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第 一 章 光电检测应用中的基础知识 第一章 光电检测应用中的基础知识 辐射度学和光度学基本概念 光电效应 光电探测器的噪声和特性 下 页 返 回 半导体基础知识 基本定律 本征半导体 热平衡下载流子浓度 第 3 节 半导体基础知识 非平衡下载流子浓度 载流子的扩散与漂移 N型半导体 掺杂半导体 P型半导体 载流子 能带结构 能带的形成 能带理论 晶体 1.2 半导体的基础知识 1.电子的共有化运动 2.能带的形成 能级 3s 2p 1.2.1 固体的能带结构 允带 禁带 允带 允带 禁带 3.能带的结构 价带 导带 禁带 物质的导电性： 价带 导带 禁带 价带中的空穴 导带中的电子 价带 导带 内层能带 禁带 禁带 内层能带 禁带 满带：被电子填满的能带; 空带：没有电子占据的能带; 允带：允许电子占据的能带; 禁带：不允许电子占据--; 价带 导带 禁带 低温下 低温下:硅晶体中的价带中所有的能级都被电子占据，即被填满，价带以下的能带被内层电子填满，而导带的能级是空的，所以不导电。 价带 导带 禁带 本征激发 常温下 被激发到共价键之外 不导电 弱导电性 1）本征半导体 4. N型半导体和P型半导体 掺杂半导体（非本征半导体） 半导体中人为地掺入少量杂质形成掺杂半导体。 掺杂半导体分为施主能级和受主能级 施主能级：释放电子，能级靠近导带低部，电子浓度高。 受主能级：接受电子，能级靠近价带顶部，空穴浓度高。 据此又分为N型半导体和P型半导体 杂质成分与含量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。 为什么要掺杂? 2）掺5族元素时------N型半导体 处于共价键之外 低温下 价带 导带 禁带 杂质能级Ed Ec 价带 导带 禁带 施主能级 本征激发+杂质激发 价带 导带 禁带 杂质能级 低温下 常温下 被激发至导带 N型半导体 ①N型半导体由施主控制材料导电性; ②N型半导体中主要载流子是电子,也有少量的空穴; 电子:多数载流子(多子) 空穴:少数载流子(少子) 3）掺3族元素时-----P型半导体 低温下 B 价带 导带 杂质能级 价带 导带 杂质能级 常温下 B 低温下 受主能级 价带 导带 杂质激发+本征激发 P型半导体 ①P型半导体由受主控制材料导电性; ② 主要载流子是空穴,也有少量的电子载流子; 空穴:多数载流子(多子) 电子:少数载流子(少子) 1.2.2热平衡下的载流子浓度 本征半导体中的载流子 价带 导带 禁带 本征激发 开始时：激发复合 复合 一段时间后：激发=复合 （载流子浓度增大） （载流子浓度稳定） 热平衡状态 设由低温到高温的过程: 热平衡时半导体中自由载流子浓度与两个参数有关： 2、这些能态中每一个能态可能被电子占据的概率,在某温度下热平衡态，能量为E的能态被电子占据的概率由费米-狄拉克函 数给出，即 ： 1、在能带中能态（或能级）的分布。根据量子理论和泡利不相容原理，能态分布服从费米统计分布规律。 f(E)：费米分布函数，能量E的概率分布函数， k：波耳兹曼常数，1.38×10-23J/K, T：绝对温度， EF：费米能级。 1.2.3 半导体中的非平衡载流子 非平衡载流子---通过注入或光激发方式使载流了浓度超出热平衡时的浓度，这些超出的载流子通常称为非平衡载流子，或过剩载流子。 1.半导体材料的光吸收效应 1）本征吸收 价带 导带 常温光照时 价带 导带 常温无光照时 Eg 要发生光电导效应，必须满足： 单位是μm 2）杂质吸收 N型半导体： 价带 导带 低温无光照时 Ed 价带 导带 低温有光照时 价带 导带 低温无光照时 Ea 工作时温度要低---防止热激发 价带 导带 低温有光照时 P型半导体： 2. 非平衡载流子浓度 光照射半导体时： 载流子的浓度增加 停止光照射后： 由于复合，载流子的浓度不断的减少，直到热平衡。 复合方式有 直接复合---导带中的电子直接回到价带填充空位 间接复合---通过“缺陷、错位、杂质”等形成的复合中心复合 价带 导带 价带 导带 电注入：通过体界面把载流子注入半导体，使热平衡受到破坏。 光注入：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。