半導(dǎo)體光電子學(xué)復(fù)習(xí)

1、本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體不含雜質(zhì)且無晶格缺陷的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體也稱為電子型半導(dǎo)體,其自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度的雜質(zhì)半導(dǎo)體。 在純凈的硅晶體中摻入五價元素（如磷、砷、銻等），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半導(dǎo)體。在N型半導(dǎo)體中，自由電子為多數(shù)載流子，空穴為少數(shù)載流子，主要靠自由電子導(dǎo)電。自由電子主要由雜質(zhì)原子提供，空穴由熱激發(fā)形成。摻入的雜質(zhì)越多，多數(shù)載流子（自由電子）的濃度就越高，導(dǎo)電性能就越強(qiáng)。PN結(jié)把P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起，P區(qū)（P型半導(dǎo)體）中空穴濃度大，N區(qū)中電子濃度大。因此在兩者的結(jié)合面會發(fā)生電子與空穴的擴(kuò)散。空穴和電子會相互越過交界面進(jìn)行復(fù)合，這樣就

2、在N區(qū)靠近交接面處帶正電荷，在P區(qū)靠近交接面處帶負(fù)電荷，即在P區(qū)和N區(qū)交界面的薄層區(qū)內(nèi)一邊帶正電荷，一邊帶負(fù)電荷，這個薄層稱之為PN結(jié)。 異質(zhì)結(jié)兩種不同的半導(dǎo)體相接觸所形成的界面區(qū)域。不同的半導(dǎo)體各具不同的帶隙能量。簡并半導(dǎo)體當(dāng)雜質(zhì)濃度超過一定數(shù)量后，載流子開始簡并化的現(xiàn)象稱為重?fù)诫s（施主雜質(zhì)或是受主雜質(zhì)的濃度很大），即費米能級進(jìn)入了價帶或?qū)У陌雽?dǎo)體。 帶隙導(dǎo)帶與價帶間的的能量差，或者叫禁帶寬度。費米分布熱平衡狀態(tài)下，電子在允許的量子態(tài)上如何分布的一個統(tǒng)計分布函數(shù)1( )1 exp()fBf EEEk T同色異譜光源的色溫和相關(guān)色溫光源的色溫和相關(guān)色溫當(dāng)某一光源的顏色與某一溫度下黑體的顏色相

3、同時，當(dāng)某一光源的顏色與某一溫度下黑體的顏色相同時，黑體的溫度黑體的溫度T Tc c即為這種光源的顏色溫度，簡稱色溫，即為這種光源的顏色溫度，簡稱色溫，單位為開爾文，符號單位為開爾文，符號K K。當(dāng)某一種光源的顏色與在某一溫度下的黑體顏色最當(dāng)某一種光源的顏色與在某一溫度下的黑體顏色最接近時接近時, , 黑體的溫度即為這種光源的相關(guān)色溫。黑體的溫度即為這種光源的相關(guān)色溫。三原色說由楊和黑爾姆茲提出,也稱楊一黑理論。他們認(rèn)為任何顏色都能由三種波長的純光混合而產(chǎn)生。人具有三種不同形態(tài)的錐體細(xì)胞,它們分別對紅、綠、藍(lán)三種原色最敏感。以不同比例混合這三種原色,可以產(chǎn)生各種不同顏色。外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)是

4、指物質(zhì)吸收光子并激發(fā)出自由電子的行為。當(dāng)金屬表面在特定的光輻照作用下，金屬會吸收光子并發(fā)射電子，發(fā)射出來的電子叫做光電子。光的波長需小于某一臨界值（相等于光的頻率高于某一臨界值）時方能發(fā)射電子，其臨界值即極限頻率和極限波長。臨界值取決于金屬材料，而發(fā)射電子的能量取決于光的波長而非光的強(qiáng)度.kEhW施主雜質(zhì) 施主能級當(dāng)V族元素P在Si中成為替位式雜質(zhì)且電離時，能夠釋放電子而產(chǎn)生導(dǎo)電電子并形成正電中心，稱它們?yōu)槭┲麟s質(zhì)或n型雜質(zhì).成鍵后，P 原子多余 1 個價電子.(1)比成鍵電子自由得多，ED EV(2)與導(dǎo)帶電子也有差別（受到 P+ 庫侖吸引作用）施主雜質(zhì) 施主能級(續(xù)前)受主雜質(zhì) 受主能級當(dāng)

