L14-光电材料复习

2020/1/41光电材料课程复习提纲2020/1/42一、半导体中的载流子1本征半导体和杂质半导体2电子和空穴的统计分布3费米能级与载流子浓度的计算4简并半导体5电导率和迁移率霍尔效应6非平衡载流子二、p-n结1p-n结及其能带图2p-n结电流电压特性3p-n结电容4p-n结击穿2020/1/43三、固体表面及界面接触现象1表面态2表面电场效应3金属与半导体的接触4MIS结构的电容-电压特性四、固体的光学性质与固体中的光电现象1半导体的光吸收2半导体的光电效应3半导体发光五、半导体光电材料1硅基和化合物光电材料六、光电材料的应用1光电显示材料2太阳能电池试题类型一、填空(30分，每空1分)二、名词解释（每题2分，共20分）三、问答题（任选3题，每题10分，共30分）四、计算与求证题（每题10分，共20分）2020/1/44§1半导体中的载流子本征半导体—化学成分纯净的半导体。载流子:半导体中的电子和空穴都是荷电粒子，并可在半导体内自由运动，统称为载流子。因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。本征激发：在常温下，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。2020/1/45§1半导体中的载流子杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。p型半导体：掺入受主杂质后空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。n型半导体：掺入施主杂质后自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。2020/1/46§1半导体中的载流子掺杂施主浓度远大于本征半导体中载流子浓度时，自由电子浓度会远大于空穴浓度。这时自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。P型半导体中空穴是多子，电子是少子。2020/1/47§1半导体中的载流子费米分布函数()/1()1FBEEkTfEe在热平衡条件下，能量为E的状态被电子占据的几率为：费米能级：是标志系统中电子填充量子态高低的一个参量，在绝对零度下，它是电子所能填充的最高量子态。称为费米分布函数()fE2020/1/48§1半导体中的载流子()/CFBEEkTCnNe其中：3/2*222nBCmkTNhNC被称为导带有效能级密度()/FVBEEkTVpNe其中：3/2*222pBVmkTNhNV被称为价带有效能级密度电中性方程：ADnNpN对于非简并的杂质半导体，总是成立的，称为质量作用定律2innp2020/1/49§1半导体中的载流子杂质补偿：由于受主的存在使导带电子数减少，这种作用称为杂质补偿深能级杂质：电离能比较大的杂质2020/1/410§1半导体中的载流子简并半导体费米能级EF进入导带或价带的半导体。FCBEEkT①非简并-2即，EC–EF2kBT②弱简并-20即，0EC–EF2kBT③简并0即，EC–EF02020/1/411§1半导体中的载流子电导率、迁移率和霍尔效应ppJqpuEnnJnqE其中n为电子迁移率其中p为空穴迁移率()pnpnJJJqpnE()pnqpn电导率σdppE迁移率p2020/1/412§1半导体中的载流子pqpnqn()inpqn对于两种载流子的浓度相差悬殊而迁移率差别不大的杂质半导体来说，其电导率取决于多数载流子。①n型半导体np②p型半导体pn③本征半导体n=p=ni2020/1/413§1半导体中的载流子2020/1/414§1半导体中的载流子低温范围内，载流子以杂质激发为主，σ因杂质浓度而不同。高温范围内，载流子以本征激发为主，σ趋于一致。