光电器件基础2.5节

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1、2.5半导体物理基础自然界中存在着各式各样的物质，它们可以是气体、液体或固体。固体，按其原子排列来说，可以分成晶体非晶体按导电能力，可以分成导体绝缘体半导体不同材料的电阻率有很大的差别。通常把电阻率在10-6~10-3Ω·cm范围内的物质称为导体；电阻率在1012Ω·cm以上的物质称为绝缘体；电阻率在介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。导体、半导体、绝缘体三者之间虽然在电阻率的区分上无绝对明确的界限，但在性质上有几大的差别。半导体在电子业与光电工业等方面占有及其重要地位。图2-6一些材料的电阻率2.5.1半导体

2、的特性⑴半导体的电阻温度系数一般是负的，它对温度的变化非常敏感。⑵半导体的导电性能可受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化。如纯硅在室温下的电导率为5×10-6Ω-1·cm-1，当掺入硅原子数的百万分之一的杂质时，其纯度虽然仍高达99.999%，但是电导率去上升至2Ω-1·cm-1。⑶半导体的导电能力及性质会受热、光、磁等外界作用的影响而发生非常重要的变化。例如，沉积在绝缘基板上的硫化镉层不受光照时的阻抗可高达几十甚至几百兆欧，但一受到光照，电阻就会下降的几十千欧，甚至更小。常见的半导体材料有硅、锗、硒的元素半导体，砷化镓

3、(GaAs)、铝砷化镓(Ga1-xAlxAs)、锑化銦(InSb)、硫化镉(CdS)和硫化铅(PbS)等化合物半导体，还有如氧化亚铜的氧化物半导体，如砷化镓—磷化镓固熔体半导体，以及有机半导体、玻璃半导体、稀土半导体等等。为了解释固体材料的不同导电特性，从电子能级的概念出发引入能带理论，来解释发生在半导体中的各种物理现象和各种半导体器件的工作原理。2.5.2能带理论1.原子中电子的能级原子是由一个带正电的原子核与一些带负电的电子所组成电子环绕原子核在各自的轨道上不停的运动。根据量子论，电子运动有下面三个重要特点：⑴电子绕核

4、运动，具有完全确定的能量，这种稳定的运动状态陈为量子态。每一量子态所取的确定能量称为能级。⑵由于微观粒子具有粒子与波动的两重性，因此，严格说原子中的电子没有完全确定的轨道。⑶在一个原子或原子组成的系统中，不能有两个电子同属于一个量子态，即在每一个能级中，最多只能容纳两个自旋方向相反的电子，这就是泡利不相容原理。图2-7硅原子中电子绕核运动轨道及与其相应能级示意图原子中14个电子分别有14种不同的量子态，分布在离原子核远近不同的三层轨道上。最里层的量子态，电子距原子核最近，受原子核束缚最强，能量最低。越外层的量子态，电子受原

5、子核束缚越弱，能量越高。不可能有介于各能级之间的量子态存在。2.晶体中电子的能带电子共有化---结合成晶体的原子之间的距离很近，这使不同原子间的电子轨道（量子态）将发生不同程度的交迭。轨道的交迭使电子可从一个原子转移到另一个原子上去，在整个晶体中运动，成为整个晶体所共有的现象。能带---N个原子排列起来结合成晶体，原来分属于N个单个原子的相同能级对应分裂或属于整个晶体的N个能量稍有差别的能级。这些能级互相靠得很近，分布在一定的能量区域。能量区域中这些密集的能级被称为能带，能带内的能级可看成是连续的。图2-8N个原子结合

6、成晶体前后的能级状态变化图2-9绝缘体、半导体、导体能带情况固体的能带情况绝缘体的禁带较宽，价带被电子填满，导带一般是空的。在理想的绝对零度下，半导体也有被电子填满的价带和全空的导带，禁带比较窄。导体的能带情况有两种：一是它的价带没有被电子填满，即最高能量的电子只能填充价带下半部分而上半部分空着；二是它的价带与导带相重迭。几个基本概念①施主杂质---杂质本身成为正电中心，即能施予电子，具有这种特点的杂质②施主能级---被束缚于施主上的电子能量状态③受主杂质---杂质本身成为负电中心，即能接受电子，具有这种特点的杂质④受

7、主能级---受主的空能量状态被称为⑤电离能---施主（或受主）能级上的电子（或空穴）跃迁到导带（或价带）中去的过程所需的能量即是电离能⑥N型半导体---主要有电子导电的半导体，把电子称为多数载流子，空穴成为少数载流子⑦P型半导体---主要有空穴导电的半导体2.5.3载流子运动半导体中非平衡载流子有两种运动。即扩散运动和漂移运动。它们都是定向运动，分别与扩散电流和漂移电流相联系。⑴扩散运动—把载流子由热运动造成的从高浓度处向低浓度处迁移运动称为扩散运动。它不是由电场力的推动而产生的。⑵漂移运动—载流子在外加电场的作用下，电子

8、向正电极方向运动，空穴向负电极方向运动称为漂移运动。2.5.4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dΦ与入射的光通量Φ和路程dx的乘积成正比，即（2-63）式中，α称为吸收系数。利用初始条件x=0时，解这个微分方程，可以找到通过x路程的光通