_第3章+光电效应

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1、光电检测技术LOGOwww.themegallery.com成都信息工程学院光电技术学院第3章光电效应半导体物理基础内光电效应外光电效应习题作业成都信息工程学院光电技术学院2一、半导体物理基础导体、绝缘体和半导体物体的导电能力，一般用材料电阻率的大小来衡量。电阻率越大，说明这种材料的导电能力越弱。表1给出以电阻率来区分导体，绝缘体和半导体的大致范围。物体电阻率导体半导体绝缘体Ω·CM<10e-410e-3~10e9>10e9成都信息工程学院光电技术学院3一、半导体物理基础半导体材料硅的晶体结构几种常见元素的原子结构硅太阳电池生产中常用的硅（Si），磷（P），硼（B）元素的原子

2、结构模型如图所示第三层4个电子最外层5个电子第二层8个电子第一层2个电子最外层3个电子PSiB+15+14siPB成都信息工程学院光电技术学院4一、半导体物理基础晶体结构固体可分为晶体和非晶体两大类。原子无规则排列所组成的物质为非晶体。而晶体则是由原子规则排列所组成的物质。晶体有确定的熔点，而非晶体没有确定熔点，加热时在某一温度范围内逐渐软化。单晶和多晶在整个晶体内，原子都是周期性的规则排列，称之为单晶。由许多取向不同的单晶颗粒杂乱地排列在一起的固体称为多晶。成都信息工程学院光电技术学院5一、半导体物理基础固体的能带理论晶体中电子轨道的能级分成由低到高的许多组。分别和各

3、原子能级相对应，每一组都包含着大量的能量很接近的能级。这样一组密集的能级看上去象一条带子，所以被称之为能带。能带之间的间隙叫做禁带。未被电子填满的能带称为导带，已被电子填满的能带称为满带。导体、半导体，绝缘体导电性质的差异可以用它们的能带图的不同来加以说明。导Ec带禁EgEg带Ev价带成都信息工程学院光电技术学院绝缘体半导体导体6一、半导体物理基础半导体之所以得到广泛的应用，是因为它存在着一些导体和绝缘体所没有的独特性能。导电能力随温度灵敏变化导体，绝缘体的电阻率随温度变化很小，（导体温度每升高一度，电阻率大约升高0.4%）。而半导体则不一样，温度每升高或降低1度，其电

4、阻就变化百分之几，甚至几十，当温度变化几十度时，电阻变化几十，几万倍，而温度为绝对零度时，则成为绝缘体。导电能力随光照显著改变当光线照射到某些半导体上时，它们的导电能力就会变得很强，没有光线时，它的导电能力又会变得很弱。杂质的显著影响在纯净的半导体材料中，适当掺入微量杂质，导电能力会有上百万的增加。这是最特殊的独特性能。其他特性温差电效应，霍尔效应，发光效应，光伏效应，激光性能等。成都信息工程学院光电技术学院7一、半导体物理基础半导体中的“电子”和“空穴”，本征半导体纯净的半导体，在不受外界作用时，导电能力很差。而在一定的温度或光照等作用下，晶体中的价电子有一部分可

5、能会冲破共价键的束缚而成为一个自由电子。同时形成一个电子空位，称之为“空穴”。从能带图上看，就是电子离开了价带跃迁到导带，从而在价带中留下了空穴，产生了一对电子和空穴。如图所示。通常将这种只含有“电子空穴对”的半导体称为本征半导体。“本征”指只涉及半导体本身的特性。半导体就是靠着电子和空穴的移动来导电的，因此，电子和空穴被统称为载流子。导带Eg(禁带宽)成都信息工程学院光电技术学院价带8一、半导体物理基础产生和复合由于热或光激发而成对地产生电子空穴对，这种过程称为“产生”。空穴是共价键上的空位，自由电子在运动中与空穴相遇时，自由电子就可能回到价键的空位上来，而同时消失了一对

6、电子和空穴，这就是“复合”。在一定温度下，又没有光照射等外界影响时，产生和复合的载流子数相等，半导体中将在产生和复合的基础上形成热平衡。此时，电子和空穴的浓度保持稳定不变，但是产生和复合仍在持续的发生。杂质和杂质半导体纯净的半导体材料中若含有其它元素的原子，那么，这些其它元素的原子就称为半导体材料中的杂质原子。对硅的导电性能有决定影响的主要是三族和五族元素原子。还有些杂质如金，铜，镍，锰，铁等，在硅中起着复合中心的作用，影响寿命，产生缺陷，有着许多有害的作用。成都信息工程学院光电技术学院9一、半导体物理基础N型半导体磷（P)，锑（sb)等五族元素原子的最外层有五个电子，它

7、在硅中是处于替位式状态，占据了一个原来应是硅原子所处的晶格位臵，如图1。磷原子最外层五个电子中只有四个参加共价键，另一个不在价键上，成为自由电子，失去电子的磷原子是一个带正电的正离子，没有产生相应的空穴。正离子处于晶格位臵上，不能自由运动，它不是载流子。因此，掺入磷的半导体起导电作用的，主要是磷所提供的自由电子，这种依靠电子导电的半导体称为电子型半导体，简称N型半导体。图2表示N型半导体材料的能带图。而为半导体材料提供一个自由电子的v族杂质原子，通常称为施主杂质。多余电子导带电离能施主能级价带成都信息工