5、III族元素B在Si中成為替位式雜質(zhì)且電離時，能夠接受電子而產(chǎn)生導(dǎo)電空穴并形成負(fù)電中心，稱它們?yōu)槭苤麟s質(zhì)或p型雜質(zhì)受主雜質(zhì) 受主能級(續(xù)前)光電二級管的量子效率產(chǎn)生和被收集的自由電子空穴對數(shù)目入射光子數(shù)目ph0I/(h )eP雪崩倍增因子在雪崩區(qū)中載子的倍增的倍數(shù)與此區(qū)中撞擊電離幾率有關(guān)，也就是與此區(qū)的電場有關(guān)，亦即與反向偏壓Vr有關(guān)。APD的整體或有效的雪崩倍增因子(avalanche multiplication factor) M定義為 是一次的沒有經(jīng)過倍增的光電流，這個電流是在沒有倍增之下測量的，比如在小的反向偏壓下測量。ph0phIMI倍增后的光電流一次的沒有經(jīng)過倍增的光電流ph0I

6、視敏函數(shù)在等能量分布的光譜中，雖然各種波長的光輻射功率相同，但是人眼感到最暗的是紅色，其次是藍(lán)色與紫色，而最亮的則是黃綠色。由此可見，人眼對不同波長的光具有不同的視覺敏感程度。顯然，人眼的視敏度是波長的函數(shù)，我們通常將這一關(guān)系稱為視敏函數(shù)。狀態(tài)密度晶體中每單位體積，單位能量的電子能態(tài)（電子波函數(shù)）的數(shù)目。替位式雜質(zhì)和間隙式雜質(zhì)A間隙式雜質(zhì)原子：原子半徑比較小B替位式雜質(zhì)原子：原子的大小與被取代的晶體原子大小比較相近本征半導(dǎo)體的特點：本征半導(dǎo)體的特點：1.1.在在0K0K時時, ,呈絕緣體特征；呈絕緣體特征；2.2.在在TKTK時，受熱激發(fā)（本征激發(fā)）；產(chǎn)生電子空時，受熱激發(fā)（本征激發(fā)）；產(chǎn)生電

7、子空穴對；穴對；3.3.在在TKTK時，有兩種載流子可以參與導(dǎo)電，即自由時，有兩種載流子可以參與導(dǎo)電，即自由電子和空穴。電子和空穴。舉例說明半導(dǎo)體材料的分類按化學(xué)成分可分為元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體兩大類。鍺和硅是最常用的元素半導(dǎo)體；化合物半導(dǎo)體包括- 族化合物（砷化鎵、磷化鎵等）、-族化合物( 硫化鎘、硫化鋅等)、氧化物(錳、鉻、鐵、銅的氧化物),以及由-族化合物和-族化合物組成的固溶體（鎵鋁砷、鎵砷磷等）。除上述晶態(tài)半導(dǎo)體外，還有非晶態(tài)的玻璃半導(dǎo)體、有機(jī)半導(dǎo)體等。簡要闡述半導(dǎo)體中電子擴(kuò)散與漂移的區(qū)別. 擴(kuò)散運動是由載流子的濃度差引起的，濃度高處的載流子總是要向濃度低處擴(kuò)散運動。漂移：假設(shè)給半

8、導(dǎo)體一個電場，此場產(chǎn)生力作用在自由電子及空穴而產(chǎn)生漂移。電子和空穴在電場E的作用下，要發(fā)生漂移運動。電子逆場強(qiáng)方向運動，空穴則順場強(qiáng)方向而運動。擴(kuò)散(diffusion)：由濃度改變(濃度梯度)所引起漂移(Drift)：由電場引起簡要闡述光電效應(yīng)(包括外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)).光照射到某些物質(zhì)上，引起物質(zhì)的電性質(zhì)發(fā)生變化，也就是光能量轉(zhuǎn)換成電能。這類光致電變的現(xiàn)象被人們統(tǒng)稱為光電效應(yīng)（Photoelectric effect）。光電效應(yīng)分為光電子發(fā)射、光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。前一種現(xiàn)象發(fā)生在物體表面，又稱外光電效應(yīng)。后兩種現(xiàn)象發(fā)生在物體內(nèi)部，稱為內(nèi)光電效應(yīng)。對照下圖簡要絕緣體、半導(dǎo)體、導(dǎo)體之

