導(dǎo)電物理-半導(dǎo)體材料

1、半導(dǎo)體半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理不同于其它物質(zhì)，所以的導(dǎo)電機理不同于其它物質(zhì)，所以它具有不同于其它物質(zhì)的特點。例如：它具有不同于其它物質(zhì)的特點。例如： 當(dāng)受外界熱和光的作用時，它的導(dǎo)電能力當(dāng)受外界熱和光的作用時，它的導(dǎo)電能力明顯變化。明顯變化。 往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會使它往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會使它的導(dǎo)電能力明顯改變。的導(dǎo)電能力明顯改變。5.3 半導(dǎo)體與半導(dǎo)體與p-n結(jié)結(jié)一、本征半導(dǎo)體一、本征半導(dǎo)體GeSi通過一定的工藝過程，可以將半導(dǎo)體制成通過一定的工藝過程，可以將半導(dǎo)體制成晶體晶體?，F(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層電子

2、（價電子）都是四個。的最外層電子（價電子）都是四個。在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點陣，每在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點陣，每個原子都處在正四面體的中心，而四個其它原子位于四面?zhèn)€原子都處在正四面體的中心，而四個其它原子位于四面體的頂點，每個原子與其相臨的原子之間形成體的頂點，每個原子與其相臨的原子之間形成共價鍵共價鍵，共，共用一對價電子。用一對價電子。硅和鍺的晶硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)：體結(jié)構(gòu)：1 1、本征半導(dǎo)體、本征半導(dǎo)體化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體?；瘜W(xué)成分純凈的半導(dǎo)體。制造半制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達到導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達到99.9999999%99.99999

3、99%，常稱為常稱為“九個九個9”9”。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu)硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu)共價鍵共共價鍵共用電子對用電子對+4+4+4+4+4+4表示除表示除去價電子去價電子后的原子后的原子共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自自由電子由電子，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，所以，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是形成共價鍵后，每

4、個原子的最外層電子是八個，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。八個，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。共價鍵有很強的結(jié)合力，使原子規(guī)共價鍵有很強的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。則排列，形成晶體。+4+4+4+42 2、本征激發(fā)、本征激發(fā)在絕對在絕對0度度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時和沒有外界激發(fā)時, ,價價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有電子完全被共價鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可以運動的帶電粒子（即可以運動的帶電粒子（即載流子載流子），它的導(dǎo)電），它的導(dǎo)電能力為能力為 0，相當(dāng)于絕緣體。，相當(dāng)于絕緣體。在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價電子獲在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為得足夠的能量而

5、脫離共價鍵的束縛，成為自由自由電子電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴空穴。(1) (1) 載流子、自由電子和空穴載流子、自由電子和空穴+4+4+4+4自由電子自由電子空穴空穴束縛電子束縛電子在外電場的作用下，空穴和電子會產(chǎn)生移動，即不斷有共在外電場的作用下，空穴和電子會產(chǎn)生移動，即不斷有共價鍵中的電子擺脫束縛，填充到原有的空穴中，即象是空價鍵中的電子擺脫束縛，填充到原有的空穴中，即象是空穴在移動，形成的電流方向就是空穴移動的方向穴在移動，形成的電流方向就是空穴移動的方向 +4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子自由電子E(2) (2) 導(dǎo)電機制導(dǎo)電機制

6、溫度越高，載流子的濃度越高溫度越高，載流子的濃度越高, 因此本征半導(dǎo)體的因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強。溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個重要導(dǎo)電能力越強。溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點。的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成：本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成： (a) (a) 自由電子移動產(chǎn)生的電流。自由電子移動產(chǎn)生的電流。 (b) (b) 空穴移動產(chǎn)生的電流?？昭ㄒ苿赢a(chǎn)生的電流。思考：思考：還有什么外因可以引起還有什么外因可以引起本征半導(dǎo)體的本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生導(dǎo)電性

7、發(fā)生變化？有沒有利用本征半導(dǎo)體制備的器件？變化？有沒有利用本征半導(dǎo)體制備的器件？光照光照探測器探測器 可見本征激發(fā)同時產(chǎn)生可見本征激發(fā)同時產(chǎn)生電子空穴對。電子空穴對。 外加能量越高（外加能量越高（溫度溫度越高），產(chǎn)生的電子空越高），產(chǎn)生的電子空穴對越多。穴對越多。 與本征激發(fā)相反的與本征激發(fā)相反的現(xiàn)象現(xiàn)象復(fù)合復(fù)合在一定溫度下，本征激在一定溫度下，本征激發(fā)和復(fù)合同時進行，達發(fā)和復(fù)合同時進行，達到動態(tài)平衡。電子空穴到動態(tài)平衡。電子空穴對的濃度一定。對的濃度一定。常溫常溫300K時：時：電子空穴對的濃度電子空穴對的濃度硅：硅：310cm104 . 1鍺：鍺：313cm105 . 2自由電子自由電子+

