光电子技术1

半导体基础知识半导体材料•半导体材料大多数是晶体材料。•单晶材料中原子全部都有规则的周期性排列的晶体。•多晶只在很小范围内原子有规则的排列，形成小晶粒，而晶粒之间有无规则排列的晶粒界隔开。电子的能级分布•能级（EnergyLevel）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确定的分立能量值，也就是电子按能级分布。在电子能级图上用高低不同的水平线表示电子的能级。电子能量电子只能在一些分离开的、特定的轨道上绕核运动。电子的不同内能值形成不同的能级。电子的共有化运动•电子的共有化运动：晶体中大量的原子集合在一起，（Si：0.235nm,5×1022个/cm2），使离原子核较远的壳层发生交叠，这种现象称为电子的共有化。能带的形成电子的共有化使处于同一能量状态的电子产生微小的能量差异，能级扩展为能带。原子中电子轨道允带允带允带禁带禁带原子能级电子能量原子能级分裂成能带示意图禁带、价带与导带•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。•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。vcgEEE本征半导体能带图•共价键上电子所受束缚力较小，它会因为受到热激发而跃过禁带，去占据价带上面的能带，电子从价带跃迁到导带后，导带中的电子称为自由电子，价带中电子跃迁到导带后，价带中出现电子的空缺称为自由空穴。导电的自由电子和自由空穴统称为载流子。n型半导体能带图•在四价原子锗(Ge)或硅(Si)组成的晶体中掺入五价原子砷（As）或磷（P），在晶格中某个硅原子被砷原子所替代。砷用四个价电子与周围的硅原子组成共价键，尚有一个电子多余，这个多余电子受原子的束缚力要比共价键上电子所受束缚力小得多，它很容易被砷原子释放，跃迁到导带而形成自由电子。DEd称为施主电离能p型半导体能带图•在四价硅晶体中掺入三价原子硼（B），晶体中某硅原子被硼原子所替代，硼原子的三个价电子和周围硅原子和四个价电子要组成共价健，形成八个电子的稳定结构尚缺一个电子，于是它很容易从硅晶体中获取一个电子形成稳定结构。这样就使硼变成负离子而在硅晶体中出现自由空穴。DEa称为受主电离能各类半导体能带图重掺杂P型轻掺杂P型本征型轻掺杂N型重掺杂N型施主原子的多余电子易跃迁进入导带，使导带中的自由电子浓度高于本征型受主原子易于从价带中获得电子，价带中的自由空穴浓度高于本征型ECEVEF施主能带受主能带热平衡态下的载流子•若没有外界作用，半导体中的自由电子和空穴是由热激发产生的。电子从热振动的晶体中获得能量，从价带跃迁到导带，形成自由电子，同时在价带中出现自由空穴。在热激发同时，电子也从导带跃迁到价带并向晶格放出能量，这就是载流子的复合。在一定温度下，激发和复合两种过程形成平衡。•在一定温度下激发和复合两种过程形成平衡，称为热平衡状态。载流子浓度•半导体的电学性质与材料的载流子浓度有关。•载流子浓度就是指单位体积内的载流子数。•热平衡时半导体中自由载流子浓度取决于：①能带中能级（或能态）的分布；②每一个能级可能被电子占据的概率。能级密度•能级密度导带和价带内单位体积、单位能量能级数目，电子能量E处的能级密度用N(E)表示。•导带内的能级密度•价带内的能级密度为自由电子的有效质量；为自由空穴的有效质量；h为普朗克常数。2/12/3*3)()2(4)(ceEEmhEN2/12/3*3)()2(4)(EEmhENvp*em*pm能级被电子占据的概率•在热平衡条件下，半导体中能级被电子的占据率分布服从费米统计分布规律，能量为E的能级被电子占据的概率为Ef为费米能级；T为绝对温度；k为玻耳兹曼常数k＝1.38×10-22J/K。kTEEEffnexp11)(费米能级•T=0(K)时,若E＜Ef，则fn(E)=1；E＞Ef，则fn(E)=0电子全部占据Ef以下的能级，而Ef以上能级是空的。•T＞0(K)时若E=Ef，则fn(E)=0.5。通常把电子占据率为0.5的能级定义为费米能级。若E＜Ef，则fn(E)＞0.5。说明比费米能级低的能级被电子占据的概率大于0.5。若E＞Ef，则fn(E)＜0.5。说明比费米能级高的能级被电子占据的概率小于0.5。比Ef能量高得愈多的能级，电子的占据概率愈小。价带被空穴占据的概率•在价带中，如电子的占据概率为1（被电子占满），则空穴占据的概率为0（不存在空穴）。•空穴的占据概率也就是不被电子占据的概率，则空穴的占据概率为：kTEEEfEffnpexp11)(1)(导带中电子浓度•导带中能级为E的电子浓度等于在E处的能级密度和可被电子占据的概率的乘积。•导带中总的电子浓度将n(E)和fn(E)代入就有•式中，为导带有效能级密度。ccEnEdEEfENdEEnn)()()()()()(EfENEnnkTEENnfccexp2/32*22hkTmNec价带中空穴浓度•价带中能级E的空穴浓度为整个价带中的空穴浓度p为式中，称为价带有效能级密度。vEvfvpkTEENdEEfENpexp)()(2/32*22hkTmNpv)()()(EfENEppN(E)、fn(E)、n(E)分布曲线平衡载流子的有关结论•在每种半导体中平衡载流子的电子数和空穴数乘积与费米能级无关；•禁带宽度Eg愈小，n和p的乘积愈大，导电性愈好；•半导体中的载流子浓度随温度的增加而增大。