9、間的區(qū)別?？諑Э諑M帶滿帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶價帶價帶禁帶禁帶禁帶禁帶絕緣體絕緣體半導(dǎo)體半導(dǎo)體導(dǎo)體導(dǎo)體絕緣體：價電子與鄰近原子形成強(qiáng)鍵，很難打破，沒有電子參與導(dǎo)電。能帶圖上表現(xiàn)為大的禁帶寬度，價帶內(nèi)的能級被填滿，導(dǎo)帶空著，熱能或外場不能把價帶頂?shù)碾娮蛹ぐl(fā)到導(dǎo)帶。Eg5eV半導(dǎo)體：鄰近原子形成的鍵結(jié)合強(qiáng)度適中，熱振動會使一些鍵破裂，產(chǎn)生電子和空穴。能帶圖上表現(xiàn)為禁帶寬度較小，價帶內(nèi)的能級被填滿，一部分電子能夠從價帶躍遷到導(dǎo)帶，在價帶中留下空穴。外加電場，導(dǎo)帶電子和價帶空穴都將獲得能量，參與導(dǎo)電。Eg1eV金屬(導(dǎo)體)：導(dǎo)帶或者被部分填充，或者與價帶重疊。很容易產(chǎn)生電流。指出下圖能帶圖(a)-(b所代表的三種

10、半導(dǎo)體類型，并闡述各自特點。EcEcEcCBEFiEFnEFpVBEvEvEv(a)(b)(c)闡述光電倍增管的工作原理。光電倍增管的工作原理建立在光電發(fā)射和二次發(fā)射的基礎(chǔ)上，獲得大的光電流。光陰極在光子作用下發(fā)射電子，這些電子被外電場(或磁場)加速，聚焦于第一次極。這些沖擊次極的電子能使次極釋放更多的電子，它們再被聚焦在第二次極。這樣，一般經(jīng)十次以上倍增,放大倍數(shù)可達(dá)到幾萬倍到幾百萬倍。最后,在高電位的陽極收集到放大了的光電流。簡要闡述能帶理論的價帶、導(dǎo)帶、禁帶、帶隙的定義。能帶中電子按能量從低到高的順序依次占據(jù)能級。與最外層價電子能級對應(yīng)的能帶稱為價帶。價帶上方是未被電子占據(jù)的空能帶。價電

11、子到達(dá)該空帶后將能參與導(dǎo)電，因此該空能帶又稱為導(dǎo)帶。價帶和導(dǎo)帶之間不存在能級的能量范圍叫做禁帶。 禁帶的能量寬度便稱作帶隙。結(jié)合下圖闡述太陽能電池(光伏元件)的基本工作原理。n型半導(dǎo)體很?。╬型通常是n型的100倍以上）摻雜比較高魚骨狀電極，增透膜摻雜濃度高，相應(yīng)的空間電荷區(qū)（耗盡層）的寬度小波長0.50.7m 中波長 耗盡區(qū)； 波長0.4m附近1m范圍吸掉；0.91.1m長波長的光在耗盡區(qū)產(chǎn)生的電子空穴對，在內(nèi)建電場的作用下進(jìn)行分離；而在n區(qū)和p區(qū)要依據(jù)擴(kuò)散作用。長波長光子在p區(qū)被吸收，Le少數(shù)載流子 穿透深度短波長光子在n區(qū)被吸收，Lh少數(shù)載流子可以認(rèn)為Lh+W+Le這段寬度對太陽能電池有

12、貢獻(xiàn)，電子的穿透深度比空穴的要長，LeLh所以選擇p區(qū)比你n區(qū)寬很多(100多倍)結(jié)合右圖闡述PIN光電二極管的基本工作原理。pin半導(dǎo)體元件的理想化結(jié)構(gòu)如圖所示為p+-本征-n+的結(jié)構(gòu)；本征層的濃度小于p+和n+區(qū)域，而且寬度大于p+和n+區(qū)，典型值為550m，以特殊應(yīng)用而定。在理想化pin光二極管，為方便起見，我們可以使用i-Si當(dāng)作真正的本征半導(dǎo)體。當(dāng)pin結(jié)構(gòu)形成時，空穴和電子分別由p+和n+區(qū)往i-Si層擴(kuò)散，在i-Si層的空穴與電子復(fù)合而消失，這會在p+區(qū)留下薄的帶負(fù)電荷的受主離子層，在n+區(qū)留下薄的帶正電荷的施主離子層。在i-Si層有均勻的內(nèi)建電場，電場方向是由正的施主離子指向負(fù)

