第二章-半导体光物理与光化学-董忠平0906.ppt

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1、半导体光物理和光化学董忠平稀土学院半导体指电导率在金属电导率（104～106Ω/cm）和电解质电导率（<10-10Ω/cm）之间的物质。金属，半导体和绝缘体导电机理不同，金属为一类，半导体和绝缘体为一类。半导体和绝缘体与金属相比，能带是不连续的。半导体的能带结构通常是由一个充满电子的低能价带（valence半导体的定义band，VB）和一个空的高能导带（conductionband，CB）构成，价带和导带之间存在一个区域为禁带，区域的大小通常称为禁带宽度（Eg）一般半导体的Eg小于3.0eV。半导体材料的光物理行为与半导体的带隙和禁带中存在的陷阱能级及表面态能级密切相关。无

2、机半导体材料的分类无机半导体元素半导体化合物半导体典型的元素半导体有锗、硅、硒和碲，它们位于周期表中Ⅳ族和Ⅵ族。化合物半导体种类很多，包括周期表中的第Ⅲ族元素（Ga、In）和Ⅴ族元素（P、As、Sb）形成的二元化合物AⅢBⅤ，GaAs、GaP、InP等；周期表中第Ⅱ族元素和第Ⅵ族元素形成的二元化合物AⅡBⅥ、ZnTe、ZnSeZnO、CdS、CdTe;周期表中Ⅳ族元素和Ⅵ族元素AⅣBⅥ,PbS,PbTe、SnTe;Ⅵ族元素O、S、Se、Te与Ⅰ～Ⅴ族元素形成的化合物Cu2O、Bi2Te3；Ⅵ族元素与过渡元素和稀有元素形成的化合物，TiO2、WS2、NiO、MoSe、WO3。

3、半导体本征半导体掺杂半导体本征和掺杂半导体本征半导体：不含杂质且无晶格缺陷的半导体称为本征半导体。在极低温度下，半导体的价带是满带(见能带理论)，受到热激发后，价带中的部分电子会越过禁带进入能量较高的空带，空带中存在电子后成为导带，价带中缺少一个电子后形成带正电的空位，称为空穴。导带中的电子和价带中的空穴合称电子-空穴对，均能自由移动，即载流子，它们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流，分别称为电子导电和空穴导电，这种由于电子-空穴对的产生而形成的混合型导电称为本征导电。本征半导体的导电性能与温度有关，半导体材料性能对温度的敏感性，可制作热敏和光敏器件，又造成半导体器件

4、温度稳定性差的原因。掺杂半导体：通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素，可得到杂质半导体。一、半导体的导电特性价电子＋4空穴自由电子abc＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4共价键的两个价电子（a）硅和锗原子的简化结构模型(b)晶体的共价键结构及电子空穴对的产生图1-1硅、锗原子结构模型及共价键结构示意图2结论：电子和空穴一样都是运载电荷的粒子，也称载流子在外电场的作用下，空穴和电子作定向移动，移动方向相反，但形成同一方向的电流。电子空穴半导体电子运动方向图1-2半导体中载流子运动示意图I3掺杂半导体P型半导体N型半导体二、N型和P型半导体1、N型半导体电子一空

5、穴对图1-3N型半导体的结构磷原子自由电子＋4＋4＋4＋4＋5＋4＋4＋4＋4`4N型半导体：在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，形成N型半导体。多子：N型半导体中，多子为自由电子。少子：N型半导体中，少子为空穴。施子原子：杂质原子可以提供电子，称施子原子。N型半导体的导电特性：掺入的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越高，导电性能也就越强。结论：多子的浓度决定于杂质浓度；少子的浓度决定于温度。2、P型半导体电子一空穴对图1-4P型半导体的结构硼原子＋4＋4＋4＋4＋3＋4＋4＋4＋4`空穴6P型半导体：在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼）使之

6、取代晶格中硅原子的位置，就形成了P型半导体。多数载流子：P型半导体中，空穴的浓度大于自由电子的浓度，称为多数载流子，简称多子。少数载流子：P型半导体中，自由电子为少数载流子，简称少子。受主原子：杂质原子中的空位吸收电子，称受主原子。P型半导体的导电特性：它是靠空穴导电，掺入的杂质越多，多子（空穴）的浓度就越高，导电性能也就越强。二、PN结及其单向导电型1、PN结的形成图1-5PN结的形成P区N区内电场P区N区空间电荷区8形成过程：当N型半导体和P型半导体结合在一起时，由于P型半导体中空穴浓度高、电子浓度低，而N型半导体中电子浓度高、空穴浓度低，因此在交界面附近电子和空穴都要

7、从浓度高的地方浓度低的地方扩散。P区的空穴要扩散到N区，且与N区的电子复合，在P区一侧就留下了不能移动的负离子空间电荷区。同样，N区的电子要扩散到P区，且与P区的空穴复合，在N区一侧就留下了不能移动的正离子空间电荷区。92、PN结的单向导电性(1)PN结的正向导通特性R外电场内电场IR空穴(多数)电子(多数)NP变薄a.正向偏置正向偏置：指加在PN结上的电压（正向电压），将P区接电源的正极，N区接电源的负极10(2)PN结的反向截止特性NP变厚IR≈0R外电场内电场电子(少数)空穴(少数)b反向偏置反向偏置：加在P