第1章-2半导体基础知识

第一章光电检测应用中的基础知识辐射度学和光度学基本概念光电效应光电探测器的噪声和特性下页返回半导体基础知识基本定律本征半导体热平衡下载流子浓度第3节半导体基础知识非平衡下载流子浓度载流子的扩散与漂移N型半导体掺杂半导体P型半导体载流子能带结构能带的形成能带理论晶体1.2半导体的基础知识1.电子的共有化运动2.能带的形成能级3s2p1.2.1固体的能带结构允带禁带允带允带禁带3.能带的结构价带导带禁带物质的导电性：价带导带禁带价带中的空穴导带中的电子价带导带内层能带禁带禁带内层能带禁带满带：被电子填满的能带;空带：没有电子占据的能带;允带：允许电子占据的能带;禁带：不允许电子占据--;价带导带禁带低温下低温下:硅晶体中的价带中所有的能级都被电子占据，即被填满，价带以下的能带被内层电子填满，而导带的能级是空的，所以不导电。价带导带禁带本征激发常温下被激发到共价键之外不导电弱导电性1）本征半导体4.N型半导体和P型半导体掺杂半导体（非本征半导体）半导体中人为地掺入少量杂质形成掺杂半导体。掺杂半导体分为施主能级和受主能级施主能级：释放电子，能级靠近导带低部，电子浓度高。受主能级：接受电子，能级靠近价带顶部，空穴浓度高。据此又分为N型半导体和P型半导体杂质成分与含量对半导体导电性能影响很大。在技术上通常用控制杂质含量（即掺杂）来控制半导体导电特性。为什么要掺杂?2）掺5族元素时------N型半导体处于共价键之外低温下价带导带禁带杂质能级EdEc价带导带禁带施主能级本征激发+杂质激发价带导带禁带杂质能级低温下常温下被激发至导带N型半导体①N型半导体由施主控制材料导电性;②N型半导体中主要载流子是电子,也有少量的空穴;电子:多数载流子(多子)空穴:少数载流子(少子)3）掺3族元素时-----P型半导体低温下B价带导带杂质能级价带导带杂质能级常温下B低温下受主能级价带导带杂质激发+本征激发P型半导体①P型半导体由受主控制材料导电性;②

主要载流子是空穴,也有少量的电子载流子;空穴:多数载流子(多子)电子:少数载流子(少子)1.2.2热平衡下的载流子浓度本征半导体中的载流子价带导带禁带本征激发开始时：激发>复合复合一段时间后：激发=复合（载流子浓度增大）（载流子浓度稳定）热平衡状态设由低温到高温的过程:热平衡时半导体中自由载流子浓度与两个参数有关：2、这些能态中每一个能态可能被电子占据的概率,在某温度下热平衡态，能量为E的能态被电子占据的概率由费米-狄拉克函数给出，即：1、在能带中能态（或能级）的分布。根据量子理论和泡利不相容原理，能态分布服从费米统计分布规律。f(E)：费米分布函数，能量E的概率分布函数，k：波耳兹曼常数，1.38×10-23J/K,T：绝对温度，EF：费米能级。1.2.3半导体中的非平衡载流子非平衡载流子---通过注入或光激发方式使载流了浓度超出热平衡时的浓度，这些超出的载流子通常称为非平衡载流子，或过剩载流子。1.半导体材料的光吸收效应1）本征吸收价带导带常温光照时价带导带常温无光照时Eg要发生光电导效应，必须满足：单位是μm2）杂质吸收N型半导体：价带导带低温无光照时Ed价带导带低温有光照时价带导带低温无光照时Ea工作时温度要低---防止热激发价带导带低温有光照时P型半导体：2.非平衡载流子浓度光照射半导体时：载流子的浓度增加停止光照射后：由于复合，载流子的浓度不断的减少，直到热平衡。复合方式有直接复合---导带中的电子直接回到价带填充空位间接复合---通过“缺陷、错位、杂质”等形成的复合中心复合价带导带价带导带电注入：通过体界面把载流子注入半导体，使热平衡受到破坏。光注入：价带中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。1.2.4载流子的扩散和漂移1.扩散------在某种作用下（如光照），使材料中的局部位置的光生载流子浓度高于其它地方