成自由电子。D DEd 称为施主电离能称为施主电离能 2021/9/128p型半导体能带图型半导体能带图在在四四价价硅硅晶晶体体中中掺掺入入三三价价原原子子硼硼（B），晶晶体体中中某某硅硅原原子子被被硼硼原原子子所所替替代代，硼硼原原子子的的三三个个价价电电子子和和周周围围硅硅原原子子和和四四个个价价电电子子要要组组成成共共价价健健，形形成成八八个个电电子子

7、的的稳稳定定结结构构尚尚缺缺一一个个电电子子，于于是是它它很很容容易易从从硅硅晶晶体体中中获获取取一一个个电电子子形形成成稳稳定定结结构构。这这样样就就使使硼硼变变成成负负离离子子而而在在硅晶体中出现自由空穴硅晶体中出现自由空穴。D DEa 称为受主电离能称为受主电离能2021/9/129各类半导体能带图各类半导体能带图重掺杂重掺杂P型型轻掺杂轻掺杂P型型本征型本征型轻掺杂轻掺杂N型型重掺杂重掺杂N型型施主原子的多余电子易跃施主原子的多余电子易跃迁进入导带，使导带中的迁进入导带，使导带中的自由电子浓度高于本征型自由电子浓度高于本征型受主原子易于从价带中受主原子易于从价带中获得电子，价带中的自获

8、得电子，价带中的自由空穴浓度高于本征型由空穴浓度高于本征型ECEVEF施主能带施主能带受主能带受主能带2021/9/1210热平衡态下的载流子热平衡态下的载流子若没有外界作用，半导体中的自由电子和空若没有外界作用，半导体中的自由电子和空穴是由热激发产生的。电子从热振动的晶体穴是由热激发产生的。电子从热振动的晶体中获得能量，从价带跃迁到导带，形成自由中获得能量，从价带跃迁到导带，形成自由电子，同时在价带中出现自由空穴。在热激电子，同时在价带中出现自由空穴。在热激发同时，电子也从导带跃迁到价带并向晶格发同时，电子也从导带跃迁到价带并向晶格放出能量，这就是载流子的复合。在一定温放出能量，这就是载流子

9、的复合。在一定温度下，激发和复合两种过程形成平衡。度下，激发和复合两种过程形成平衡。在一定温度下激发和复合两种过程形成平衡，在一定温度下激发和复合两种过程形成平衡，称为热平衡状态。称为热平衡状态。2021/9/1211载流子浓度载流子浓度半导体的电学性质与材料的载流子浓度有关。半导体的电学性质与材料的载流子浓度有关。载流子浓度就是指单位体积内的载流子数。载流子浓度就是指单位体积内的载流子数。热平衡时半导体中自由载流子浓度取决于：热平衡时半导体中自由载流子浓度取决于：能带中能级（或能态）的分布；能带中能级（或能态）的分布；每一个能级可能被电子占据的概率。每一个能级可能被电子占据的概率。2021/

10、9/1212能级密度能级密度能级密度能级密度 导带和价带内单位体积、单位能量能级导带和价带内单位体积、单位能量能级数目，电子能量数目，电子能量E E 处的能级密度处的能级密度用用N N(E E)表示。表示。导带内的能级密度导带内的能级密度 价带内的能级密度价带内的能级密度 为自由电子的有效质量；为自由电子的有效质量；为自由空穴的有效质量；为自由空穴的有效质量；h 为普朗克常数。为普朗克常数。2021/9/1213能级被电子占据的概率能级被电子占据的概率在热平衡条件下，半导体中能级被电子的在热平衡条件下，半导体中能级被电子的占据率占据率 分布服从费米统计分布规律，能量为分布服从费米统计分布规律，

11、能量为E 的能级被的能级被电子占据的概率为电子占据的概率为 Ef 为费米能级；为费米能级；T为绝对温度；为绝对温度；k为玻耳兹曼常数为玻耳兹曼常数 k1.3810-22J/K。2021/9/1214费米能级费米能级T=0(K)时时,若若EEf，则，则fn(E)=1；EEf，则，则 fn(E)=0电子全部占据电子全部占据Ef以下的能级，而以下的能级，而Ef以上能级是空的。以上能级是空的。T0(K)时时若若E=Ef，则则 fn(E)=0.5。通通常常把把电电子子占占据据率率为为0.5的的能能级定义为费米能级。级定义为费米能级。若若E EE Ef f，则则f fn n(E E)0.50.5。说说明明

12、比比费费米米能能级级低低的的能能级级被被电子占据的概率大于电子占据的概率大于0.50.5。若若E EE Ef f，则则f fn n(E E)0.50.5。说说明明比比费费米米能能级级高高的的能能级级被被电子占据的概率小于电子占据的概率小于0.50.5。比比E Ef f能量高得愈多的能级，电子的占据概率愈小能量高得愈多的能级，电子的占据概率愈小。2021/9/1215价带被空穴占据的概率价带被空穴占据的概率在在价价带带中中，如如电电子子的的占占据据概概率率为为1 1（被被电电子子占占满满），则则空穴占据的概率为空穴占据的概率为0（不存在空穴）。（不存在空穴）。空空穴穴的的占占据据概概率率也也就就

