第2章半导体基础知识II.10.10

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1、半导体对光的吸收 物质对光吸收的一般规律物质对光吸收的一般规律 光波入射到物质表面上，用透射法测定光通量的衰减时，发现通过路程dx的光通量变化d与入射的光通量和路程dx的乘积成正比，即 式中，称为吸收系数。如图1-8所示，利用初始条件x=0时，=0，解这个微分方程，可以找到通过x路程的光通量为 可见，当光在物质中传播时，透过的能量衰减到原来能量的e-1时所透过的路程的倒数等于该物质的吸收系数，即 另外，根据电动力学理论，平面电磁波在物质中在物质中传播时，其电矢量和磁矢量都按指数规律 exp(-xc-1)衰减。乘积的实数部分应是辐射通量随传播路径x的变化关系。即 式中，称为消光系数消光系数。由此

2、可以得出 半导体的消光系数消光系数与入射光的波长无与入射光的波长无关关，表明它对愈短波长的光吸收愈强对愈短波长的光吸收愈强。（1-29）（1-28）当不考虑反射损失时，吸收的光通量应为当不考虑反射损失时，吸收的光通量应为 半导体对光的吸收半导体对光的吸收 在不考虑热激发和杂质的作用时，半导体中的电子基本上处于价带中，导带中的电子很少。当光入射到半导体表面时，原子外层价电子吸收足够的光子能量，越过禁带，进入导带，成为可以自由运动的自由电子。同时，在价带中留下一个自由空穴，产生电子-空穴对。如图1-9所示，半导体价带电子吸收光子能量跃迁入导带，产生电子空穴对的现象称为本征吸收本征吸收。显然，发生本

3、征吸收的条件条件是光子能量必须大于半导体的禁带宽度Eg，才能使价带EV上的电子吸收足够的能量跃入到导带底能级EC之上，即 由此，可以得到发生本征吸收的光波长波限光波长波限（1-30）（1-31）只有波长短于波长短于的入射辐射才能使器件产生本征吸收，改变本征半导体的导电特性。2.2.杂质吸收杂质吸收 N型半导体中未电离的杂质原子（施主原子）吸收光子能量hv。若hv大于等于施主电离能ED，杂质原子的外层电子将从杂质能级（施主能级）跃入导带，成为自由电子。同样，P型半导体中，价带上的电子吸收了能量hv大于EA（受主电离能）的光子后，价电子跃入受主能级，价带上留下空穴。相当于受主能级上的空穴吸收光子能

4、量跃入价带。这两种杂质半导体吸收足够能量的光子，产生电离的过程称为杂质吸收。显然，杂质吸收的长波限（1-32）（1-32）由于EgED或EA，因此，杂质吸收的长波长总要长于本征吸收的长波长（杂质吸收的波长杂质吸收的波长阈值阈值多在红外区或远红外区多在红外区或远红外区）。杂质吸收会改改变半导体的导电特性，也会引起光电效应。变半导体的导电特性，也会引起光电效应。3.激子吸收激子吸收 当入射到本征半导体上的光子能量hv小于Eg，或入射到杂质半导体上的光子能量hv小于杂质电离能（ED或EA）时，电子不产生能带间的不产生能带间的跃迁跃迁成为自由载流子，仍受原来束缚电荷的约束受原来束缚电荷的约束而处于受激

5、状态处于受激状态。这种处于受激状态的电子称为处于受激状态的电子称为激子激子。吸收光子能量产生激子的现象称为激子吸收。显然，激子吸收不会改变半导体的导电特性不会改变半导体的导电特性。4.4.自由载流子吸收自由载流子吸收 对于一般半导体材料，当入射光子的频率不够高时，不足以引起电子产生能带间的跃迁或形成激子时，仍然存在着吸收，而且其强度随波长增大而增强(表现为红外吸收表现为红外吸收)。这是由自由载流子在同一同一能带内的能级间的跃迁能带内的能级间的跃迁所引起的，称为自由载流子吸收。自由载流子吸收不会改变半导体的导电特性不会改变半导体的导电特性。5.5.晶格吸收晶格吸收 晶晶格格原原子子对远远红红外外

