光电器件ppt课件第一章

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,半导体物理与器件,湖南大学物理与微电子科学学院,胡慧芳,半导体物理与器件湖南大学物理与微电子科学学院胡慧芳,教材与参考书,推荐教材：,光电器件基础与应用,彭军 科学出版社,2009,参考教材：,半导体器件基础,(,美,)Robert F.Pierret,著，黄如等译，,2010,现代半导体器件物理,(,美,),施敏,(S.M.Sze),著，王阳元等译，科学出版社，,2001,半导体物理与器件,Donald A.Neamen,著，电子工业出版社出版,半导体物理学,刘恩科，西安交通大学出版社，,2003,半导体物理学,顾祖毅，田立林等，电子工业出版社，,1995,教材与参考书推荐教材：,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。,本课程的目标,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,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,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。,2,）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。,3,）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。,4,）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。,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。,7,）光源应省电，光源的体积、重量不应太大。,光纤通信对光源的基本要求有如下几个方面：,作为光通信系统用的光探测器需要满足以下要,求：,1,）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，,3,）具有很高的响应速度，,4,）具有高度的可靠性。,作为光通信系统用的光探测器需要满足以下要,半导体的基本知识,在物理学中，根据材料的导电性能，可分其为：,导体、半导体和绝缘体,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（,CPU,、,Memory,、,Chips,）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,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、电喷、照明）、空调、彩电,半导体,微电子,IC,电子计算,信息技术,传统行业,现代文明,半导体的基本知识在物理学中，根据材料的导电性能，可分其为：半,第一章 半导体器件基础,1.1,半导体基础知识,根据物体导电能力,(,电阻率,),的不同，来划分导体、绝缘,体和半导体。,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。,半导体的电阻率为,10,-3,10,9,cm,。典型的半导体有,硅,Si,和,锗,Ge,以及,砷化镓,GaAs,等。,半导体,特点：,1),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。,2),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。,第一章 半导体器件基础1.1 半导体基础知识半导体特点：,常见的典型半导体硅,Si,和锗,Ge,都是,4,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。,常见的典型半导体硅Si和锗Ge都是4价元素外层电子受原子核,1.1.1,本征半导体,1.1.1 本征半导体,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，分别与周围的四个原子的价电子形成,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,本征半导体的共价键结构 本征晶体中各原子之间靠,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,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。,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子，不导电。只有在激发下，本征半导体才能导电。,共价键性质 共价键上的两个电子是由相邻原子各,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，人们常称呈现正电性的这个空位为,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出现了一个,导电机制,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,导电机制本征半导体的导电性能取决于外加能量：,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,电子空穴对,。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为,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。,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,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，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,电荷迁移,电流。,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。,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,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,一个电子的能量,动量关系可写为：,（,1.1.1,）,1.1.2,有效质量和能带,晶体中的电子或空穴受到荷电的原子实的周期势的作（1.1.1）,光电器件ppt课件第一章,1.1.3,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,。,(1),N,型半导体,(2),P,型半导体,1.1.3 杂质半导体 在本征半导体中掺入,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,N,型半导体,也称,电子型半导体,。因五价杂质原子中只有,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,一个价电子,因无共价键束缚而很容易形成自由电子。,自由电子,在,N,型半导体中,自由,电子是多数载流子,它主要由,杂质原子提供；,另外，硅晶体,由于热激发,会产生少量的电子空穴对，所以,空穴是少数载流子。,1.N型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元,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,单位正电荷而成为,正离子,，因此五价杂质原子也称为,施主杂质,。,N,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，,N,型半导体中的导电粒子有两种：,自由电子,多数载流子（由两部分组成）,空穴,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,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,P,型半导体,，,也称为,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。,2.P型半导体 在本征半导体中掺入三价杂质,P,型半导体结构,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,负离子，,三价杂质 因而也称为,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,P,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：,空穴是多数载流子,，,主要由掺杂形成；,电子是少数载流子，,由热激发形成。,P型半导体结构 在P型半导体中，硼原子很容易由,光电器件ppt课件第一章,1.2,半导体中的自由载流子浓度,1.2.1,能量和态密度,能量,在本征半导体中，电子密度恰好等于空穴密度,(1.2.1),1.2 半导体中的自由载流子浓度1.2.1 能量和态密度(,使用能带模型解释,a,）施主杂质,b,）受主杂质的作用,使用能带模型解释a）施主杂质 b）受主杂质的作用,态密度,当电子能量为,E,，距离能带带边不远时，有,（,1.2.2,）,态密度（1.2.2）,费米分布函数,(1.2.3),费米分布函数(1.2.3),若,E,E,F,k,0,T,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,对于空穴，,1,f,(,E,),就是能量为,E,的量子态被空穴占据的几率,E,E,F,k,0,T,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),若E E F k 0T(1.2.4)(1.2.5),1.2.2,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,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,对非简并半导体，在,E,E,+d,E,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,带和价带的电子、空穴浓度,1.2.2 本征半导体的载流子浓度(1.2.7)(1.2.8,将,n,0,和,p,0,两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),将n0和p0两式代入上式的电中性条件(1.2.10)(1.2,1.2.3,杂质半导体的载流子浓度,电子占据施主能级,E,D,的几率为,设施主杂质浓度为,N,D,，,施主能级上的电子浓度为,电离施主杂质浓度为,（,1.2.14,）,（,1.2.15,）,（,1.2.16,）,1.2.3 杂质半导体的载流子浓度（1.2.14）（1.2.,平衡载流子分布,平衡载流子分布,光电器件ppt课件第一章,1.2.4,简并半导体及其载流子浓度,如果,n,型半导体中施主浓度,N,D,很高,F,E,就会与导带底,E,c,重合甚至进入导带，此时,E,E,F,k,0,T,不再成立,必须用,费米分布函数计算导带电子浓度。,1.2.4 简并半导体及其载流子浓度 如果n 型半导体中施,这种情况称为,载流子的简并化,（,1.2.17,）,简并半导体的,n,0,简并半导体的,n,0,与非简并半,导体计算类似，只是分布函,数要代入费米分布,（,1.2.18,）,这种情况称为载流子的简并化（1.2.17）简并半导体的n0,上式就是简并半导体的,n,0,表达式,什么样的掺杂浓度会发生简并呢？,简并时,N,D,N,C,，掺杂浓度很高。,发生简并的,N,D,还与,E,D,（,E,C,-E,F,）,有关，,E,D,较大则发生简并所需要的,N,D,也大；,3),简并化只在一定的温度区间内才会发生。,因为,令,式（,1.2.18,）简化为,（,1.2.19,）,上式就是简并半导体的n0表达式因为令式（1.2.18）简化为,迁移率,n,：单位电场强度下电子的平均漂移,速度,它的大小反映了电子在电场作用下运动能力的,强弱。,1.3.1,能带弯曲,当材料中存在电场时，能带能量变成了位置的,函数。,1.3,半导体中载流子的输运现象,迁移率n：单位电场强度下电子的平均漂移1.3 半导体中载流,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,）,（1.2.4）（1.2.5）（1.2.6）,光电器