8、4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴電子空穴對電子空穴對在一定的溫度下，半導(dǎo)體中的電子處于一種熱平衡狀態(tài) 激發(fā)：價帶電子吸收晶格振動的熱能后，從價帶躍遷到導(dǎo)帶激發(fā)：價帶電子吸收晶格振動的熱能后，從價帶躍遷到導(dǎo)帶的過程（的過程（使載流子增多使載流子增多） 復(fù)合：電子從導(dǎo)帶躍遷到價帶，與價帶中空穴復(fù)合復(fù)合：電子從導(dǎo)帶躍遷到價帶，與價帶中空穴復(fù)合 （導(dǎo)致載流子減少導(dǎo)致載流子減少）熱平衡狀態(tài)下的導(dǎo)電電子和空穴稱為熱平衡狀態(tài)下的導(dǎo)電電子和空穴稱為熱平衡載流子熱平衡載流子v 當(dāng)溫度發(fā)生改變時，破壞了原來的平衡狀態(tài)，又重新當(dāng)溫度發(fā)生改變時，破壞了原來的平衡狀態(tài)，又重新建立了新的平衡狀態(tài)建立了新的平衡狀

9、態(tài)v 熱平衡載流子的濃度也發(fā)生變化，達到另一個穩(wěn)定值熱平衡載流子的濃度也發(fā)生變化，達到另一個穩(wěn)定值半導(dǎo)體中載流子的濃度是隨溫度變化的半導(dǎo)體中載流子的濃度是隨溫度變化的半導(dǎo)體的導(dǎo)電性也是隨溫度變化的半導(dǎo)體的導(dǎo)電性也是隨溫度變化的態(tài)密度g(E) 能量能量E附近單位能量間隔內(nèi)電子的量子狀態(tài)數(shù)附近單位能量間隔內(nèi)電子的量子狀態(tài)數(shù)dEdNEg)(要計算半導(dǎo)體中的導(dǎo)帶電子濃度，必須先要知道導(dǎo)帶中能量間隔內(nèi)有多少個量子態(tài)。又因為這些量子態(tài)上并不是全部被電子占據(jù)，因此還要知道能量為E的量子態(tài)被電子占據(jù)的幾率是多少。將兩者相乘后除以體積就得到區(qū)間的電子濃度，然后再由導(dǎo)帶底至導(dǎo)帶頂積分就得到了導(dǎo)帶的電子濃度。導(dǎo)帶電

10、子濃度與價帶空穴濃度導(dǎo)帶電子濃度與價帶空穴濃度態(tài)密度g(E) 能量能量E附近單位能量間隔內(nèi)電子的量子狀態(tài)數(shù)附近單位能量間隔內(nèi)電子的量子狀態(tài)數(shù)dEdNEg)(導(dǎo)帶的電子濃度導(dǎo)帶的電子濃度kTEENnFCCexp在室溫下在室溫下（300K），），對硅而言對硅而言NC是是2.861019cm3；對對砷化鎵則為砷化鎵則為4.71017cm-3。 本征載流子濃度及其溫度特性本征載流子濃度及其溫度特性232232221212hkTmNGaAshkTmNSiNnCnCC：對：對。是導(dǎo)帶中的有效態(tài)密度價帶中的空穴濃度價帶中的空穴濃度kTEENpVFVexp在室溫下，對硅而言在室溫下，對硅而言NV是是2.661

11、019cm-3；對砷化鎵；對砷化鎵則為則為7.01018cm-3。 23222hkTmNNPVV，且是價帶中的有效態(tài)密度其中：本征載流子濃度及其溫度特性本征載流子濃度及其溫度特性Fermi能級在熱平衡狀態(tài)下，電子按能量大小具有一定的統(tǒng)計分布規(guī)律 根據(jù)量子統(tǒng)計理論，能量為根據(jù)量子統(tǒng)計理論，能量為E的一個量子態(tài)被一個電子占據(jù)的一個量子態(tài)被一個電子占據(jù)的概率的概率f(E)為為()/1()1FBEEk Tf Ee電子的電子的Fermi-Dirac分布分布Fermi能級能級EF是系統(tǒng)的化學(xué)勢，處于熱平衡狀態(tài)的系統(tǒng)有統(tǒng)是系統(tǒng)的化學(xué)勢，處于熱平衡狀態(tài)的系統(tǒng)有統(tǒng)一的化學(xué)勢，即有統(tǒng)一的一的化學(xué)勢，即有統(tǒng)一的Fe

