1.3半导体物理基础

1第一章光电技术及光电器件基础1.3半导体物理基础2有多少同学到图书馆的期刊室阅读过中文光电类期刊？有多少同学知道图书馆的期刊室有多少种外文光电类期刊？3第三节半导体物理基础一、半导体？二、半导体的能带和种类三、半导体的类型四、半导体的特性五、热平衡载流子六、非平衡载流子七、载流子的运动八、半导体的结九、半导体对光的吸收4一、半导体的概念导体：电阻率为10-6~10-3Ω·cm范围内的物质称为导体。例如，铜，银，铝，铁等绝缘体：电阻率大于1012Ω·cm的物质称为绝缘体。例如，塑料，陶瓷，橡皮，石英玻璃等半导体：电阻率介于二者之间的物质称为半导体。例如，硅、锗、硼、硫化镉等对于不同的材料，禁带宽度不同，导带中电子的数目也不同，从而有不同的导电性。例如，绝缘材料SiO2的Eg约为5.2eV，导带中电子极少，所以导电性不好，电阻率大于1012Ω·cm。半导体Si的Eg约为1.1eV，导带中有一定数目的电子，从而有一定的导电性，电阻率为10-3~1012Ω·cm。金属的导带与价带有一定程度的重合，Eg=0，价电子可以在金属中自由运动，所以导电性好。5二、半导体的能带和种类1、原子能级2、晶体能带61、原子能级能级（EnegyLevel）：在孤立原子中，原子核外的电子按照一定的壳层排列，每一壳层容纳一定数量的电子。每个壳层上的电子具有分立的能量值，也就是电子按能级分布。为简明起见，在表示能量高低的图上，用一条条高低不同的水平线表示电子的能级，此图称为电子能级图。72、晶体能带能带（EnegyBand）：晶体中大量的原子集合在一起，而且原子之间距离很近，以硅为例，每立方厘米的体积内有5×1022个原子，原子之间的最短距离为0.235nm。致使离原子核较远的壳层发生交叠，壳层交叠使电子不再局限于某个原子上，有可能转移到相邻原子的相似壳层上去，也可能从相邻原子运动到更远的原子壳层上去，这种现象称为电子的共有化。从而使本来处于同一能量状态的电子产生微小的能量差异，与此相对应的能级扩展为能带。89能带的特点禁带（ForbiddenBand）：允许被电子占据的能带称为允许带，允许带之间的范围是不允许电子占据的，此范围称为禁带。原子壳层中的内层允许带总是被电子先占满，然后再占据能量更高的外面一层的允许带。被电子占满的允许带称为满带，每一个能级上都没有电子的能带称为空带。价带（ValenceBand）：原子中最外层的电子称为价电子，与价电子能级相对应的能带称为价带。导带（ConductionBand）：价带以上能量最低的允许带称为导带。导带的底能级表示为Ec，价带的顶能级表示为Ev，Ec与Ev之间的能量间隔称为禁带Eg。10导带价带满带禁带禁带11绝缘体、半导体、导体绝缘体、半导体、导体的能带图12三、半导体的类型1、预备知识2、本征半导体（Ⅰ型半导体）3、杂质半导体A、N型半导体B、P型半导体C、N型半导体与P型半导体的比较D、掺杂对半导体导电性能的影响131、预备知识单晶与多晶载流子的概念14单晶与多晶现代固体电子与光电子器件大多由半导体材料制备，半导体材料大多为晶体（晶体中原子有序排列，非晶体中原子无序排列。）晶体分为单晶与多晶：单晶——在一块材料中，原子全部作有规则的周期排列。多晶——只在很小范围内原子作有规则的排列，形成小晶粒，而晶粒之间由无规则排列的晶粒界隔开。15晶体构造(a)金刚石结构（Ge、Si晶体）(b)闪锌矿结构（GaAs晶体）16载流子的概念载流子：导体或半导体的导电作用是通过带电粒子的运动（形成电流）来实现的，这种电流的载体称为载流子。例如，导体中的载流子是自由电子，而半导体中的载流子则是带负电的电子和带正电的空穴。172、本征半导体（Ⅰ型半导体）结构完整、完全纯净的半导体称为本征半导体。例如纯净的硅称为本征硅。本征硅中，自由电子和空穴都是由于共价键破裂而产生的，所以电子浓度n等于空穴浓度p，并称之为本征载流子浓度ni，ni随温度升高而增加，随禁带宽度的增加而减小，室温下硅的ni约为1010/cm3。