13、的受主離子，與pn接面光二極管比較，pn接面耗盡層的內(nèi)電場是不均勻的。在沒有外加偏壓之下，內(nèi)建電場E0會阻止多數(shù)載流子進(jìn)一步擴(kuò)散到i-Si層而達(dá)成平衡。LED （Light Emitting Diode ），是一種固態(tài)的半導(dǎo)體，是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件器件,它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。LED的心臟是一個半導(dǎo)的心臟是一個半導(dǎo)體的晶片，晶片的一端附在一個支架上，整個晶片被環(huán)體的晶片，晶片的一端附在一個支架上，整個晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。半導(dǎo)體晶片由兩部分組成，一部分是氧樹脂封裝起來。半導(dǎo)體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體，空穴占主導(dǎo)地位，另一端是，空穴占主導(dǎo)地位，另一

14、端是N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體，主，主要是電子。這兩種半導(dǎo)體相連就形成一個要是電子。這兩種半導(dǎo)體相連就形成一個“P-N結(jié)結(jié)”。當(dāng)電流通過導(dǎo)線作用于這個晶片的時候，電子就會被推當(dāng)電流通過導(dǎo)線作用于這個晶片的時候，電子就會被推向向P區(qū)，在區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后就會以光子的形區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后就會以光子的形式發(fā)出能量，這就是式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光的原理。發(fā)光的原理。簡述LED(發(fā)光二極管) 與LD(激光二極管)的區(qū)別。(1)在工作原理上的差別：LED是利用注入有源區(qū)的載流子自發(fā)輻射復(fù)合發(fā)光，而LD是受激輻射復(fù)合發(fā)光。 (2)在結(jié)構(gòu)上的差別：LD有光學(xué)諧振腔，使產(chǎn)生的光子在腔內(nèi)振蕩放大，

15、LED沒有諧振腔。 (3)效率上的差別 ：LED沒有臨界值特征，光譜密度比LD小幾個數(shù)量級，LED發(fā)匯出光功率小，發(fā)散角大。簡述目前產(chǎn)生半導(dǎo)體白光光源主要有哪幾種種方式。三基色白光三基色白光光源光源紫外紫外LED激激發(fā)白光光源發(fā)白光光源藍(lán)光藍(lán)光LED激發(fā)激發(fā)白光光源白光光源基于藍(lán)光LED，通過熒光粉激發(fā)一個黃光，組合成為藍(lán)光通過紅、綠、藍(lán)三種LED組合成為白光基于紫外光LED，通過三基色粉，組合成為白光簡要pn光電二極管的原理。 pn光電二極管有一個p+n型的結(jié)面,也就是p型的受主濃度Na遠(yuǎn)大于n型施主濃度Nd。照光面有一個環(huán)狀電極的窗口，它允許光子進(jìn)入這個元件，也有一個降低反射光的增透膜(a

16、ntireflection coating)。p+面一般很薄(低于1微米) 。光電二極管是在反向電壓作用下工作的，沒有光照時，反向電流極其微弱，叫暗電流；有光照時，反向電流迅速增大到幾十微安，稱為光電流。光的強(qiáng)度越大，反向電流也越大。光的變化引起光電二極管電流變化，這就可以把光信號轉(zhuǎn)換成電信號，成為光電傳感器件。電極電極耗散區(qū)增透膜hg(a)(b)(c)簡要LD(激光二極管)中的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的實現(xiàn)途徑。在PN結(jié)上施加正向偏置，則有電流流過PN結(jié)，即電子由N區(qū)注入到P區(qū)，而空穴由P區(qū)注入到N區(qū)。提高偏置電壓，電流增大到某一定值時，就會使有源區(qū)材料的導(dǎo)帶中能級上電子占有的幾率大于價帶中相對應(yīng)能級上電