12、rmi能級（是溫度的函數(shù)）能級（是溫度的函數(shù)）v Fermi能級的意義能級的意義EEF，f(E)=0E=EF，f(E)=1/2T=0KFermi能級能級EF可以看成是量子態(tài)是可以看成是量子態(tài)是否被電子占據(jù)的一個界限否被電子占據(jù)的一個界限EF之下的能級幾乎被電子填滿之下的能級幾乎被電子填滿EF之上的能級幾乎為空之上的能級幾乎為空E-EF0.993E-EF5kBT，f(E)0K, ex:Fermi能級能級EF可以看成是量子態(tài)是否被電子占據(jù)的一個界限可以看成是量子態(tài)是否被電子占據(jù)的一個界限EF之下的能級幾乎被電子填滿之下的能級幾乎被電子填滿EF之上的能級幾乎為空之上的能級幾乎為空常溫下，常溫下，1k

13、BT=0.026evEF與半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型、摻雜的雜質(zhì)濃度等有關(guān)，與半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型、摻雜的雜質(zhì)濃度等有關(guān)，此外它還是此外它還是溫度溫度的函數(shù)的函數(shù)Fermi能級含義本征載流子濃度本征載流子濃度ni: :對本征半導(dǎo)體而言，導(dǎo)帶中每單位體積的對本征半導(dǎo)體而言，導(dǎo)帶中每單位體積的電子數(shù)與價帶每單位體積的空穴數(shù)相同電子數(shù)與價帶每單位體積的空穴數(shù)相同, ,即濃度相同，稱為本即濃度相同，稱為本征載流子濃度，可表示為征載流子濃度，可表示為npni本征費米能級本征費米能級Ei：本征半導(dǎo)體的費米能級。本征半導(dǎo)體的費米能級。 kTEENpkTEENnVFVFCCexpexp令：ln()22CVVFiCE

14、ENkTEEN則：則： 在室溫下，第二項比禁帶寬度小得多。因此，本征半導(dǎo)體的在室溫下，第二項比禁帶寬度小得多。因此，本征半導(dǎo)體的本征半導(dǎo)體的本征費米能級本征半導(dǎo)體的本征費米能級Ei相當(dāng)靠近禁帶的中央。相當(dāng)靠近禁帶的中央。 本征載流子濃度及其溫度特性本征載流子濃度及其溫度特性所以：所以：即：即： 其中其中E Eg g=E=EC C-E-EV V。室溫時，硅的。室溫時，硅的n ni i為為9.659.6510109 9cmcm-3-3；砷化鎵的；砷化鎵的n ni i為為2.252.2510106 6cmcm3 3。上圖給出了硅及砷化鎵的。上圖給出了硅及砷化鎵的n ni i對于溫度的變化情對于溫度的

15、變化情形。正如所預(yù)期的，禁帶寬度越大，本征載流子濃度越小。形。正如所預(yù)期的，禁帶寬度越大，本征載流子濃度越小。 kTENNngVCiexp2exp()2giCVEnN NkT最終：最終： 6107108109101010111012101310141015101610171018101910本征載流子濃度ni/cm-3 1000/T KSiGaAs939.65 10 cm632.25 10 cm100050020010027 050該式對對非本征半導(dǎo)體同樣該式對對非本征半導(dǎo)體同樣成立，稱為成立，稱為質(zhì)量作用定律質(zhì)量作用定律。 2innp 本征載流子濃度及其溫度特性本征載流子濃度及其溫度特性鍺比

16、硅容易提純，所以最初發(fā)明的半導(dǎo)體三鍺比硅容易提純，所以最初發(fā)明的半導(dǎo)體三極管是鍺制成的。但是，鍺的禁帶寬度極管是鍺制成的。但是，鍺的禁帶寬度（0.67eV）只有硅的禁帶寬度（）只有硅的禁帶寬度（1.11eV）的）的大約一半，所以硅的電阻率比鍺大，而且在大約一半，所以硅的電阻率比鍺大，而且在較寬的禁帶中能夠更加有效地設(shè)置雜質(zhì)能級，較寬的禁帶中能夠更加有效地設(shè)置雜質(zhì)能級，所以后來硅半導(dǎo)體逐漸取代了鍺半導(dǎo)體。硅所以后來硅半導(dǎo)體逐漸取代了鍺半導(dǎo)體。硅取代鍺的另一個主要原因是在硅的表面能夠取代鍺的另一個主要原因是在硅的表面能夠形成一層極薄的形成一層極薄的SiO2絕緣膜，從而能夠制備絕緣膜，從而能夠制備M

