第1章-2 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識

1、第第 一一 章章光電檢測應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識光電檢測應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識第一章 光電檢測應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識輻射度學(xué)和光度學(xué)基本概念光電效應(yīng) 光電探測器的噪聲和特性下 頁返 回半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識基本定律第第 一一 章章光電檢測應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識光電檢測應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識本征半導(dǎo)體熱熱平平衡衡下下載載流流子子濃濃度度 第 3 節(jié) 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識非非平平衡衡下下載載流流子子濃濃度度載載流流子子的的擴擴散散與與漂漂移移N型半導(dǎo)體 摻雜半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體載流子能帶結(jié)構(gòu)能帶的形成能帶的形成 能帶理論晶體晶體第第 一一 章章光電檢測應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識光電檢測應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識1.2 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識1.電子的共有化

2、運動電子的共有化運動2.能帶的形成能帶的形成能級能級3s2p1.2.1 固體的能帶結(jié)構(gòu)固體的能帶結(jié)構(gòu)允帶允帶禁帶禁帶允帶允帶允帶允帶禁帶禁帶第第 一一 章章光電檢測應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識光電檢測應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識3.能帶的結(jié)構(gòu)能帶的結(jié)構(gòu)價價帶帶導(dǎo)導(dǎo)帶帶禁帶禁帶物質(zhì)的導(dǎo)電性：物質(zhì)的導(dǎo)電性：價價帶帶導(dǎo)導(dǎo)帶帶禁帶禁帶價帶中的空穴價帶中的空穴導(dǎo)帶中的電子導(dǎo)帶中的電子價帶價帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶內(nèi)層內(nèi)層能帶能帶禁帶禁帶禁帶禁帶內(nèi)層內(nèi)層能帶能帶禁帶禁帶滿帶：滿帶：被電子填滿的能帶被電子填滿的能帶; ;空帶：沒有空帶：沒有電子占據(jù)的能帶電子占據(jù)的能帶; ;允帶：允許允帶：允許電子占據(jù)的能帶電子占據(jù)的能帶; ;禁帶：不允許禁帶：

3、不允許電子占據(jù)電子占據(jù)-;-;第第 一一 章章光電檢測應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識光電檢測應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識價帶價帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶禁帶禁帶低低溫溫下下低溫下低溫下:硅晶體中的價帶中所有的硅晶體中的價帶中所有的能級都被電子占據(jù)，即被填滿，能級都被電子占據(jù)，即被填滿，價帶以下的能帶被內(nèi)層電子填滿，價帶以下的能帶被內(nèi)層電子填滿，而導(dǎo)帶的能級是空的，所以不導(dǎo)而導(dǎo)帶的能級是空的，所以不導(dǎo)電。電。價帶價帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶禁帶禁帶本征激發(fā)本征激發(fā)常常溫溫下下被激發(fā)到共價鍵之外被激發(fā)到共價鍵之外不不導(dǎo)導(dǎo)電電弱弱導(dǎo)導(dǎo)電電性性1）本征半導(dǎo)體）本征半導(dǎo)體4. N型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體第第 一一 章章光電檢測應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識光電

4、檢測應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識摻雜半導(dǎo)體（非本征半導(dǎo)體）半導(dǎo)體中人為地?fù)饺肷倭侩s質(zhì)形成摻雜半導(dǎo)體。摻雜半導(dǎo)體分為施主能級和受主能級施主能級：釋放電子，能級靠近導(dǎo)帶低部，電子濃度高。受主能級：接受電子，能級靠近價帶頂部，空穴濃度高。據(jù)此又分為N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體雜質(zhì)成分與含量對半導(dǎo)體導(dǎo)電性能影響很大。在技術(shù)上通常用控制雜質(zhì)含量（即摻雜）來控制半導(dǎo)體導(dǎo)電特性。為什么要摻雜?第第 一一 章章光電檢測應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識光電檢測應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識2）摻摻5族元素時族元素時-N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體處于共價鍵之外處于共價鍵之外低低溫溫下下價帶價帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶禁帶禁帶雜質(zhì)能級雜質(zhì)能級EdEc第第 一一 章章光電檢測應(yīng)用中的基礎(chǔ)知

5、識光電檢測應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識價帶價帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶禁帶禁帶施主施主能級能級本征激發(fā)本征激發(fā)+雜質(zhì)激發(fā)雜質(zhì)激發(fā)價帶價帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶禁帶禁帶雜質(zhì)能級雜質(zhì)能級低低溫溫下下常常溫溫下下被激發(fā)至導(dǎo)帶被激發(fā)至導(dǎo)帶第第 一一 章章光電檢測應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識光電檢測應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識N型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體由施主控制材料導(dǎo)電性; N型半導(dǎo)體中主要載流子是電子,也有少量的空穴;電子:多數(shù)載流子(多子)空穴:少數(shù)載流子(少子)第第 一一 章章光電檢測應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識光電檢測應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識3）摻）摻3族元素時族元素時-P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體低低溫溫下下B價帶價帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶雜質(zhì)能級雜質(zhì)能級第第 一一 章章光電檢測應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識光電檢測應(yīng)用