中间温度范围内，杂质全部电离，晶格散射随温度加强，使迁移率下降，因此σ随温度的升高反而下降。2020/1/415§1半导体中的载流子霍尔效应把通有电流的半导体放在均匀磁场中，磁场方向和电场垂直，则在垂直于电场和磁场的方向将产生一个横向电场，这种现象称为霍尔效应。H1qpRH1qnR2020/1/416§1半导体中的载流子霍尔电压：HHRIBVtI:电流强度t:样品厚度2020/1/417§1半导体中的载流子总霍尔系数：本征半导体：霍尔系数为负n型半导体：霍尔系数为负p型半导体：低温下霍尔系数为正高温下霍尔系数变为负2221()heHhepnRepn2020/1/418§1半导体中的载流子非平衡状态半导体在外界条件作用下，处于与热平衡态相偏离的状态，称为非平衡状态。非平衡状态下载流子浓度与热平衡状态下载流子浓度的差值，称为非平衡载流子。0nnn0ppp式中，n和p为非平衡状态下的载流子浓度，△n和△p为非平衡载流子浓度。2020/1/419§1半导体中的载流子pn①n型半导体平衡态时的多数载流子为电子n０非平衡多数载流子为△n，非平衡少数载流子为△p②p型半导体平衡态时的多数载流子为空穴p０非平衡多数载流子为△p，非平衡少数载流子为△n通常说的非平衡载流子都是指非平衡少数载流子由于电子和空穴同时产生成对出现所以2020/1/420§1半导体中的载流子扩散扩散产生原因：载流子浓度分布不均匀用适当波长的光均匀照射半无限的n型半导体，其表面载流子的浓度比体内多。dxxpd)(浓度梯度dxxpdDSpp)(式中，Dp为空穴扩散系数，Sp为空穴扩散流密度，称为扩散长度ppDL2020/1/421§1半导体中的载流子扩散长度Lp反映非平衡载流子在遭遇复合前平均能扩散多远，其物理意义是非平衡载流子浓度降至1/e所需要的距离。爱因斯坦关系式//BDkTq其中kB为玻耳兹曼常数，T为绝对温度2020/1/422§1半导体中的载流子电子和空穴在扩散运动和漂移运动中都伴随电流的出现。空穴电流：电子电流：总电流：ppPpdpJqSqpEqDdxnnnndnJqSqnEqDdx()()pnpnnpdndpJJJqpnEqDDdxdx2020/1/423§2p-n结突变结:在界面处杂质浓度由NA（p型）突变为ND（n型）,具有这种杂质分布的p-n结称为突变结。如图5-3单边突变结：实际的突变结，两边杂质浓度相差很多，通常称这种结为单边突变结。突变结的杂质分布：xxj，N(x)=NA；xxj，N(x)=ND2020/1/424§2p-n结扩散法制备工艺：如图5-4缓变结:在这种结中，杂质浓度从p区到n区是逐渐变化的。2020/1/425§2p-n结缓变结的杂质分布：如图5-5xxj，NA(x)ND(x)；xxj，ND(x)NA(x)线性缓变结：在扩散结中，若杂质分布可用x=xj的切线近似表示，则称为线性缓变结。2020/1/426§2p-n结综上所述，p-n结按杂质分布可分为突变结和线性缓变结。合金结和高表面浓度的浅扩散结（p+-n结或n+-p结），一般认为是突变结。而低表面浓度的深扩散结，一般认为是线性缓变结。内建电场：p-n结中空间电荷区内由电离施主和受主形成的由n区指向p区的电场。2020/1/427§2p-n结p-n结的能带图当两块半导体结合形成p-n结时，电子从费米能级高的n区流向费米能级低的p区，空穴从费米能级低的p区流向费米能级高的n区。因此，EFn不断下降，EFp不断上升，直到EFn=EFp为止。这时，p-n结中有统一的费米能级EF，p-n结处于平衡状态。如图5-72020/1/428§2p-n结2020/1/429§2p-n结上式表明，VD和p-n结两边的掺杂浓度、温度、材料的禁带宽度有关。在一定温度下，突变结两边的掺杂浓度越高，接触电势差VD越大；禁带宽度越大，ni越小，VD越大。