17、OS型三極管。型三極管。 除了硅和鍺以外，還出現(xiàn)了像砷化鎵除了硅和鍺以外，還出現(xiàn)了像砷化鎵（GaAs）這樣由）這樣由族元素和族元素和族元素組成族元素組成的化合物半導(dǎo)體。在化合物半導(dǎo)體中，載的化合物半導(dǎo)體。在化合物半導(dǎo)體中，載流子的移動速率遠遠大于硅和鍺，所以能流子的移動速率遠遠大于硅和鍺，所以能夠制備更加高速的大規(guī)模集成電路。夠制備更加高速的大規(guī)模集成電路。 由于溫度會影響本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性，所以由于溫度會影響本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性，所以很難嚴格控制本征半導(dǎo)體的性能。但是，如很難嚴格控制本征半導(dǎo)體的性能。但是，如果在半導(dǎo)體材料中加入雜質(zhì)，可以得到非本果在半導(dǎo)體材料中加入雜質(zhì)，可以得到非本征半導(dǎo)體。

18、非本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性主要取決征半導(dǎo)體。非本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性主要取決于添加的雜質(zhì)原子的數(shù)量，而在一定溫度范于添加的雜質(zhì)原子的數(shù)量，而在一定溫度范圍內(nèi)與溫度關(guān)系不大。圍內(nèi)與溫度關(guān)系不大。二、雜質(zhì)半導(dǎo)體二、雜質(zhì)半導(dǎo)體 1、N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體多余電子多余電子磷原子磷原子硅原子硅原子+4+4+4+4+4+4+4+4+5多數(shù)載流子多數(shù)載流子自由電子自由電子少數(shù)載流子少數(shù)載流子 空穴空穴+N型半導(dǎo)體施主離子施主離子自由電子自由電子電子空穴對電子空穴對 在本征半導(dǎo)體中摻入三價雜質(zhì)元素，如硼、鎵等。在本征半導(dǎo)體中摻入三價雜質(zhì)元素，如硼、鎵等。空穴空穴硼原子硼原子硅原子硅原子+4+4+4+4+4+4+3+4+4多

19、數(shù)載流子多數(shù)載流子 空穴空穴少數(shù)載流子少數(shù)載流子自由電子自由電子P型半導(dǎo)體受主離子受主離子空穴空穴電子空穴對電子空穴對2 2、 P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子濃度一、電子占據(jù)施主能級的幾率一、電子占據(jù)施主能級的幾率 雜質(zhì)半導(dǎo)體中，施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)要么處于未離化的中性態(tài)，要么電離成為離化態(tài)。 以施主雜質(zhì)為例，電子占據(jù)施主能級時是中性態(tài)，離化后成為正電中心。因為費米分布函數(shù)中一個能級可以容納自旋方向相反的兩個電子，而施主雜質(zhì)能級上要么被一個任意自旋方向的電子占據(jù)(中性態(tài))，要么沒有被電子占據(jù)(離化態(tài))，這種情況下電子占據(jù)施主能級的幾率為 TkEEexp2111Ef0FDD如果施主雜質(zhì)濃度為

20、ND ，那么施主能級上的電子濃度為而電離施主雜質(zhì)濃度為 上式表明施主雜質(zhì)的離化情況與雜質(zhì)能級ED和費米能級EF的相對位置有關(guān)：如果ED-EFk0T，則未電離施主濃度nD0，而電離施主濃度nD+ ND，雜質(zhì)幾乎全部電離。如果費米能級EF與施主能級ED重合時，施主雜質(zhì)有1/3電離，還有2/3沒有電離。TkEEexp211N(E)fNn0FDDDDDTkEE2exp1NnNn0FDDDDD二、雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子濃度（n型） n型半導(dǎo)體中存在著帶負電的導(dǎo)帶電子(濃度為n0)、帶正電的價帶空穴(濃度為p0)和離化的施主雜質(zhì)(濃度為nD+)，因此電中性條件為 即 將n0、p0、nD+各表達式代入可得到一般求

21、解此式是有困難的。)TkEE2exp(1N)TkEEvNvexp()TkEEcNcexp(0FDD0F0F0qnqpqnD00D00npn 實驗表明，當(dāng)滿足Si中摻雜濃度不太高并且所處的溫度高于100K左右的條件時，那么雜質(zhì)一般是全部離化的，這樣電中性條件可以寫成 與 n0p0ni2 聯(lián)立求解，雜質(zhì)全部離化時的導(dǎo)帶電子濃度n0 一般Si平面三極管中摻雜濃度不低于51014cm-3，而室溫下Si的本征載流子濃度ni為1.51010cm-3，也就是說在一個相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)，本征激發(fā)產(chǎn)生的ni與全部電離的施主濃度ND相比是可以忽略的。這一溫度范圍約為100450K，稱為強電離區(qū)或飽和區(qū)，對應(yīng)的電子

