第一章光电检测技术基础.ppt

半导体对光的吸收 半导体光电器件的工作基础 1、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。 2、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-αx Ix：距离表面x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 §1-3?半导体基础知识 能带理论 电子共有化，能级扩展为能带示意图 a) 单个原子? b) N个原子 原子能带的表示方法 §1-3?半导体基础知识 能带理论 不同材料的能带表示 a) 绝缘体 b) 半导体 c) 金属 电子可以在金属中自由运动，所以导电性好，电阻率为10-6—10-3Ω·cm。 §1-3?半导体基础知识 能带理论 晶 体 ??? 1、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。 2、晶体中原子有序排列，非晶体中原子无序 排列。 3、晶体分为单晶与多晶： ??? 晶体实物图 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，而晶粒之间有无规则排列的晶粒界隔开。 §1-3?半导体基础知识 能带理论 晶体构造示意图 (a) 金刚石结构（Ge、Si晶体）? (b) 闪锌矿结构（GaAs晶体） §1-3?半导体基础知识 能带理论 本征半导体 1、结构完整、纯净的半导体称为本征半导体。例如纯净的硅称为本征硅。 2、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。 3、ni随温度升高而增加，随禁带宽度的增加而减小。 4、室温下硅的ni约为1010/cm3。 §1-3?半导体基础知识 能带理论 杂质半导体 1、半导体中人为地掺入少量杂质形成掺杂半导体。 2、杂质成分与含量对半导体导电性能影响很大。 3、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。 §1-3?半导体基础知识 能带理论 N型半导体 1、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。 2、在晶格中某个硅原子被磷原子所替代，五价原子用四个 价电子与周围的四价原子形成共价键，而多余一个电 子，此多余电子受原子束缚力要比共价键上电子所受束 缚力小得多，容易被五价原子释放，游离跃迁到导带上 形成自由电子。 3、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位于禁带中，较靠近材料的导带 底。ED与Ec间的能量差称为施主电离能。 4、 N型半导体由施主控制材料导电性。 §1-3?半导体基础知识 能带理论 P型半导体 1、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。 2、晶体中某个硅原子被硼原子所替代，硼原子的三个价电 子和周围的硅原子中四个价电子要组成共价键，形成八 个电子的稳定结构，尚缺一个电子。于是很容易从硅晶 体中获取一个电子形成稳定结构，使硼原子外层多了一 个电子变成负离子，而在硅晶体中出现空穴。 3、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，也位于禁带中。在价带顶Ev附近， EA与Ev间能量差称为受主电离能。 4、 P型半导体由受主控制材料导电性。 §1-3?半导体基础知识 能带理论 N型半导体与P型半导体的比较 电子浓度np≤空穴浓度pp 电子 空穴 受主杂质 P型 电子浓度nn≥空穴浓度pn 空穴 电子 施主杂质 N型 特性 少数载流子(少子) 多数载流子(多子) 所掺杂质 半导体 能带理论 N型半导体与P型半导体的比较 杂质硅的原子图象和能带图 a) N型半导体? b) P型半导体 §1-3?半导体基础知识 §1-3?半导体基础知识 能带理论 掺杂对半导体导电性能的影响的理论解释 ??? 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。 §1-3?半导体基础知识 能带理论 热平衡态下的载流子 非平衡态下的载流子 载流子