光电器件课件第一章

光光电器件器件课件第一章件第一章教材与参考书推荐教材：推荐教材：光电器件基础与应用光电器件基础与应用 彭军彭军 科学出版社科学出版社,2009,2009参考教材：参考教材：半导体器件基础半导体器件基础(美美)Robert F.Pierret)Robert F.Pierret著，黄如等译，著，黄如等译，20102010现代半导体器件物理现代半导体器件物理(美美)施敏施敏(S.M.Sze)(S.M.Sze)著，王阳元等译，科学出版社，著，王阳元等译，科学出版社，20012001半导体物理与器件半导体物理与器件 Donald A.Neamen Donald A.Neamen著，电子工业出版社出版著，电子工业出版社出版半导体物理学半导体物理学 刘恩科刘恩科 ，西安交通大学出版社，西安交通大学出版社，20032003半导体物理学半导体物理学顾祖毅，田立林等，电子工业出版社，顾祖毅，田立林等，电子工业出版社，19951995 本课程的目标 通过本课程的学习，学生将较全面了解光电子科学与技术的基础知识与基本技能、应用领域及研究热点、学科方向与发展趋势等内容，为学生进入相关研究领域或相关的交叉学科，打下一个初步的基础。光电器件的分类光电器件的分类换能器（发光器件）在光纤通信中占有重要的地位换能器（发光器件）在光纤通信中占有重要的地位 光纤通信对光源的基本要求有如下几个方面：光纤通信对光源的基本要求有如下几个方面：1）光源发光的峰值波长应在光纤的低损耗窗口之内，要求材料色散较小。）光源发光的峰值波长应在光纤的低损耗窗口之内，要求材料色散较小。2）光源输出功率必须足够大，入纤功率一般应在）光源输出功率必须足够大，入纤功率一般应在10微瓦到数毫瓦之间。微瓦到数毫瓦之间。3）光源庆具有高度可靠性，工作寿命至少在）光源庆具有高度可靠性，工作寿命至少在10万小时以上才能满足光纤通信工程的需要。万小时以上才能满足光纤通信工程的需要。4）光源的输出光谱不能太宽，以利于传播高速脉冲。）光源的输出光谱不能太宽，以利于传播高速脉冲。5）光源应便于调制，调制速率应能适应系统的要求。）光源应便于调制，调制速率应能适应系统的要求。6）电光转换效率不应太低，否则会导致器件严重发热和缩短寿命。）电光转换效率不应太低，否则会导致器件严重发热和缩短寿命。7）光源应省电，光源的体积、重量不应太大。）光源应省电，光源的体积、重量不应太大。作为光通信系统用的光探测器需要满足以下要作为光通信系统用的光探测器需要满足以下要求：求：1）其响应波长范围要与光纤通信的低衰耗窗口匹配，）其响应波长范围要与光纤通信的低衰耗窗口匹配，2）具有很高的量子效率和响应度，）具有很高的量子效率和响应度，3）具有很高的响应速度，）具有很高的响应速度，4）具有高度的可靠性。）具有高度的可靠性。半导体的基本知识半导体的基本知识q在物理学中，根据材料的导电性能，可分其为：在物理学中，根据材料的导电性能，可分其为：q导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体q半导体器件在人们生活中的重要作用半导体器件在人们生活中的重要作用信息领域：计算机及网络设备（信息领域：计算机及网络设备（CPU、Memory、Chips）通信（移动电话）通信（移动电话）能源领域：电源、机车、电机、马达、电力输送、节能、环保、自动化能源领域：电源、机车、电机、马达、电力输送、节能、环保、自动化军事领域：尖端智能武器、光探测器、测距军事领域：尖端智能武器、光探测器、测距消费类：随身听、音频数字信号处理、光笔、电子表、汽车电子（电动车门、消费类：随身听、音频数字信号处理、光笔、电子表、汽车电子（电动车门、电喷、照明）、空调、彩电电喷、照明）、空调、彩电半导体半导体微电子微电子IC电子计算电子计算信息技术信息技术传传统统行行业业第一章第一章 半导体器件基础半导体器件基础1.1 半导体基础知识半导体基础知识根据物体导电能力根据物体导电能力(电阻率电阻率)的不同，来划分导体、绝缘的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。