6、谱谱区区的光子能量的吸收直接转变为晶格振动动能的增加，在宏观上表现为物体温度升高，引起物质的热敏效应。以上五种吸收中，只有本征吸收和杂质吸收能够直接产生非平衡载流子，引起光电效应引起光电效应。其他吸收都程度不同地把辐射能转换为热能，使器件温度升高，使热激发载流子运动的速度加快，而不会改变半导体的导电特性。半导体对光的吸收半导体对光的吸收主要是本征吸收主要是本征吸收。对于硅材料，。对于硅材料，本征吸收的吸收系数比非本征吸收的吸收系本征吸收的吸收系数比非本征吸收的吸收系数要大几十倍到几万倍数要大几十倍到几万倍，一般照明下只考虑本征吸，一般照明下只考虑本征吸收，可认为收，可认为硅对波长大于硅对波长大

7、于1.15m的可见光透明（室温下，杂的可见光透明（室温下，杂质已全部电离）。质已全部电离）。载流子的产生与复合载流子的产生与复合 过剩载流子过剩载流子 半导体的平衡态条件并不总能成立，如果半导体的平衡态条件并不总能成立，如果某些外界某些外界因素因素作用于平衡态半导体上，比如，用光子能量作用于平衡态半导体上，比如，用光子能量hEg的光的光照射照射n型半导体型半导体，这时平衡态条件被破坏，这时平衡态条件被破坏，样品就处于偏离平衡态的状态，称作样品就处于偏离平衡态的状态，称作非平衡态非平衡态。1、非平衡态、非平衡态14载流子的产生载流子的产生l价带中的电子跃迁到导带后会产生一个准自由电子价带中的电子

8、跃迁到导带后会产生一个准自由电子和一个空穴，这个过程称为和一个空穴，这个过程称为载流子的产生过程载流子的产生过程。l电子需要获取足够大的能量电子需要获取足够大的能量 （由（由热激发、光照射热激发、光照射或其它外界因素）或其它外界因素）l产生率产生率 G （cm-3s-1）lG与温度、光照等因素有关与温度、光照等因素有关l许许多多热热敏敏、光光敏敏器器件件的的就就是是基基于于此此工工作作原原理理。载流子数目增加载流子数目增加载流子数目增加载流子数目增加15载流子的复合载流子的复合l每一个被激发到导带的电子经过一段时间后都每一个被激发到导带的电子经过一段时间后都会会重新回到价带的空量子态上重新回到

9、价带的空量子态上，并因此导致一，并因此导致一对准自由电子和空穴的消失，这个过程称为对准自由电子和空穴的消失，这个过程称为载载流子的复合过程流子的复合过程。l复复合合将将以以热热、辐辐射射光光子子（LD LD LEDLED）等等方方式释放能量式释放能量l l复合率复合率复合率复合率 R R （cm-3s-1）R R 电子浓度电子浓度 空穴浓度空穴浓度 l复合需要复合需要 1 1个空穴个空穴 +1+1个准自由电子个准自由电子l大多数发光器件大多数发光器件发光的基于此原理发光的基于此原理。载流子数目减少载流子数目减少载流子数目减少载流子数目减少非平衡载流子的产生非平衡载流子的产生 1光注入光注入 用

10、波长比较短的光 照射到半导体 光照npnopo光照产生非平衡载流子2电电注注入入(通通过过半半导导体体界界面面把把载载流流子子注注入入半半导导体体，使热平衡受到破坏使热平衡受到破坏)光照前半导体中电子和空光照前半导体中电子和空穴浓度分别是穴浓度分别是n0和和p0，并且，并且n0p0。光照后的非平衡态半导体中光照后的非平衡态半导体中电子浓度电子浓度n=n0+n，空穴浓，空穴浓度度p=p0+p，并且，并且 n=p。比平衡态多出来的这部分比平衡态多出来的这部分载流子载流子 n和和 p就称为就称为非平衡非平衡载流子载流子。n型半导体中称型半导体中称n为为非平衡多子非平衡多子，p为为非平衡非平衡少子。少