22、濃度為D00Npn24nNNn2i2DD0D2i2DD0N24nNNn 強電離區(qū)導(dǎo)帶電子濃度n0ND，與溫度幾乎無關(guān)。通過變形也可以得到一般n型半導(dǎo)體的EF位于Ei之上Ec之下的禁帶中。EF既與溫度有關(guān)，也與雜質(zhì)濃度ND有關(guān)： 一定溫度下?lián)诫s濃度越高，費米能級EF距導(dǎo)帶底Ec越近； 如果摻雜一定，溫度越高EF距Ec越遠，也就是越趨向Ei。expCFCDEEnNnNkT由和DCFCNNkTEElnDiFiNnkTEEln 下圖是不同雜質(zhì)濃度條件下Si中的EF與溫度關(guān)系曲線。圖3.1 Si中不同摻雜濃度條件下費米能級與溫度的關(guān)系 n型半導(dǎo)體中電離施主濃度和總施主雜質(zhì)濃度兩者之比為將強電離區(qū)的式 代

23、入上式得到 可見 越小，雜質(zhì)電離越多。所以摻雜濃度ND低、溫度高、雜質(zhì)電離能ED低，雜質(zhì)離化程度就高，也容易達到強電離，通常以I+=nD+/ND=90%作為強電離標準。經(jīng)常所說的室溫下雜質(zhì)全部電離其實忽略了摻雜濃度的限制。I)TkEEc)exp(TkE2exp(11)TkEEcEcE2exp(11)TkEE2exp(11Nn0F0D0FD0FDDDNcN)TkEEcexp(D0FNcN)TkE2exp(11NnID0DDDNcN)TkE2exp(D0D 雜質(zhì)強電離后，如果溫度繼續(xù)升高，本征激發(fā)也進一步增強，當(dāng)ni可以與ND比擬時，本征載流子濃度就不能忽略了，這樣的溫度區(qū)間稱為過渡區(qū)。就可求出過

24、渡區(qū)以本征費米能級Ei為參考的費米能級EF 處在過渡區(qū)的半導(dǎo)體如果溫度再升高，本征激發(fā)產(chǎn)生的ni就會遠大于雜質(zhì)電離所提供的載流子濃度，此時，n0ND，p0ND，電中性條件是n0=p0，稱雜質(zhì)半導(dǎo)體進入了高溫本征激發(fā)區(qū)。在高溫本征激發(fā)區(qū)，因為n0=p0，此時的EF接近Ei。)TkEEiexp(n)TkEEiEiEcNcexp()TkEEcNcexp(n0Fi0F0F0i2i2DD0F2n4nNNTlnkEiE可見n型半導(dǎo)體的n0和EF是由溫度和摻雜情況決定的。雜質(zhì)濃度一定時，如果雜質(zhì)強電離后繼續(xù)升高溫度，施主雜質(zhì)對載流子的貢獻就基本不變了，但本征激發(fā)產(chǎn)生的ni隨溫度的升高逐漸變得不可忽視，甚至起

25、主導(dǎo)作用，而EF則隨溫度升高逐漸趨近Ei。半導(dǎo)體器件和集成電路就正常工作在雜質(zhì)全部離化而本征激發(fā)產(chǎn)生的ni遠小于離化雜質(zhì)濃度的強電離溫度區(qū)間。在一定溫度條件下，EF位置由雜質(zhì)濃度ND決定，隨著ND的增加，EF由本征時的Ei逐漸向?qū)У譋c移動。n型半導(dǎo)體的EF位于Ei之上，EF位置不僅反映了半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型，也反映了半導(dǎo)體的摻雜水平。 下圖是施主濃度為51014cm-3 的n型Si中隨溫度的關(guān)系曲線。低溫段(100K以下)由于雜質(zhì)不完全電離，n0隨著溫度的上升而增加；然后就達到了強電離區(qū)間，該區(qū)間n0=ND基本維持不變；溫度再升高，進入過渡區(qū)，ni不可忽視；如果溫度過高，本征載流子濃度開始占據(jù)

26、主導(dǎo)地位，雜質(zhì)半導(dǎo)體呈現(xiàn)出本征半導(dǎo)體的特性。圖 n型Si中導(dǎo)帶電子濃度和溫度的關(guān)系曲線如果用nn0表示n型半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子電子濃度，而pn0表示n型半導(dǎo)體中少數(shù)載流子空穴濃度，那么n型半導(dǎo)體中 在器件正常工作的強電離溫度區(qū)間，多子濃度nn0=ND基本不變，而少子濃度正比于ni2，而 ，也就是說在器件正常工作的較寬溫度范圍內(nèi)，隨溫度變化少子濃度發(fā)生顯著變化，因此依靠少子工作的半導(dǎo)體器件的溫度性能就會受到影響。 對p型半導(dǎo)體的討論與上述類似。no2inonnpTkEgexpTn032i可見，施主濃度越高，能量差(EC-EV)越小，即費米能級往導(dǎo)帶底部移近。同樣地，受主濃度越高，費米能級往價帶頂