13、是是不不被被电电子子占占据据的的概概率率，则则空空穴的占据概率为：穴的占据概率为：2021/9/1216导带中电子浓度导带中电子浓度导带中能级为导带中能级为E的电子浓度等于在的电子浓度等于在E处的能级密度和处的能级密度和可被电子占据的概率的乘积。可被电子占据的概率的乘积。导带中总的电子浓度导带中总的电子浓度 将将n n(E)(E)和和f fn n(E)(E)代入就有代入就有式中，式中，为导带有效能级密度。为导带有效能级密度。2021/9/1217价带中空穴浓度价带中空穴浓度价带中能级价带中能级E的空穴浓度为的空穴浓度为 整个价带中的空穴浓度整个价带中的空穴浓度p为为式中，式中，称为价带有效能级

14、密度。称为价带有效能级密度。2021/9/1218N(E)、fn(E)、n(E)分布曲线分布曲线2021/9/1219平衡载流子的有关结论平衡载流子的有关结论在每种半导体中平衡载流子的电子数和空穴数乘积在每种半导体中平衡载流子的电子数和空穴数乘积与费米能级无关；与费米能级无关；禁带宽度禁带宽度Eg愈小，愈小，n和和p的乘积愈大，导电性愈好；的乘积愈大，导电性愈好；半导体中的载流子浓度随温度的增加而增大。半导体中的载流子浓度随温度的增加而增大。2021/9/1220本征半导体中的本征半导体中的费米能级费米能级自由电子浓度等于自由空穴浓度。自由电子浓度等于自由空穴浓度。n ni i=p pi i

15、本征半导体的费米能级本征半导体的费米能级 式中式中Ei为中间能级，对于硅、锗为中间能级，对于硅、锗 /=0.5 /=0.51 1；对于砷化镓对于砷化镓 /=7.4 /=7.4，第二项很小，可以忽略。第二项很小，可以忽略。因此本征半导体的费米能级因此本征半导体的费米能级 Efi位于禁带中线处，大位于禁带中线处，大体上与体上与Ei重叠。重叠。2021/9/1221本征半导体中的载流子浓度本征半导体中的载流子浓度本征半导体载流子浓度为本征半导体载流子浓度为室温下硅、锗、砷化镓的本征载流子浓度室温下硅、锗、砷化镓的本征载流子浓度 参参量量GeSiGaAsEg(eV)0.671.121.350.56m1

16、.08 m0.068 m0.37m0.59m0.50mni(1/cm3)2.110131.310101.1107m=9.1110-31kg2021/9/1222 n n 型半导体载流子浓度型半导体载流子浓度 施施主主原原子子的的多多余余价价电电子子易易跃跃迁迁进进入入导导带带，导导带带中中的的自由电子浓度高于本征半导体的电子浓度。自由电子浓度高于本征半导体的电子浓度。室温下施主原子基本上都电离，导带中的电子浓度室温下施主原子基本上都电离，导带中的电子浓度 式中式中Nd为为n型半导体中掺入的施主原子浓度。型半导体中掺入的施主原子浓度。空穴浓度空穴浓度 N型半导体的费米能级型半导体的费米能级202

17、1/9/1223p p 型半导体载流子浓度型半导体载流子浓度受主原子易从价带中获得电子，价带中的自由空穴浓受主原子易从价带中获得电子，价带中的自由空穴浓度将高于本征半导体中的自由空穴浓度。度将高于本征半导体中的自由空穴浓度。室温下价带中的空穴浓度室温下价带中的空穴浓度p p Na 为受主原子浓度为受主原子浓度电子浓度电子浓度p型半导体的费米能级型半导体的费米能级2021/9/1224载流子的浓度计算公式载流子的浓度计算公式本本征征型型掺杂掺杂N型型掺杂掺杂P型型2021/9/1225本征和掺杂半导体费米能级本征和掺杂半导体费米能级2021/9/1226光吸收效应之一：光吸收效应之一：本征吸收本

18、征吸收本征吸收本征吸收:价带中的电子激发到导带，产生等量的电价带中的电子激发到导带，产生等量的电子与空穴。子与空穴。入射光子的能量（入射光子的能量（h）hEgh：普朗克常数：普朗克常数c：光速：光速0：材料的频率阈值：材料的频率阈值0：材料的波长阈值：材料的波长阈值ECEV电子能量Eg2021/9/1227半导体的禁带宽度和长波限半导体的禁带宽度和长波限 半导体半导体T(K)Eg(eV)l l0(m mm)CdS2952.40.52CdSe2951.80.62CdTe2951.500.83GaP2952.240.56GaAs2951.350.92Si2951.121.1Ge2950.671.8