kTENNkTEEkTEENNpngvcvffcvcexpexpexp本征半导体中的费米能级•自由电子浓度等于自由空穴浓度。ni=pi•本征半导体的费米能级式中Ei为中间能级，对于硅、锗/=0.5〜1；对于砷化镓/=7.4，第二项很小，可以忽略。因此本征半导体的费米能级Efi位于禁带中线处，大体上与Ei重叠。kTEENkTEENvfivficcexpexp**ln43ln21)(21epicvvcfimmkTENNkTEEE*pm*em*pm*em本征半导体中的载流子浓度•本征半导体载流子浓度为kTENNpngvcii2exp)(2/1室温下硅、锗、砷化镓的本征载流子浓度*em*pm参量GeSiGaAsEg(eV)0.671.121.350.56m1.08m0.068m0.37m0.59m0.50mni(1/cm3)2.1×10131.3×10101.1×107m=9.11×10-31kgn型半导体载流子浓度•施主原子的多余价电子易跃迁进入导带，导带中的自由电子浓度高于本征半导体的电子浓度。•室温下施主原子基本上都电离，导带中的电子浓度式中Nd为n型半导体中掺入的施主原子浓度。•空穴浓度•N型半导体的费米能级didNnNndiNnp2idiidfifnnNkTEnNkTEElnlnp型半导体载流子浓度•受主原子易从价带中获得电子，价带中的自由空穴浓度将高于本征半导体中的自由空穴浓度。•室温下价带中的空穴浓度pNa为受主原子浓度•电子浓度•p型半导体的费米能级iapNpaiNnn2iaifpnNkTEEln载流子的浓度计算公式本征型掺杂N型掺杂P型aiaiaNnnNpNp/2)2/exp()(2/1kTENNpngvciidididNnpNnNn/2**ln43ln21)(21epicvvcfimmkTENNkTEEEidiidfifnnNkTEnNkTEElnlniaifpnNkTEEln本征和掺杂半导体费米能级光吸收效应之一：本征吸收•本征吸收:价带中的电子激发到导带，产生等量的电子与空穴。入射光子的能量（hν）hν≥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ECEV电子能量Eg)mμ(24.10ggEEhc半导体的禁带宽度和长波限半导体T(K)Eg(eV)0(mm)CdS2952.40.52CdSe2951.80.62CdTe2951.500.83GaP2952.240.56GaAs2951.350.92Si2951.121.1Ge2950.671.8PbS2950.422.9PbSe2950.235.4InAs2950.393.2InSb770.235.4Pb0.2Sn0.3Te770.112Hg0.8Cd0.2Te770.112光吸收效应之二：杂质吸收•杂质吸收：杂质能级上的电子（或空穴）吸收光子能量从杂质能级跃迁到导带（空穴跃迁到价带）。•施主释放束缚的电子到导带，受主释放束缚空穴到价带，它们所需能量称为电离能DEd和DEa。•杂质吸收的长波限)mμ(24.1'0ddEEhcDD)mμ(24.1'0aaEEhcDD掺杂半导体的电离能和长波限'0半导体施主或受主DEd(eV)DEa(eV)(mm)Ge:Li施主0.0095133Ge:Cu受主0.04130Ge:Au施主0.05325Ge:Zn受主0.03338Ge:Cd受主0.0621Ge:B受主0.0104120Ge:Hg受主0.0914Si:B受主0.043929Si:Al受主0.068518Si:Ga受主0.072317Si:In受主0.1558Si:P施主0.04529Si:As施主0.053723非平衡态下的载流子1.非平衡载流子：外界条件变化引起载流子浓度对于热平衡状态时浓度的增量。2.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。3.产生与复合：使非平衡载流子浓度增加称产生，使非平衡载流子浓度减少称复合。三种复合机制•直接复合：导带中电子直接跳回到价带，与价带中的空穴复合。•间接复合：通过禁带中杂质及缺陷间接复合，可分①电子俘获；②空穴俘获；③电子发射；④空穴发射。•表面复合：材料表面在研磨、抛光时会出现许多缺陷与损伤，从而产生大量复合中心。发生于半导体表面的复合过程称为表面复合。光生载流子的寿命•光照后载流子浓度的增量为Dp(t)和Dn(t)，若光照突然停止，光生载流子浓度会因复合而逐渐减小，最终达到平衡。•光生载流子停留在自由状态的时间是不等的，光生载流子的平均生存时间称为光生载流子的寿命t。载流子的扩散•扩散材料的局部位置受到光照时，材料吸收光子产生光生载流子，在这局部位置的载流子浓度就比平均浓度要高。电子将从浓度高的点向浓度低的点运动，这种现象称为扩散。•扩散电流密度正比于光生载流子的浓度梯度JnD、JpD为电子扩散电流密度矢量和空穴扩散电流密度矢量；Dn、Dp是电子的扩散系数和空穴的扩散系数。dxdpqDdxdnqDppDnnDJJ载流子的漂移•漂移：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漂移。在弱电场作用下，半导体中载流子漂移运动服从欧姆定律。•电流密度矢量J正比于电场矢量EJx=σExσ材料导电率(Ω-1cm-1）•Jx与载流子浓度及载流子沿电场漂移速度成正比。n型Jx=qnυxq电子电量υx漂移平均速度υx=μn·Exμn电子迁移率(cm•s-1/Vcm-1）p型μp电子迁移率nnqmppqm