体和半导体。半导体是半导体是导电性能介于导体和绝缘体之间的物体。在一定条件下可导电。导电性能介于导体和绝缘体之间的物体。在一定条件下可导电。半导体的电阻率为半导体的电阻率为10-3109 cm。典型的半导体有。典型的半导体有硅硅Si和和锗锗Ge以及以及砷化镓砷化镓GaAs等。等。半导体半导体特点：特点：1)1)在外界能源的作用下，导电性能显著变在外界能源的作用下，导电性能显著变 化。光敏元件、热敏元件属于此类。化。光敏元件、热敏元件属于此类。2)2)在纯净半导体内掺入杂质，导电性能显在纯净半导体内掺入杂质，导电性能显 著增加。二极管、三极管属于此类。著增加。二极管、三极管属于此类。常见的典型半导体硅常见的典型半导体硅SiSi和锗和锗GeGe都是都是4 4价元素价元素外层电子受原子核的束缚力最小，称为价电子。物质的性质是由价电子决定的外层电子受原子核的束缚力最小，称为价电子。物质的性质是由价电子决定的。1.1.1 本征半导体本征半导体 本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构 本征晶体中各原子之间靠得很近，使原来属于各原子的四个价电子同时受到相邻原子的吸引，分别与周本征晶体中各原子之间靠得很近，使原来属于各原子的四个价电子同时受到相邻原子的吸引，分别与周围的四个原子的价电子形成围的四个原子的价电子形成共价键共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。如下图所示：列有序的晶体。如下图所示：硅晶体的空间排列 共价键结构平面示意图共价键性质共价键性质 共价键上的两个电子是由相邻原子各用一个电子组成的，这两个电子被成为共价键上的两个电子是由相邻原子各用一个电子组成的，这两个电子被成为束缚电子束缚电子。束缚电子同时受两个原子的约束，如果没有足够的能量，不易脱离轨道。束缚电子同时受两个原子的约束，如果没有足够的能量，不易脱离轨道。因此，在绝对温度因此，在绝对温度T=0 K（-273 C）时，由于共价键中的电子被束缚着，本征半导体中没有自由电时，由于共价键中的电子被束缚着，本征半导体中没有自由电子，不导电。只有在激发下，本征半导体才能导电。子，不导电。只有在激发下，本征半导体才能导电。电子与空穴电子与空穴电子与空穴电子与空穴自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为们常称呈现正电性的这个空位为空穴空穴。导电机制导电机制本征半导体的导电性能取决于外加能量：本征半导体的导电性能取决于外加能量：温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化电子与空穴的复合电子与空穴的复合 可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对电子空穴对。游离的部分自由电子也。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为可能回到空穴中去，称为复合，复合，如图所示。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。如图所示。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。空穴的移动空穴的移动由于共价键中出现了空穴，在外加能源的激发下，邻近的价电子有可能挣脱束缚补到这个空位上，由于共价键中出现了空穴，在外加能源的激发下，邻近的价电子有可能挣脱束缚补到这个空位上，而这个电子原来的位置又出现了空穴，其它电子又有可能转移到该位置上。这样一来在共价键中就出现了而这个电子原来的位置又出现了空穴，其它电子又有可能转移到该位置上。这样一来在共价键中就出现了电荷电荷迁移迁移电流。电流。电流的方向与电子移动的方向相反，与空穴移动的电流的方向与电子移动的方向相反，与空穴移动的方向相同。