11、子。载流子的产生与复合载流子的产生与复合 过剩载流子过剩载流子2、非平衡载流子的产生：、非平衡载流子的产生：一般来说：一般来说：n型半导体中：型半导体中：n n0，p n0。p型半导体中：型半导体中：n p0，p p0。载流子的产生与复合载流子的产生与复合 过剩载流子过剩载流子n小注入小注入：过剩载流子浓度远小于平衡态时的：过剩载流子浓度远小于平衡态时的多子浓度多子浓度n大注入：过剩载流子浓度接近或大于平衡时多子的浓度大注入：过剩载流子浓度接近或大于平衡时多子的浓度例：例：1 cm的的n型硅中，型硅中，n0 5.5 1015cm-3,p0 3.1 104cm-3.注入非子注入非子 n=p=10

12、10cm-3 则则 n p0。非平衡少子浓度非平衡少子浓度平衡少子浓度平衡少子浓度即使小注入，即使小注入，实际上，非平衡少子起重要作用。实际上，非平衡少子起重要作用。热平衡状态下，导带中的热平衡状态下，导带中的电子可能会落入价带中，从而电子可能会落入价带中，从而带来过剩电子带来过剩电子-空穴的空穴的复合过复合过程。程。也可以说半导体由也可以说半导体由非平衡非平衡态恢复到平衡态的过程态恢复到平衡态的过程，也就，也就是非平衡载流子逐步消失的过是非平衡载流子逐步消失的过程，称为程，称为非平衡载流子的复合。非平衡载流子的复合。载流子的产生与复合载流子的产生与复合 过剩载流子过剩载流子3、非平衡载流子的

13、复合：、非平衡载流子的复合：4、过剩少子的寿命、过剩少子的寿命 光照停止后非平衡载流子光照停止后非平衡载流子生存一定时间生存一定时间然后消失，然后消失，所以过剩少子浓度是一个与时间有关的量。把所以过剩少子浓度是一个与时间有关的量。把撤除光撤除光照后照后非平衡载流子的平均生存时间非平衡载流子的平均生存时间称为非平衡载流子称为非平衡载流子的寿命。的寿命。由于由于非平衡少子的影响占主导作用非平衡少子的影响占主导作用，故非平衡载流，故非平衡载流子寿命称为少子寿命。子寿命称为少子寿命。为描述非平衡载流子的复合消失速度，为描述非平衡载流子的复合消失速度，定义单位时定义单位时间单位体积内净复合消失的电子间单

14、位体积内净复合消失的电子-空穴对数为非平衡载空穴对数为非平衡载流子的流子的复合率复合率。非平衡载流子的寿命非平衡载流子的寿命非子的平均寿命非子的平均寿命 假设t=0时，停止光照 t=t时，非子浓度为p(t)t=t+t时，非子浓度为p(t+t)在t时间间隔中，非子的减少量：p(t)p(t+t)单位时间、单位体积中非子的减少为：当t0时，t时刻单位时间单位体积被复合掉复合掉的非子数的非子数，为：N N型半导体型半导体非平衡载流子的寿命非平衡载流子的寿命 考虑考虑小注入条件下小注入条件下，若，若n型半导体在型半导体在t=0时刻非平衡时刻非平衡载流子浓度为载流子浓度为(p)0，并在此时突然停止光照，并

15、在此时突然停止光照,过剩少子过剩少子浓度如何变化？浓度如何变化？p(t)将因为复合而随时间变化，也就是将因为复合而随时间变化，也就是非平衡载流非平衡载流子浓度随时间的变化率子浓度随时间的变化率-d p(t)/dt等于非平衡载流子的等于非平衡载流子的复合率复合率 p/，即，即上式的解为上式的解为 表明光照停止后非平衡载流子浓度随时间按表明光照停止后非平衡载流子浓度随时间按指数规律衰减指数规律衰减。非平衡载流子的寿命非平衡载流子的寿命说明：说明：寿命寿命的另一个含义是非平衡载流子的另一个含义是非平衡载流子衰减至起始值的衰减至起始值的1/e倍所经历的时间。倍所经历的时间。的大小反映了外界激励因素撤除