6、中的基礎(chǔ)知識價帶價帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶雜質(zhì)能級雜質(zhì)能級常常溫溫下下B低低溫溫下下受主受主能級能級價帶價帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶雜質(zhì)激發(fā)雜質(zhì)激發(fā)+本征激發(fā)本征激發(fā)第第 一一 章章光電檢測應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識光電檢測應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體由受主控制材料導(dǎo)電性; 主要載流子是空穴,也有少量的電子載流子;空穴:多數(shù)載流子(多子)電子:少數(shù)載流子(少子)第第 一一 章章光電檢測應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識光電檢測應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識1.2.2熱平衡下的載流子濃度熱平衡下的載流子濃度本征半導(dǎo)體中的載流子本征半導(dǎo)體中的載流子價帶價帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶禁帶禁帶本征激發(fā)本征激發(fā)開始時：激發(fā)開始時：激發(fā)復(fù)合復(fù)合復(fù)復(fù)合合一段時間后：激發(fā)一段時間后

7、：激發(fā)=復(fù)合復(fù)合（載流子濃度增大）（載流子濃度增大）（載流子濃度穩(wěn)定）（載流子濃度穩(wěn)定）熱平衡狀態(tài)熱平衡狀態(tài)設(shè)由低溫到高溫的過程設(shè)由低溫到高溫的過程:第第 一一 章章光電檢測應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識光電檢測應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識熱平衡時半導(dǎo)體中自由載流子濃度與兩個參數(shù)有關(guān)：2、這些能態(tài)中每一個能態(tài)可能被電子占據(jù)的概率,在某溫度下熱平衡態(tài)，能量為E的能態(tài)被電子占據(jù)的概率由費米-狄拉克函 數(shù)給出，即 ：1、在能帶中能態(tài)（或能級）的分布。根據(jù)量子理論和泡利不相容原理，能態(tài)分布服從費米統(tǒng)計分布規(guī)律。f(E)：費米分布函數(shù)，能量E的概率分布函數(shù)， k：波耳茲曼常數(shù)，1.3810-23J/K, T：絕對溫度， EF：費

8、米能級。KT/)EE(Fe)E(f11第第 一一 章章光電檢測應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識光電檢測應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識1.2.3 半導(dǎo)體中的非平衡載流子半導(dǎo)體中的非平衡載流子非平衡載流子非平衡載流子-通過注入或光激發(fā)方式使載流了濃度超出熱平衡時的濃度，這些超出的載流子通常稱為非平衡載流子非平衡載流子，或過過剩載流子剩載流子。1.半導(dǎo)體材料的光吸收效應(yīng)半導(dǎo)體材料的光吸收效應(yīng)1）本征吸收）本征吸收價帶價帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶常溫光照時常溫光照時價帶價帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶常溫?zé)o光照時常溫?zé)o光照時EggEh 要發(fā)生光電導(dǎo)效應(yīng)，必須要發(fā)生光電導(dǎo)效應(yīng)，必須滿足：滿足：g0Ehcg0E24. 1單位是單位是m第第 一一 章章光電檢測應(yīng)用中的基礎(chǔ)

9、知識光電檢測應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識2）雜質(zhì)吸收）雜質(zhì)吸收N型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：價帶價帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶低溫?zé)o光照時低溫?zé)o光照時Ed價帶價帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶低溫有光照時低溫有光照時價帶價帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶低溫?zé)o光照時低溫?zé)o光照時Ea工作時溫度要低工作時溫度要低-防止熱激發(fā)防止熱激發(fā)價帶價帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶低溫有光照時低溫有光照時P型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：第第 一一 章章光電檢測應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識光電檢測應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識2. 非平衡載流子濃度非平衡載流子濃度光照射半導(dǎo)體時：光照射半導(dǎo)體時： 載流子的濃度增加載流子的濃度增加停止光照射后：停止光照射后：由于復(fù)合，載流子的濃度不斷的減少，由于復(fù)合，載流子的濃度不斷的減少，直到熱平衡。直到熱平衡。

10、復(fù)合方式有復(fù)合方式有直接復(fù)合直接復(fù)合-導(dǎo)帶中的電子直接回到價導(dǎo)帶中的電子直接回到價帶填充空位帶填充空位間接復(fù)合間接復(fù)合-通過通過“缺陷、錯位、缺陷、錯位、雜質(zhì)雜質(zhì)”等形成的復(fù)合中心復(fù)合等形成的復(fù)合中心復(fù)合價帶價帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶價帶價帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶電注入電注入：通過體界面把載流子注入半導(dǎo)體，使熱平衡受到破壞。 光注入光注入：價帶中的電子吸收了光子能量從價帶躍遷到導(dǎo)帶，同時在價帶中留下等量的空穴。第第 一一 章章光電檢測應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識光電檢測應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識1.2.4 載流子的擴散和漂移載流子的擴散和漂移1.擴散擴散-在某種作用下（如光照），使材料中的局部位置的光生載在某種作用下（如光照），使材料中的局部位置的光生載流子濃度高于其它地方的載流了濃度，這時載流子就從濃度高流子濃度高于其它地方的載流了濃度，這時載流子就從濃度高的地方向濃度低的地方運動，這種現(xiàn)象稱為擴散的地方向濃度低的地方運動，這種現(xiàn)象稱為擴散dxdnqDJnnD擴散形成電流的大?。簲U散形成電流的大小：dxdpqDJppD2.飄移飄移-在電場做用