本征半导体中，产生电流的根本原因是方向相同。本征半导体中，产生电流的根本原因是由于共价键中出现了空穴。由于空穴数量有限，所由于共价键中出现了空穴。由于空穴数量有限，所以其电阻率很大。以其电阻率很大。晶体中的电子或空穴受到荷电的原子实的周期势的作晶体中的电子或空穴受到荷电的原子实的周期势的作用用，用有效质量来描述电子或空穴在半导体中运动的，用有效质量来描述电子或空穴在半导体中运动的量子力学性质量子力学性质 一个电子的能量一个电子的能量动量关系可写为：动量关系可写为：（1.1.1）1.1.2 有效质量和能带有效质量和能带1.1.3 杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体杂质半导体。(1)(1)N型半导体型半导体(2)(2)P型半导体型半导体1.N型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷可形成在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷可形成 N N型半导体型半导体,也称也称电子型半导体电子型半导体。因五价杂质原。因五价杂质原子中只有子中只有四个价电子四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子一个价电子因无共价键束缚因无共价键束缚而很容易形成自由电子。而很容易形成自由电子。自由电子 在在N N型半导体中型半导体中自由自由电子是多数载流子电子是多数载流子,它主要由它主要由杂质原子提供；杂质原子提供；另外，硅晶体另外，硅晶体由于热激发由于热激发会产生少会产生少量的电子空穴对，所以量的电子空穴对，所以空穴是少数载流子。空穴是少数载流子。N型半导体结构 提供自由电子的五价杂质原子因失去一个电子而带提供自由电子的五价杂质原子因失去一个电子而带单位正电荷而成为单位正电荷而成为正离子正离子，因此五价杂质原子也称为，因此五价杂质原子也称为施主杂质施主杂质。N N型半导体的结构示意图如下图所示。型半导体的结构示意图如下图所示。磷原子核自由电子所以，所以，N型半导体中的导电粒子有两种：型半导体中的导电粒子有两种：自由电子自由电子多数载流子（由两部分组成）多数载流子（由两部分组成）空穴空穴少数载流子少数载流子2.P型半导体 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了P型半导体型半导体，也称为也称为空穴型半导体空穴型半导体。因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。当相邻共价键上因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。当相邻共价键上的电子因受激发获得能量时，就可能填补这个空穴，而产生新的空穴。空穴是其主要载流子。的电子因受激发获得能量时，就可能填补这个空穴，而产生新的空穴。空穴是其主要载流子。P型半导体结构 在在P型半导体中，硼原子很容易由于俘获一个电子而成为一个带单位负电荷的型半导体中，硼原子很容易由于俘获一个电子而成为一个带单位负电荷的负离子，负离子，三价杂质三价杂质 因而也因而也称为称为受主杂质受主杂质。而硅原子的共价键由于失去一个电子而形成空穴。所以而硅原子的共价键由于失去一个电子而形成空穴。所以P型半导体的结构示意图如图所示。型半导体的结构示意图如图所示。硼原子核空穴P型半导体中：型半导体中：空穴是多数载流子空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；主要由掺杂形成；电子是少数载流子，电子是少数载流子，由热激发形成。由热激发形成。