27、端移近。expFVVAEEpNpNkT由和同樣，對如圖所示的淺層受主能級，假使完全電離，則空穴濃度為p=NA CEVEiE受主離子AEAVVFNNkTEEln非簡并半導(dǎo)體及其載流子濃度非簡并半導(dǎo)體及其載流子濃度本征半導(dǎo)體中的電子載流子和空穴載流子的本征半導(dǎo)體中的電子載流子和空穴載流子的數(shù)量相等，而非本征半導(dǎo)體中的電子載流子和數(shù)量相等，而非本征半導(dǎo)體中的電子載流子和空穴載流子的數(shù)量是不相等的?？昭ㄝd流子的數(shù)量是不相等的。非本征半導(dǎo)體中的由于雜質(zhì)原子而形成的載非本征半導(dǎo)體中的由于雜質(zhì)原子而形成的載流子稱為多數(shù)載流子，雖然摻入的雜質(zhì)原子的流子稱為多數(shù)載流子，雖然摻入的雜質(zhì)原子的數(shù)量與半導(dǎo)體原子數(shù)量相

28、比只是少數(shù)。而本征數(shù)量與半導(dǎo)體原子數(shù)量相比只是少數(shù)。而本征半導(dǎo)體中由于熱激發(fā)等產(chǎn)生的載流子稱為少數(shù)半導(dǎo)體中由于熱激發(fā)等產(chǎn)生的載流子稱為少數(shù)載流子。載流子。 本征半導(dǎo)體和非本征半導(dǎo)體的主要區(qū)別本征半導(dǎo)體和非本征半導(dǎo)體的主要區(qū)別化合物半導(dǎo)體通常具有與硅和鍺相似的能帶化合物半導(dǎo)體通常具有與硅和鍺相似的能帶結(jié)構(gòu)。周期表的結(jié)構(gòu)。周期表的族元素和族元素和族元素是典型族元素是典型的例子。的例子。族元素鎵（族元素鎵（Ga）和）和族元素砷族元素砷（As）結(jié)合在一起形成化合物砷化鎵。在砷）結(jié)合在一起形成化合物砷化鎵。在砷化鎵中，每個原子平均有化鎵中，每個原子平均有4個價電子。鎵的個價電子。鎵的4s24p1 能級與

29、砷的能級與砷的 4s24p3 的能級形成的能級形成2個雜個雜化能帶。每個能帶能夠容納化能帶。每個能帶能夠容納4N個電子。價帶個電子。價帶和導(dǎo)帶之間的禁帶寬度為和導(dǎo)帶之間的禁帶寬度為1.35eV。砷化鎵半。砷化鎵半導(dǎo)體摻雜后也可以形成導(dǎo)體摻雜后也可以形成p型半導(dǎo)體或型半導(dǎo)體或n型半導(dǎo)型半導(dǎo)體?；衔锇雽?dǎo)體的禁帶較大，所以耗盡區(qū)體。化合物半導(dǎo)體的禁帶較大，所以耗盡區(qū)平臺也較寬。而且化合物半導(dǎo)體中載流子的平臺也較寬。而且化合物半導(dǎo)體中載流子的移動速率較大，所以它的導(dǎo)電性比較好。移動速率較大，所以它的導(dǎo)電性比較好。 半導(dǎo)體熱電儀。半導(dǎo)體的導(dǎo)電性與溫度有關(guān)。半導(dǎo)體熱電儀。半導(dǎo)體的導(dǎo)電性與溫度有關(guān)。利用這

30、一特性可以制成半導(dǎo)體熱電儀，用于利用這一特性可以制成半導(dǎo)體熱電儀，用于火災(zāi)報警器。火災(zāi)報警器。 壓力傳感器。能帶結(jié)構(gòu)和禁帶結(jié)構(gòu)與材料中壓力傳感器。能帶結(jié)構(gòu)和禁帶結(jié)構(gòu)與材料中的原子之間的距離有關(guān)。處于高壓下的半導(dǎo)的原子之間的距離有關(guān)。處于高壓下的半導(dǎo)體材料，其原子間距離變小，禁帶也隨之變體材料，其原子間距離變小，禁帶也隨之變小，電導(dǎo)率增大。所以通過測量電導(dǎo)率的變小，電導(dǎo)率增大。所以通過測量電導(dǎo)率的變化，就可以測量壓力?；涂梢詼y量壓力。 半導(dǎo)體的應(yīng)用半導(dǎo)體的應(yīng)用 內(nèi)電場E因多子濃度差因多子濃度差形成內(nèi)電場形成內(nèi)電場多子的擴散多子的擴散 空間電荷區(qū)空間電荷區(qū) 阻止多子擴散，促使少子漂移。阻止多子