16、后非平衡载流子衰的大小反映了外界激励因素撤除后非平衡载流子衰减速度的不同，减速度的不同，寿命越短衰退越快寿命越短衰退越快。不同材料或同一种材料在不同条件下，其寿命不同材料或同一种材料在不同条件下，其寿命可以可以在很大范围内变化。在很大范围内变化。25l半导体中半导体中依靠什么物理机制传导电流依靠什么物理机制传导电流？l电子和空穴在电子和空穴在电场中电场中的的运动规律运动规律？l当电子或空穴存在当电子或空穴存在浓度差浓度差时的运动规律？时的运动规律？载流子的输运载流子的输运 输运：输运：在半导体中，在半导体中，电子和空穴的流动电子和空穴的流动(定向定向)将产生电将产生电流流，把载流子的这种运动过

17、程称为输运。把载流子的这种运动过程称为输运。输运机制有两种：输运机制有两种：漂移运动漂移运动和和扩散运动扩散运动。载流子的扩散运动载流子的扩散运动n扩散是因为无规则热运动而引起的粒子扩散是因为无规则热运动而引起的粒子从浓度高处向浓度低处的有从浓度高处向浓度低处的有规则的输运，规则的输运，扩散运动扩散运动起源于粒子浓度分布的不均匀起源于粒子浓度分布的不均匀。n均匀掺杂的均匀掺杂的n型半导体中，因为不存在浓度梯度，也就不产生扩散型半导体中，因为不存在浓度梯度，也就不产生扩散运动，其载流子分布也是均匀的。运动，其载流子分布也是均匀的。n如果以如果以适当波长适当波长的光照射该样品的一侧，同时假定在照射

18、面的薄层的光照射该样品的一侧，同时假定在照射面的薄层内光被全部吸收，那么在表面薄层内就产生了非平衡载流子，而内内光被全部吸收，那么在表面薄层内就产生了非平衡载流子，而内部没有光注入，这样由于部没有光注入，这样由于表面和体内存在了浓度梯度表面和体内存在了浓度梯度，从而引起非，从而引起非平衡载流子由表面向内部扩散。平衡载流子由表面向内部扩散。27扩散运动扩散运动l只要只要微观粒子在各处的浓度不均匀微观粒子在各处的浓度不均匀，由于无规则，由于无规则热运动，就可以引起粒子热运动，就可以引起粒子由浓度高的地方向浓度由浓度高的地方向浓度低的地方扩散。低的地方扩散。l扩散运动完全是由粒子扩散运动完全是由粒子

19、浓度不均匀浓度不均匀(存在存在浓度梯浓度梯度度)所引起，它是粒子的所引起，它是粒子的有规则运动有规则运动，但它与粒，但它与粒子的子的无规则运动无规则运动密切相关。密切相关。扩散运动与扩散系数扩散运动与扩散系数载流子分布存载流子分布存在在浓度梯度浓度梯度从浓度高的区域扩从浓度高的区域扩散到浓度低的区域散到浓度低的区域28扩散电流扩散电流l载流子的扩散运动形成电流。载流子的扩散运动形成电流。l扩散电流不是在电场的作用下产生的，而是扩散电流不是在电场的作用下产生的，而是在在 浓度分布不均匀时，通过载流子的热运动实现的。浓度分布不均匀时，通过载流子的热运动实现的。l当载流子当载流子浓度分布不均匀浓度分

20、布不均匀时，即使没有外加电场也时，即使没有外加电场也 可以可以形成电流形成电流。扩散运动与扩散系数扩散运动与扩散系数29扩散流密度：扩散流密度：S 单位时间单位时间通过通过单位面积单位面积的的载流子数载流子数 c cm-2/s 扩散流密度的大小正比于载流子的扩散流密度的大小正比于载流子的浓度梯度浓度梯度扩散运动与扩散系数扩散运动与扩散系数电子的扩散流密度电子的扩散流密度空穴的扩散流密度空穴的扩散流密度负号表示负号表示扩散流扩散流的方向与浓度梯的方向与浓度梯度方向度方向(浓度梯度是从低到高为低到高为正正)相反相反扩散系数扩散系数Dcm2/s：描述载流子扩散能力强弱的常数。：描述载流子扩散能力强弱