1.2 半导体中的自由载流子浓度半导体中的自由载流子浓度1.2.1 能量和态密度能量和态密度能量能量在本征半导体中，电子密度恰好等于空穴密度在本征半导体中，电子密度恰好等于空穴密度(1.2.1)使用能带模型解释使用能带模型解释a）施主杂质）施主杂质 b）受主杂质的作用）受主杂质的作用态密度态密度当电子能量为当电子能量为E，距离能带带边不远时，有，距离能带带边不远时，有（1.2.2）费米分布函数费米分布函数(1.2.3)若若E E F k 0T 上式是电子的玻耳兹曼分布函数上式是电子的玻耳兹曼分布函数费米分布函数和玻耳兹曼分布函数的区别：前者受泡利不相容原理的制约费米分布函数和玻耳兹曼分布函数的区别：前者受泡利不相容原理的制约对于空穴，对于空穴，1 f(E)就是能量为就是能量为E 的量子态被空穴占据的几率的量子态被空穴占据的几率E E F k 0T时，上式转化为空穴的玻耳兹曼分布函数时，上式转化为空穴的玻耳兹曼分布函数(1.2.4)(1.2.5)(1.2.6)1.2.2 本征半导体的载流子浓度本征半导体的载流子浓度对导带或价带中所有量子态来说，电子或空穴都可以用玻耳兹曼统计分布描述对导带或价带中所有量子态来说，电子或空穴都可以用玻耳兹曼统计分布描述通常将服从玻耳玆曼统计分布规律的半导体称为非兼并半导体，将服从费米统计分布规律的半导体称为通常将服从玻耳玆曼统计分布规律的半导体称为非兼并半导体，将服从费米统计分布规律的半导体称为兼并半导体兼并半导体对非简并半导体，在对非简并半导体，在EE+dE内内(1.2.7)(1.2.8)对上式从导带底到导带顶积分，得到平衡态下非简并导对上式从导带底到导带顶积分，得到平衡态下非简并导带和价带的电子、空穴浓度带和价带的电子、空穴浓度将将n0和和p0两式代入上式的电中性条件两式代入上式的电中性条件(1.2.10)(1.2.11)(1.2.12)(1.2.13)(1.2.9)1.2.3 杂质半导体的载流子浓度杂质半导体的载流子浓度电子占据施主能级电子占据施主能级ED的几率为的几率为 设施主杂质浓度为设施主杂质浓度为ND，施主能级上的电子浓度为施主能级上的电子浓度为 电离施主杂质浓度为电离施主杂质浓度为（1.2.14）（1.2.15）（1.2.16）平衡载流子分布平衡载流子分布1.2.4 简并半导体及其载流子浓度简并半导体及其载流子浓度 如果如果n 型半导体中施主浓度型半导体中施主浓度ND很高很高,FE 就会与导带底就会与导带底Ec 重合甚至进入导带，此时重合甚至进入导带，此时EEF k0 T 不再成立不再成立,必须用必须用费米分布函数计算导带电子浓度。费米分布函数计算导带电子浓度。这种情况称为这种情况称为载流子的简并化载流子的简并化（1.2.17）简并半导体的简并半导体的n0 简并半导体的简并半导体的n0 与非简并半与非简并半导体计算类似，只是分布函导体计算类似，只是分布函数要代入费米分布数要代入费米分布（1.2.18）上式就是简并半导体的上式就是简并半导体的n0表达式表达式什么样的掺杂浓度会发生简并呢？什么样的掺杂浓度会发生简并呢？简并时简并时NDNC，掺杂浓度很高。，掺杂浓度很高。发生简并的发生简并的ND还与还与ED（EC-EF）有关，有关，ED较大则发生简并所需要的较大则发生简并所需要的ND也大；也大；3)简并化只在一定的温度区间内才会发生。简并化只在一定的温度区间内才会发生。因为因为令令式（式（1.2.18）简化为）简化为（1.2.19）迁移率迁移率n：单位电场强度下电子的平均漂移：单位电场强度下电子的平均漂移速度速度 它的大小反映了电子在电场作用下运动能力的它的大小反映了电子在电场作用下运动能力的强弱。强弱。1.3.1 能带弯曲能带弯曲当材料中存在电场时，能带能量变成了位置的当材料中存在电场时，能带能量变成了位置的函数。函数。1.3 半导体中载流子的输运现象半导体中载流子的输运现象半导体内能带弯曲和静电变量的关系半导体内能带弯曲和静电变量的关系（1.2.4）（1.2.5）（1.2.6）本节中的有关概念 本征半导体、杂质半导体本征半导体、杂质半导体 自由电子、空穴自由电子、空穴 N型半导体、型半导体、P型半导体型半导体 多数载流子、少数载流子多数载流子、少数载流子 施主杂质、受主杂质施主杂质、受主杂质谢谢观赏谢谢观赏