17、子占有的幾率，從而發(fā)生粒子數(shù)分布反轉(zhuǎn)闡述CCD中電荷儲存的原理。構(gòu)成CCD的基本單元是MOS（金屬-氧化物-半導(dǎo)體）結(jié)構(gòu) 如圖I（a）所示，在柵極G施加正偏壓UO之前，P型半導(dǎo)體中空穴（多數(shù)載流子）分布是均勻的。當(dāng)柵極施加正偏壓UG（此時UG小于P型半導(dǎo)體的閾值電壓Uth）后，空穴被排斥，產(chǎn)生耗盡區(qū)，如圖I（b）所示。偏壓繼續(xù)增加，耗盡區(qū)將進(jìn)一步向半導(dǎo)體內(nèi)延伸。當(dāng)UGUth時,半導(dǎo)體與絕緣體截面上的電勢(常稱為表面勢,用S 表示)變得如此之高,以至于將半導(dǎo)體內(nèi)的電子(少數(shù)載流子)吸引到表面,形成一層極薄的(約10-2m )但電荷濃度很高的反型層,如圖I(c).彩色相機(jī)(CCD)色彩記錄的機(jī)制1

18、. 棱鏡3CCD彩色相機(jī)。利用棱鏡，將光線折射成三部分。在R，G，B三束光線的方向上分別帖上三片感光片，各自感光。2.利用濾光片讓相臨四個像素分別只能接收R，G，G，B光。每個像素輸出的信息只是相應(yīng)色光的灰度值。之 后，通過軟件合成為彩色。這樣，每個像素的彩色信息其實 是不獨立的，依賴于相臨像素的信息。彩色相機(jī)(CCD)色彩記錄的機(jī)制（續(xù)前）3.使用RGB3層芯片重疊放置，由于不同能量的光子對芯片物質(zhì)的穿透率差異，可以通過計算在每一層上感光的電荷數(shù)目來獲知最初入射的原始光子情況。從而知道每一個點的RGB值。彩色相機(jī)(CCD)色彩記錄的機(jī)制（續(xù)前）光線闡述像增強(qiáng)型CCD(Intensified

19、CCD)的組成、耦合方式。像增強(qiáng)器像增強(qiáng)器CCD攝像頭攝像頭 中繼透鏡中繼透鏡物物 鏡鏡像增強(qiáng)器像增強(qiáng)器 CCD攝像頭攝像頭 光纖光纖(錐錐)面板面板物物 鏡鏡 一硅制pin光二極管，主動的光吸收面積直徑為0.4mm，當(dāng)照射一波長為700nm(紅光)和強(qiáng)度0.1mWcm-2的光線時，產(chǎn)生了56.6nA的光電流，問在700nm時，光二級管的響應(yīng)率和量子效率為多少？(已知普朗克常數(shù)h=6.62610-34Js ,電子電量e=1.610-19C). 或者0.126W 響應(yīng)率為量子效率為23270(0.02) (10)1.26 10 WPAIcmWcm97-10/(5.56 10)/(1.26 10)

20、0.45AWphRIPAW3481-1199(6.62 10Js)(3 10 ms )(0.45AW )0.8080%(1.6 10C)(700 10 m)hcRe在沒有倍增(M=1)之下，一個硅制APD對于830nm有70%的量子效率，這個APD被偏壓在倍增因素為100，假如入射光功率為10nW,光電流為多少？ (已知普朗克常數(shù)h=6.62610-34Js ,電子電量e=1.610-19C)在M=1,以量子效率表示的響應(yīng)率為假如Iph0是一次光電流（沒有經(jīng)過倍增），P0是入射光，那么由定義R= Iph0/ P0,所以Iph0=R P0=（0.75 A W-1）（2010-9W）=1.510-8A在APD的光電流Iph是Iph0乘以M，Iph=MIph0=（12）（1.510-8A）=1.8710-7 或者180nA在M=12的響應(yīng)率為R=Iph/P0=MR=(12) (0.75)=9.0 A W-11991348(1.6 10)(1.550 10 )(0.6)0.75AW(6.626 10)(3 10 )eRhc半導(dǎo)體材料GaAs 的帶隙能量在溫度300K為1.42eV,已知其帶隙能量隨時間的變化率dEg/dT=-4.5*10-4 eVK-1，求當(dāng)溫度在300K附近變化10K，用GaAs材料制作的LED的輸出光波長的變化量。(已知