半导体物理基础

1、第第1章章 光辐射探测的理论基础光辐射探测的理论基础 辐射度学与光度学辐射度学与光度学半导体物理基础半导体物理基础光电探测器概述光电探测器概述半导体基础半导体基础半导体材料具有独特的光电特性，许多光电探光电探测器测器是由半导体材料制作的半导体光电探半导体光电探测器测器。 研究半导体材料的专门学科：半导体物理学1.2 1.2 半导体物理基础半导体物理基础1.2.1 能带理论能带理论1.2.2 热平衡状态下的载流子热平衡状态下的载流子1.2.3 半导体对光的吸收半导体对光的吸收1.2.4 非平衡状态下的载流子非平衡状态下的载流子1.2.5 载流子的扩散与漂移载流子的扩散与漂移1.2.1 能带理论能

2、带理论1 1原子能级与晶体能带原子能级与晶体能带 电子共有化电子共有化 能级扩展为能带能级扩展为能带最外层电子最外层电子自由电子自由电子单个原子单个原子 1 1原子能级与晶体能带原子能级与晶体能带 价带价带Ev导带导带Ec禁带禁带Eg价电子（最外层电子）能级相对应的能带价电子（最外层电子）能级相对应的能带 1 1原子能级与晶体能带原子能级与晶体能带 价带价带Ev导带导带Ec禁带禁带Eg3.价电子 自由电子， 要吸收能量特别指出：1.价带中电子，价电子不能参与导电2.导带中电子，自由电子能参与导电1 1原子能级与晶体能带原子能级与晶体能带 价带价带Ev导带导带Ec禁带禁带Eg 为什么只考虑导带与

3、价带之间的禁带？电磁波谱与电磁波谱与原子内部电子运动原子内部电子运动绝缘体、半导体、金属的能带图绝缘体、半导体、金属的能带图 SiO Eg=5.2ev Si Eg=1.1ev Eg=0电阻率电阻率1012cm 10-31012cm 10-610-3cm半导体具有独特光电特性半导体具有独特光电特性重要应用价值重要应用价值本征半导体本征半导体结构完整、纯净的半导体称为结构完整、纯净的半导体称为本征半导体。本征半导体。 I型半导体型半导体 杂质半导体杂质半导体半导体中可人为掺入少量杂质半导体中可人为掺入少量杂质包括包括N型半导体型半导体 和和 P型半导体型半导体 2. 半导体的能带半导体的能带2 2

4、半导体能带半导体能带以硅晶体为例以硅晶体为例共价键共价键 电子电子空穴对空穴对 载流子载流子 本征激发本征激发 室温或光照射室温或光照射2 2半导体能带半导体能带室温或光照射室温或光照射共价键结构示意图共价键结构示意图 本征半导体能带图本征半导体能带图 N N型半导体能带型半导体能带N N型半导体型半导体 本征半导体本征半导体 施主能级施主能级 N N型半导体型半导体 含有三种载流子：含有三种载流子： （杂杂质质）自自由由电电子子（本本征征）空空穴穴本本征征）自自由由电电子子( 自由电子数自由电子数空穴数目空穴数目 ? (多子多子) (少子少子) “Negative”N型半导体型半导体PPP

5、P型半导体能带型半导体能带N N型半导体型半导体 P P型半导体型半导体 本征半导体本征半导体 P P型半导体型半导体含有三种载流子：含有三种载流子： （杂杂质质）空空穴穴（本本征征）空空穴穴本本征征）自自由由电电子子(空穴数目空穴数目自由电子数目？自由电子数目？ (多子多子) (少子少子)型半导体P PositiveBBBBB2 2半导体能带半导体能带(a) 本征半导体本征半导体 (b) N型半导体型半导体 (c) P型半导体型半导体 注意三者的差异(a)I型；型； (b)N型；型； (c)P型型N N型半导体：施主能级型半导体：施主能级 P P型半导体：受主能级型半导体：受主能级 掺杂百万

6、分之一的杂质掺杂百万分之一的杂质, , 载流子浓度提高百万倍载流子浓度提高百万倍 总结：总结：N N型半导体型半导体与与P P型半导体型半导体的比较的比较半导体半导体所掺杂质所掺杂质多数载流多数载流子子（多子）（多子）少数载流少数载流子（子（少子）少子）特性特性 N型型施主杂质施主杂质 电子电子 空穴空穴电子浓度电子浓度nn空穴空穴浓度浓度pn P型型受主杂质受主杂质 空穴空穴 电子电子电子浓度电子浓度np空穴空穴浓度浓度pp1.2 1.2 半导体物理基础半导体物理基础1.2.1 能带理论能带理论1.2.2 热平衡状态下的载流子热平衡状态下的载流子1.2.3 半导体对光的吸收半导体对光的吸收1