020nlnlFnFpnBpBDADikEETNNVqnnkTqqn0nDnN20/piAnnN因为，则2020/1/430§2p-n结即，npFFEEqV由图5-13可见，npFFEE2020/1/431§2p-n结（b）外加反向偏压由图5-14可见，pnFFEE2020/1/432§2p-n结当增加正偏压时，势垒降得更低，增大了流入p区的电子流和流入n区的空穴流，这种由于外加正向偏压的作用使非平衡载流子进入半导体的过程称为非平衡载流子的电注入。非平衡载流子：由于外界激发的作用，系统中高于热平衡数值的“过剩”载流子。2020/1/433§2p-n结理想p-n结模型及电流电压方程1.理想p-n结必须满足以下条件：（a）小注入条件：注入的少数载流子浓度比平衡多数载流子浓度小得多。（b）突变耗尽层条件：外加电压和接触电势差都降落在耗尽层上，耗尽层中的电荷由电离施主和电离受主的电荷组成，耗尽层外的半导体是电中性的。因此，注入的少数载流子在p区和n区是纯扩散运动。（c）通过耗尽层的电子和空穴电流为常量，不考虑耗尽层中载流子的产生及复合作用。（d）玻耳兹曼边界条件：在耗尽层两端，载流子分布满足玻耳兹曼统计分布。2020/1/434§2p-n结()()()()npppnppnJJxJxJxJx00nppnsnpqDnqDpJLL令则exp1sBqVJJkT上式为理想p-n结模型的电流电压方程，又称为肖克莱方程。理想p-n结模型的电流电压方程式：2020/1/435§2p-n结exp1sBqVJJkT从p-n结模型的电流电压方程可以看出：（a）p-n结具有单向导电性在正向偏压下，正向电流密度随正向偏压呈指数增加；在反向偏压下，反向电流密度为常数，与外加电压无关，故称为-Js为反向饱和电流密度。p-n结在正向偏压下具有单向导通性，在反向偏压下具有整流特性。2020/1/436§2p-n结p–n结上外加电压的变化，引起了电子和空穴在势垒区的“存入”和“取出”作用，导致势垒区的空间电荷数量随外加电压而变化，这和一个电容器的充放电作用相似。这种p–n结的电容效应称为势垒电容，以CT表示。2020/1/437§2p-n结雪崩击穿：在强电场的作用下，p-n结内载流子获得加速后具有很大的动能后与晶格原子发生碰撞，产生大量电子－空穴对使反向电流急剧加大的现象。隧道击穿：在强电场作用下，由隧道效应，使大量电子从价带穿过禁带而进入到导带所引起的一种击穿现象。热电击穿：由于热不稳定性引起的p-n结击穿，称为热电击穿。p-n结的击穿2020/1/438§2p-n结当外加电压增加时，n区扩散区内积累的非平衡空穴和与它保持电中性的电子相应增加。同样，p区扩散区内积累的非平衡电子和与它保持电中性的空穴也相应增加。这种由于扩散区的电荷数量随外加电压的变化所产生的电容效应，称为p–n结的扩散电容，用符号CD表示。2020/1/43939§3固体表面及界面接触现象表面态：周期性势场因晶格的不完整性（杂质原子或晶格缺陷）的存在而受到破坏时，会在禁带中出现附加能级，所以这些附加的电子能态被称为表面态。理想表面：在无限晶体中插进一个平面，然后将其分成两部分，这个分界面叫理想表面。2020/1/44040§3固体表面及界面接触现象由于半导体载流子浓度是有限的，要积累一定面电荷就要占相当厚的一层，通常需要几百以至上千个原子间距，称这一带电的半导体表面层为空间电荷区。在空间电荷区内存在着电势差，称这种半导体几何表面与体内之间的电势差为半导体的表面势，用符号Vs表示。2020/1/44141§3固体表面及界面接触现象半导体表面空间电荷区多数载流子势能陡起的情形称为表面势垒。而半导体表面（x=0）处与内部（x=d)处的势能之差称为表面势垒高度，势垒高度用符号qVD表示。显然，表面势垒高度SDqVqV2020/1/44242§3固体表面及界面接触现象p型半导体5种表面层状态1.多