183、杂质半导体半导体中人为地掺入少量杂质形成杂质半导体，杂质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。A、N型半导体在四价原子硅（Si）晶体中掺入五价原子，例如磷（P）或砷（As），形成N型半导体。易释放电子的原子称为施主，施主束缚电子的能量状态称为施主能级ED。ED与Ec间的能量差称为施主电离能。N型半导体由施主材料控制导电性。电导率的高低与掺入施主杂质的浓度成正比。杂质硅的原子图像和能带图B、P型半导体在四价原子硅（Si）晶体中掺入三价原子，例如硼（B），形成P型半导体。容易获取电子的原子称为受主。受主获取电子的能量状态称为受主能级EAEA与Ev间能量差称为受主电离能。P型半导体由受主材料控制导电性。C、N型半导体与P型半导体的比较半导体所掺杂质多数载流子（多子）少数载流子（少子）特性N型施主杂质电子空穴电子浓度n≥空穴浓度pP型受主杂质空穴电子电子浓度n≤空穴浓度p22掺杂对半导体导电性能的影响半导体中不同的掺杂或缺陷都能在禁带中产生附加的能级，价带中的电子若先跃迁到这些能级上然后再跃迁到导带中去，要比电子直接从价带跃迁到导带容易得多。因此虽然只有少量杂质，却会明显地改变导带中的电子和价带中的空穴数目，从而显著地影响半导体的电导率。23四、半导体的特性负温度系数导电特性受掺杂影响显著导电能力受热、光、电、磁影响显著常见半导体元素硅、锗、硒化合物砷化镓、铝砷化镓、硫化镉氧化物氧化亚铜有机半导体玻璃半导体稀土半导体24五、热平衡载流子激发：半导体中价带的电子受到热和光的作用跃迁到导带形成导带中自由电子的过程称为激发。复合：半导体中有存在电子由高能态向低能态跃迁，即导带的电子与价带空穴结合而成为中性的过程称为复合。在一定温度下，若没有其他外界作用，激发和复合两种过程形成平衡，称为热平衡状态，此时载流子称热平衡载流子。其浓度即为某一稳定值。25平衡载流子a重掺杂P型b轻掺杂P型c本征型d轻掺杂N型e重掺杂N型26六、非平衡载流子半导体在外界条件有变化（如受光照、外电场作用、温度变化）时，载流子浓度要随之发生变化，此时系统的状态称为非平衡态。相对于热平衡状态时，增加的载流子称为非平衡载流子。电注入：通过半导体界面把载流子注入半导体，使热平衡受到破坏。光注入：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，同时在价带中留下等量的空穴。1、产生与复合使非平衡载流子浓度增加的运动称为产生，单位时间、单位体积内增加的电子空穴对数目称为产生率G。使非平衡载流子浓度减少的运动称为复合，单位时间、单位体积内减少的电子空穴对数目称为复合率R。2、复合与非平衡载流子寿命τ复合是指电子与空穴相遇时，成对消失，以热或发光方式释放出多余的能量。非平衡载流子寿命τ：非平衡载流子从产生到复合之前的平均存在时间。它表征复合的强弱，τ小表示复合快，τ大表示复合慢。它决定了光电器件的时间特性，τ的大小与材料的微观复合结构、掺杂、缺陷有关。29七、载流子的运动电子在晶体中的运动与气体分子的热运动类似。当没有外加电场时，电子作无规则运动，其平均定向速度为零。一定温度下半导体中电子和空穴的热运动是不能引起载流子净位移，从而也就没有电流。但漂移和扩散可使载流子产生净位移，从而形成电流。30漂移运动载流子在外电场作用下，电子向正电极方向运动，空穴向负电极方向运动称为载流子的漂移运动。31扩散运动载流子因浓度不均匀而发生的从浓度高的点向浓度低的点运动。右图为光注入，非平衡载流子扩散示意图。光在受照表面很薄一层内即被吸收掉。受光部分将产生非平衡载流子，其浓度随离开表面距离x的增大而减小，因此非平衡载流子就要沿x方向从表面向体内扩散，使自己在晶格中重新达到均匀分布。