31、擴散，促使少子漂移。PNPN結(jié)合結(jié)合+P型半導(dǎo)體+N型半導(dǎo)體+空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)多子擴散電流多子擴散電流少子漂移電流少子漂移電流耗盡層耗盡層三三. . PN結(jié)及其單向?qū)щ娦越Y(jié)及其單向?qū)щ娦?1 . PN結(jié)的形成結(jié)的形成 少子飄移少子飄移補充耗盡層失去的多子，耗盡層窄，補充耗盡層失去的多子，耗盡層窄，E多子擴散多子擴散 又失去多子，耗盡層寬，又失去多子，耗盡層寬，EP型半導(dǎo)體+N型半導(dǎo)體+內(nèi)電場E多子擴散電流多子擴散電流少子漂移電流少子漂移電流耗盡層耗盡層動態(tài)平衡：動態(tài)平衡： 擴散電流擴散電流 漂移電流漂移電流總電流總電流0能帶圖能帶圖(band diagram) ：(a) 形成結(jié)前均勻摻雜p

32、型和n型半導(dǎo)體（b）熱平衡時，在耗盡區(qū)的電場及p-n結(jié)能帶圖圖3.4pnCEFEVECEFEVECEFEVECEFEVEEpn漂移擴散擴散漂移(a) 形成結(jié)前均勻摻雜p型和n型半導(dǎo)體（b）熱平衡時，在耗盡區(qū)的電場及p-n結(jié)能帶圖圖3.4pnCEFEVECEFEVEpnCEFEVECEFEVECEFEVECEFEVEEpn漂移擴散擴散漂移CEFEVECEFEVEEpn漂移擴散擴散漂移熱平衡狀態(tài)下的熱平衡狀態(tài)下的p-n結(jié)結(jié)(a)形 成 結(jié) 前 均 勻 摻 雜 p型 和 n型 半 導(dǎo) 體（ b） 熱 平 衡 時 ， 在 耗 盡 區(qū) 的 電 場 及 p-n結(jié) 能 帶 圖圖 3.4pnCEFEVECEF

33、EVECEFEVECEFEVEEpn漂 移擴 散擴 散漂 移(a)形 成 結(jié) 前 均 勻 摻 雜 p型 和 n型 半 導(dǎo) 體（ b） 熱 平 衡 時 ， 在 耗 盡 區(qū) 的 電 場 及 p-n結(jié) 能 帶 圖圖 3.4pnCEFEVECEFEVEpnCEFEVECEFEVECEFEVECEFEVEEpn漂 移擴 散擴 散漂 移CEFEVECEFEVEEpn漂 移擴 散擴 散漂 移內(nèi)建電勢(built-in protential)Vbi ：熱平衡狀態(tài)下的熱平衡狀態(tài)下的p-n結(jié)結(jié)pn冶 金 結(jié)（ a） 冶 金 結(jié) 中 突 變 摻 雜 的 p-n結(jié)pqbiqVCEFEiEVEaq勢電靜iE能勢子電（

34、b） 在 熱 平 衡 下 突 變 結(jié) 的 能 帶 圖（ c） 空 間 電 荷 分 布（ d） 空 間 電 荷 的 長 方 形 近 似圖 4.50耗 盡 區(qū)型 中 性 區(qū)p型 中 性 區(qū)n過 渡 區(qū)過 渡 區(qū)所 造 成 的 電 荷 密 度未 補 償 的 雜 質(zhì) 離 子ADNNx型 中 性 區(qū)p型 中 性 區(qū)nADNN0耗 盡 區(qū)xpxnxpn冶 金 結(jié)pn冶 金 結(jié)（ a） 冶 金 結(jié) 中 突 變 摻 雜 的 p-n結(jié)pqbiqVCEFEiEVEaq勢電靜iE能勢子電pqbiqVCEFEiEVEaq勢電靜iE能勢子電（ b） 在 熱 平 衡 下 突 變 結(jié) 的 能 帶 圖（ c） 空 間 電 荷