7、.2.4 非平衡状态下的载流子非平衡状态下的载流子1.2.4 载流子的扩散与漂移载流子的扩散与漂移1.2.2 热平衡状态下的载流子热平衡状态下的载流子热平衡态热平衡态一个不受外界影响的封闭系统，其状态参量（如温度、载流子浓度等）与时间无关的状态称为热平衡态。 载流子的分布载流子的分布导带中电子的浓度导带中电子的浓度价带中空穴的浓度价带中空穴的浓度热平衡条件下，能量为热平衡条件下，能量为E的能级被的能级被电子占据的概率电子占据的概率： )exp(11)(fnkTEEEfEf费米能级费米能级载流子的分布载流子的分布 服从费米统计分布规律服从费米统计分布规律 费米能级费米能级Ef的物理意义的物理意义

8、 )exp(11)(fnkTEEEffEE 5 . 0)(nEfEf的意义：电子占据率为0.5时所对应的能级 )exp(11)(fnkTEEEf电子占据概率：电子占据概率： 空穴占据概率：空穴占据概率： )exp(11)(1fnpkTEEEff载流子的分布载流子的分布导带中电子的浓度导带中电子的浓度价带中空穴的浓度价带中空穴的浓度占据概率：占据概率： )exp(11)(fnkTEEEf)exp(11)(fnkTEEEffn()expEEfEkTcfnc()expEEfEkT导带中电子占据的概率：导带中电子占据的概率： f5EEkTcfcexpEEnNkT导带中总的电子浓度：导带中总的电子浓度：

9、 kTEENnfccexp导带导带 电子浓度：电子浓度： 价带价带 空穴浓度：空穴浓度： kTEENpvfvexp载流子的分布载流子的分布本征和杂质半导体中的费米能级：本征和杂质半导体中的费米能级： 用费米能级描述载流子分布用费米能级描述载流子分布 “标尺标尺”1.2.2 热平衡状态下的载流子热平衡状态下的载流子热平衡态下热平衡态下载流子的分布载流子的分布导带中电子的浓度导带中电子的浓度价带中空穴的浓度价带中空穴的浓度用费米能级用费米能级E Ef f描述：描述： 本征（本征（I I）半导体）半导体 N型半导体型半导体 P型半导体型半导体总总 结：结：1.2 1.2 半导体的基础知识半导体的基础

10、知识1.2.1 能带理论能带理论1.2.2 热平衡状态下的载流子热平衡状态下的载流子1.2.3 半导体对光的吸收半导体对光的吸收1.2.4 非平衡状态下的载流子非平衡状态下的载流子1.2.5 载流子的扩散与漂移载流子的扩散与漂移1.2.3 半导体对光的吸收半导体对光的吸收1 1吸收定律吸收定律(x)=0(1r)e-x =4/ r:r:反射率反射率：吸收系数：吸收系数：消光系数：消光系数本征吸收本征吸收半导体对光的吸收半导体对光的吸收非本征吸收非本征吸收本征吸收：本征吸收： 光子能量足够大，价带中的电子能激发到导带光子能量足够大，价带中的电子能激发到导带 ggEchEhv或m24. 1gg0EE

11、hc截止波长截止波长(a)本征半导体；本征半导体； (b)N型半导体；型半导体； (c) P型半导体型半导体 产生产生电子空穴电子空穴 对对条件：条件：特点：特点：本征吸收：本征吸收：(a)本征半导体；本征半导体； (b)N型半导体；型半导体； (c) P型半导体型半导体 本征半导体和杂质半导体内部，都有可能发生本征吸收！特别注意：特别注意：非本征吸收：非本征吸收：m24.1m24.1aa0dd0EEhcEEhc 或或(a)本征半导体；本征半导体； (b)N型半导体；型半导体； (c) P型半导体型半导体 光子能量不足以使价带中的电子激发到导带光子能量不足以使价带中的电子激发到导带 ，包括，包