19、PbS2950.422.9PbSe2950.235.4InAs2950.393.2InSb770.235.4Pb0.2Sn0.3Te770.112Hg0.8Cd0.2Te770.1122021/9/1228光吸收效应之二：光吸收效应之二：杂质吸收杂质吸收杂质吸收：杂质能级上的电子（或空穴）吸收光子能杂质吸收：杂质能级上的电子（或空穴）吸收光子能量从杂质能级跃迁到导带（空穴跃迁到价带）。量从杂质能级跃迁到导带（空穴跃迁到价带）。施主释放束缚的电子到导带，受主释放束缚空穴到价施主释放束缚的电子到导带，受主释放束缚空穴到价 带，它们所需能量称为电离能带，它们所需能量称为电离能D DEd和和D DEa

20、。杂质吸收的长波限杂质吸收的长波限2021/9/1229掺杂半导体的电离能和长波限掺杂半导体的电离能和长波限 半导体半导体施主或受主施主或受主D DEd(eV)D DEa(eV)(m mm)Ge:Li施主施主0 0.0095133Ge:Cu受主受主0.0410.04130Ge:Au施主施主0.05325Ge:Zn受主受主0.03338Ge:Cd受主受主0.0621Ge:B受主受主0.0104120Ge:Hg受主受主0.0914Si:B受主受主0.043929Si:Al受主受主0.068518Si:Ga受主受主0.072317Si:In受主受主0.1558Si:P施主施主0.04529Si:As

21、施主施主0.0537232021/9/1230非平衡态下的载流子非平衡态下的载流子1.非平衡载流子：外界条件变化引起载流子非平衡载流子：外界条件变化引起载流子浓度对于热平衡状态时浓度的增量。浓度对于热平衡状态时浓度的增量。2.光注入下产生非平衡载流子表现为价带中光注入下产生非平衡载流子表现为价带中的电子吸收了光子能量从价带跃迁到导带，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。同时在价带中留下等量的空穴。3.产生与复合：使非平衡载流子浓度增加称产生与复合：使非平衡载流子浓度增加称产生，使非平衡载流子浓度减少称复合。产生，使非平衡载流子浓度减少称复合。2021/9/1231

22、三种复合机制三种复合机制直接复合：直接复合：导带导带中中电电子直接跳回到价子直接跳回到价带带，与价，与价带带中的空穴复合。中的空穴复合。间间接接复复合合：通通过过禁禁带带中中杂杂质质及及缺缺陷陷间间接接复复合合，可可分分电电子子俘俘获获；空空穴穴俘俘获获；电电子子发发射射；空穴空穴发发射。射。表表面面复复合合：材材料料表表面面在在研研磨磨、抛抛光光时时会会出出现现许许多多缺缺陷陷与与损损伤伤，从从而而产产生生大大量量复复合合中中心心。发发生生于半于半导导体表面的复合体表面的复合过过程称程称为为表面复合。表面复合。2021/9/1232光生载流子的寿命光生载流子的寿命光照后载流子浓度的增光照后载

23、流子浓度的增 量为量为D Dp(t)和和D Dn(t)，若，若光光 照突然停止，光生载流照突然停止，光生载流 子浓度会因复合而逐渐子浓度会因复合而逐渐 减小，最终达到平衡。减小，最终达到平衡。光生载流子停留在自由状态的时间是不等的，光生光生载流子停留在自由状态的时间是不等的，光生 载流子的平均生存时间称为光生载流子的寿命载流子的平均生存时间称为光生载流子的寿命t t。2021/9/1233载流子的载流子的扩散扩散 扩扩散散 材材料料的的局局部部位位置置受受到到光光照照时时，材材料料吸吸收收光光子子产产生生光光生生载载流流子子，在在这这局局部部位位置置的的载载流流子子浓浓度度就就比比平平均均浓浓

24、度度要要高高。电电子子将将从从浓浓度度高高的的点点向向浓浓度度低低的的点点运运动动，这这种种现象称为扩散。现象称为扩散。扩散电流密度正比于光扩散电流密度正比于光生载流子的浓度梯度生载流子的浓度梯度 J JnDnD、J JpDpD为电子扩散电流密度矢量和空穴扩散电流密度为电子扩散电流密度矢量和空穴扩散电流密度矢量；矢量；D Dn n、D Dp p是电子的扩散系数和空穴的扩散系数。是电子的扩散系数和空穴的扩散系数。2021/9/1234载流子的漂移载流子的漂移漂漂移移：载载流流子子在在外外电电场场作作用用下下，电电子子向向正正电电极极方方向向运运动动，空空穴穴向向负负电电极极方方向向运运动动称称为为漂漂移移。在在弱弱电电场场作用下，半导体中载流子漂移运动服从欧姆定律。作用下，半导体中载流子漂移运动服从欧姆定律。电流密度矢量电流密度矢量J J 正比于电场矢量正比于电场矢量 E E J Jx x =E Ex x 材料导电率材料导电率(-1cm-1）J Jx x 与载流子浓度及载流子沿电场漂移速度成正比。与载流子浓度及载流子沿电场漂移速度成正比。n n型型 J Jx x=qnx x q 电子电量电子电量 x x漂移平均速度漂移平均速度 x x=n nEEx x n n 电子迁移率电子迁移率(cm(cms-1/Vcm-1）p p型型 p p 电子迁移率电子迁移率2021/9/1235