光注入，非平衡载流子扩散示意图32八、半导体的结1、同质结（PN结）2、异质结331、PN结平衡状态下的PN结PN结的I-V特性PN结的击穿34平衡状态下的PN结如何获得PN结：在P型材料的规定区域掺入施主杂质，使它变为N型材料，接触处就形成PN结。而并不是把两块不同类型的材料简单的拼接起来。内建电场：PN结形成过程中，空穴浓度在P型区高，电子浓度在N型区高，P区空穴向N区扩散，N区电子向P区扩散，扩散的结果在结与P区界面形成电子积累、在结与N区界面出现空穴积累，形成由N区指向P区的内建电场。内建电场将造成载流子的漂移当扩散电流等于漂移电流，此时PN结处于平衡状态。由于空间电荷区内缺少载流子，所以又称PN结为耗尽层或高阻区。35结区pniduois-+ouRRdPN结的内建电场PN结的I-V特性PN结电阻随偏置电压的变化曲线36PN结的I-V特性零偏状态正向偏置的I-V特性反向偏置的I-V特性37零偏状态零偏状态：热平衡下，多数载流子（N侧的电子和P侧的空穴）的扩散作用与少数载流子（N侧的空穴和P侧的电子）由于内电场的漂移作用相互抵消，没有净电流通过PN结。用电压表量不出PN结两端有电压，称为零偏状态。38正向偏置I-V特性P区接正端，N区接负端，称为正向偏置。结区pniduois-+ouRRd式中：K是波尔兹曼常数，T是绝对温度。39反向偏置I-V特性P区接负端，N区接正端，称为反向偏置。结区pniduois-+ouRRd40PN结的击穿击穿电压：在反向偏置下，流过PN结的电流非常小，并趋向于饱和。但是，当电压增加到某一阈值时，反向电流增加很快，这种现象是电击穿引起的，相应的阈值电压称为击穿电压齐纳击穿（隧道效应）雪崩击穿41齐纳击穿（隧道效应）势垒宽度很窄的重掺杂中，若反向电压足够高时，N区的导带和P区的价带可以互相重合起来，结区电场可以使P区一部分被电子占据的价带能级达到甚至超过N区一部分空着的导带能级。在P区价带能级中的电子，能在能量不变的条件下穿过禁区，进入N区导带中，这种现象称为隧道效应穿透几率主要取决于隧道宽度d。电场越强，d越小，穿透几率越大。42雪崩击穿结区宽度较宽的结中。当反向电压相当高，造成很高的电场强度时，通过空间电荷区的电子和空穴可以在电场作用下获得很大的能量，当他们与晶格碰撞时就足以把晶格原子电离，形成新的电子空穴对，一个电子变为两个电子和一个空穴。这一过程将在结内不断重复，结果就会激发出几十乃至几百个电子和空穴。同理，空穴在结区运动时也会发生这样的过程。这一过程称为雪崩效应在电压小于的反向偏置下，由于雪崩效应而得到的总电流与反向饱和电流之比定义为雪崩倍增因子432、异质结由两种不同的半导体材料接触而组成的结例如，在半导体基底上沉积一层金属形成的“金属－半导体”接触时，在接触区附近也会形成空间电荷区和势垒，这种势垒称为肖特基结或肖特基势垒。改变禁带宽度、能带结构、载流子有效质量、迁移率Ge-GaAs、ZnS-Pt、ZnSeAl-Au、Ge-Si、GaAlAs-GaAs等44九、半导体对光的吸收半导体材料吸收光子能量转换成电能是光电器件的工作基础。光垂直入射到半导体表面时，进入到半导体内的光强遵照吸收定律：Ix=I0(1-r)e-αxIx：距离表面x远处的光强I0：入射光强r：材料表面的反射率α：材料吸收系数，与材料、入射光波长等因素有关光垂直入射于半导体表面时发生反射与吸收45九、半导体对光的吸收本征吸收非本征吸收46本征吸收本征吸收:半导体吸收光子的能量使价带中的电子激发到导带，在价带中留下空穴，产生等量的电子与空穴，这种吸收过程叫本征吸收。产生本征吸收的条件：入射光子的能量（hν）至少要等于材料的禁带宽度Eg。即hν≥Eg从而有ν0≥Eg/hλ0≤hc/Eg=1.24μm·eV/Egh：普朗克常数c：光速ν0：材料的频率阈值λ0：材料的波长阈值47本征吸收材料温度/KEg/eVλ/μm材料温度/KEg/eVλ/μmSe3001.