21、的常数。与材料种类、掺杂浓度和温度有关。与材料种类、掺杂浓度和温度有关。注意：同一块半导体中，电子和空穴的扩散系数也不相等。注意：同一块半导体中，电子和空穴的扩散系数也不相等。30扩散电流密度扩散电流密度 A/cm-2 扩散流扩散流密度乘上载流子所带的电荷量。密度乘上载流子所带的电荷量。扩散运动与扩散系数扩散运动与扩散系数电子的扩散电流密度电子的扩散电流密度 空穴的扩散电流密度空穴的扩散电流密度 SpSn 虽然都是由浓度高的区域向浓度低的区域扩散虽然都是由浓度高的区域向浓度低的区域扩散,但是它们但是它们所带的电荷不同所带的电荷不同,所以所以电子的扩散电流密度方向与浓度梯度方电子的扩散电流密度方

22、向与浓度梯度方向相同向相同,而空穴的扩散电流密度方向与浓度梯度方向相反而空穴的扩散电流密度方向与浓度梯度方向相反。31补充知识补充知识 电流密度矢量电流密度矢量 电导率电导率当通过任一截面的电量不均匀时，用电流强度来描当通过任一截面的电量不均匀时，用电流强度来描述就不够用了，有必要引入一个描述述就不够用了，有必要引入一个描述空间不同点电空间不同点电流的大小流的大小。定义定义：电流密度矢量电流密度矢量 的方向为空的方向为空间某点处正电荷的运动方向间某点处正电荷的运动方向,它的大它的大小等于小等于单位时间单位时间内该点附近内该点附近垂直与垂直与电荷运动方向的单位截面电荷运动方向的单位截面上所通过上

23、所通过的电量。的电量。电流密度矢量电流密度矢量 由由 计算流经任一面元计算流经任一面元 的电流强度的电流强度所以，通过导体任一所以，通过导体任一截面截面S S的电流强度为：的电流强度为：与微观量的关系：与微观量的关系：设设 n为单位体积内电子密度。为单位体积内电子密度。导体在外电场导体在外电场 中，电子在中，电子在杂乱无章的热运动上叠加一杂乱无章的热运动上叠加一个沿场强反方向上的定向漂个沿场强反方向上的定向漂移，设移，设漂移速度为漂移速度为 。在。在 时间内穿过时间内穿过 面的电子数面的电子数,即电量为：即电量为：欧姆定律的微分形式及金属导电的经典微观解释欧姆定律的微分形式及金属导电的经典微观

24、解释下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页载流子的漂移运动和迁移率 漂移运动和漂移速度漂移运动和漂移速度有有外外加加电电压压时时，导导体体内内部部的的自自由由电电子子受受到到电电场场力力的的作作用用，沿沿着着电电场场的的反反方方向向作作定向运动定向运动形成电流。形成电流。电电子子在在电电场场力力作作用用下下的的定定向向运运动动称称为为漂漂移移运运动动，定定向向运运动的速度称为动的速度称为漂移速度漂移速度。l电子和空穴是带电荷的，做漂移运动时会形成电流。电子和空穴是带电荷的，做漂移运动时会形成电流。l由漂移运动形成的电流称为由漂移运动形成的电流称为漂移电流漂移电流。371.漂

25、移运动漂移运动迁移率迁移率：电子在电子在单位电场单位电场作用下的漂移速度作用下的漂移速度38漂移电流与电导率漂移电流与电导率1.1.漂移电流漂移电流n型半导体，型半导体，np,=nen;p型半导体，型半导体，pn,=pep;本征型半导体，本征型半导体，n=p=n,=ne(n+p p)39爱因斯坦关系爱因斯坦关系 迁移率迁移率、扩散系数、扩散系数D反应相同的物理机制反应相同的物理机制电流密度方程与爱因斯坦关系式电流密度方程与爱因斯坦关系式迁迁 移移 率：率：反映载流子在电场作用下运动难易程度反映载流子在电场作用下运动难易程度扩散系数：扩散系数：反映存在浓度梯度时载流子运动的难易程度反映存在浓度梯度时载流子运动的难易程度由迁移率计算出扩散系数由迁移率计算出扩散系数由扩散系数计算出迁移率由扩散系数计算出迁移率