12、括杂质吸收、杂质吸收、自由载流子吸收自由载流子吸收、激子吸收激子吸收、晶格吸收晶格吸收 杂质吸收：杂质吸收：N N型半导体型半导体 施主施主束缚电子束缚电子导带导带P P型半导体型半导体 受主受主束缚空穴束缚空穴价带价带 本征吸收本征吸收电子电子 空穴空穴 对对杂质吸收杂质吸收m24. 1gg0EEhc本征吸收本征吸收杂质吸收杂质吸收0波长增大波长增大m24. 1m24. 1aa0dd0EEhcEEhc 或或本征吸收与非本征吸收比较：本征吸收与非本征吸收比较：电子电子 或或 空穴空穴本征吸收与非本征吸收比较：本征吸收与非本征吸收比较：本征吸收本征吸收杂质吸收杂质吸收0波长增大波长增大本征吸收本

13、征吸收杂质吸收杂质吸收0波长增大波长增大00?1.2 1.2 半导体的基础知识半导体的基础知识1.2.1 能带理论能带理论1.2.2 热平衡状态下的载流子热平衡状态下的载流子1.2.3 半导体对光的吸收半导体对光的吸收1.2.4 非平衡状态下的载流子非平衡状态下的载流子1.2.5 载流子的扩散与漂移载流子的扩散与漂移1.2.4 非平衡状态下的载流子非平衡状态下的载流子1 1 非平衡载流子的注入和复合非平衡载流子的注入和复合2. 2. 非平衡载流子的寿命非平衡载流子的寿命1 1非平衡载流子的注入和复合非平衡载流子的注入和复合非平衡载流子非平衡载流子 （过剩载流子）（过剩载流子） 光生载流子光生载

14、流子热生载流子热生载流子1 1非平衡载流子的注入和复合非平衡载流子的注入和复合产生：产生：复合：复合：使非平衡载流子浓度增加的运动使非平衡载流子浓度增加的运动 使非平衡载流子浓度减小的运动使非平衡载流子浓度减小的运动 寿命？寿命？ 2.2.非平衡载流子的寿命非平衡载流子的寿命光生载流子的平均生存时间称为光生载流子的寿命，光生载流子的平均生存时间称为光生载流子的寿命，用用c表示。表示。 以以N型为例：型为例：0c0d( )d( )tp ttp t 2.2.非平衡载流子的寿命非平衡载流子的寿命以以N型为例，计算弱注入条件下型为例，计算弱注入条件下少子的寿命少子的寿命复合率：复合率： Rrnp（热）

15、产生率： 0000GRrn pr为复合系数 热平衡时热平衡时 2.2.非平衡载流子的寿命非平衡载流子的寿命以以N型为例，计算弱注入条件下型为例，计算弱注入条件下少子的寿命少子的寿命光生电子空穴对的直接复合率可用材料中少子的变化率表示为 00000d ( )d( )dd( )( )p tp tGRttrn pr nn tpp t 0d ( ) ( )dp trnp tt弱注入n(t) =p(t) n02.2.非平衡载流子的寿命非平衡载流子的寿命以以N型为例，计算弱注入条件下型为例，计算弱注入条件下少子的寿命少子的寿命0d ( ) ( )dp trnp tt0 ( ) (0)ern tp tp0c

16、0d( )d( )tp ttp tc01 ()/ rn弱注入条件下，载流子寿命与热平衡时多子电子的浓度成反比，并且在一定温度下是一个常数。 表明：2. 2. 非平衡载流子的寿命非平衡载流子的寿命 表征复合的强弱表征复合的强弱c决定线性光电导探测器的时间特性决定线性光电导探测器的时间特性c的大小与材料的微观复合结构、掺杂及缺陷的大小与材料的微观复合结构、掺杂及缺陷 等因素有关。等因素有关。 c的物理意义：的物理意义：c01 ()/ rnc的适应条件：的适应条件： 本征吸收和杂质吸收，本征吸收和杂质吸收，弱注入弱注入1.2 1.2 半导体的基础知识半导体的基础知识1.2.1 能带理论能带理论1.2.2 热平衡状态下的载流子热平衡状态下的载流子1.2.3 半导体对光的吸收半导体对光的吸收1.2.4 非平衡状态下的载流子非平衡状态下的载流子1.2.5 载流子的扩散与漂移载流子的扩散与漂移1.2.5 载流子的扩散与漂移载流子的扩散与漂移 1扩散扩散 2漂移