35、 分 布（ d） 空 間 電 荷 的 長 方 形 近 似圖 4.50耗 盡 區(qū)型 中 性 區(qū)p型 中 性 區(qū)n過 渡 區(qū)過 渡 區(qū)所 造 成 的 電 荷 密 度未 補 償 的 雜 質(zhì) 離 子ADNNx0耗 盡 區(qū)型 中 性 區(qū)p型 中 性 區(qū)n過 渡 區(qū)過 渡 區(qū)所 造 成 的 電 荷 密 度未 補 償 的 雜 質(zhì) 離 子ADNN0耗 盡 區(qū)型 中 性 區(qū)p型 中 性 區(qū)n過 渡 區(qū)過 渡 區(qū)所 造 成 的 電 荷 密 度未 補 償 的 雜 質(zhì) 離 子ADNNx型 中 性 區(qū)p型 中 性 區(qū)nADNN0耗 盡 區(qū)xpxnx型 中 性 區(qū)p型 中 性 區(qū)nADNN0耗 盡 區(qū)xpxnx)ln(i

36、ApnNqkT)ln(iDnnNqkTp型中性區(qū)相對于費米能級的靜電電勢n型中性區(qū)相對于費米能級的靜電勢pn冶 金 結(jié)（ a） 冶 金 結(jié) 中 突 變 摻 雜 的 p-n結(jié)pqbiqVCEFEiEVEaq勢電靜iE能勢子電（ b） 在 熱 平 衡 下 突 變 結(jié) 的 能 帶 圖（ c） 空 間 電 荷 分 布（ d） 空 間 電 荷 的 長 方 形 近 似圖 4.50耗 盡 區(qū)型 中 性 區(qū)p型 中 性 區(qū)n過 渡 區(qū)過 渡 區(qū)所 造 成 的 電 荷 密 度未 補 償 的 雜 質(zhì) 離 子ADNNx型 中 性 區(qū)p型 中 性 區(qū)nADNN0耗 盡 區(qū)xpxnxpn冶 金 結(jié)pn冶 金 結(jié)（ a）

37、 冶 金 結(jié) 中 突 變 摻 雜 的 p-n結(jié)pqbiqVCEFEiEVEaq勢電靜iE能勢子電pqbiqVCEFEiEVEaq勢電靜iE能勢子電（ b） 在 熱 平 衡 下 突 變 結(jié) 的 能 帶 圖（ c） 空 間 電 荷 分 布（ d） 空 間 電 荷 的 長 方 形 近 似圖 4.50耗 盡 區(qū)型 中 性 區(qū)p型 中 性 區(qū)n過 渡 區(qū)過 渡 區(qū)所 造 成 的 電 荷 密 度未 補 償 的 雜 質(zhì) 離 子ADNNx0耗 盡 區(qū)型 中 性 區(qū)p型 中 性 區(qū)n過 渡 區(qū)過 渡 區(qū)所 造 成 的 電 荷 密 度未 補 償 的 雜 質(zhì) 離 子ADNN0耗 盡 區(qū)型 中 性 區(qū)p型 中 性 區(qū)

38、n過 渡 區(qū)過 渡 區(qū)所 造 成 的 電 荷 密 度未 補 償 的 雜 質(zhì) 離 子ADNNx型 中 性 區(qū)p型 中 性 區(qū)nADNN0耗 盡 區(qū)xpxnx型 中 性 區(qū)p型 中 性 區(qū)nADNN0耗 盡 區(qū)xpxnx在熱平衡時，p型和n型中性區(qū)的總靜電勢差即為內(nèi)建電勢Vbi)ln(2iDApnbinNNqkTV2. PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦?1) 加正向電壓（正偏）加正向電壓（正偏）電源正極接電源正極接P區(qū)，負極接區(qū)，負極接N區(qū)區(qū) 外電場的方向與內(nèi)電場方向相反。外電場的方向與內(nèi)電場方向相反。 外電場削弱內(nèi)電場外電場削弱內(nèi)電場 耗盡層變窄耗盡層變窄 擴散運動漂移運動擴散運動漂移運動多子多

39、子擴散形成正向電流擴散形成正向電流I I F F+P型半導(dǎo)體+N型半導(dǎo)體+WER空間電荷區(qū)內(nèi)電場E正向電流正向電流 (2) 加反向電壓加反向電壓電源正極接電源正極接N區(qū)，負極接區(qū)，負極接P區(qū)區(qū) 外電場的方向與內(nèi)電場方向相同。外電場的方向與內(nèi)電場方向相同。 外電場加強內(nèi)電場外電場加強內(nèi)電場 耗盡層變寬耗盡層變寬 漂移運動擴散運動漂移運動擴散運動少子漂移形成反向電流少子漂移形成反向電流I I R R+內(nèi)電場+E+EW+空 間 電 荷 區(qū)+R+IRPN 在一定的溫度下，由本在一定的溫度下，由本征激發(fā)產(chǎn)生的少子濃度是征激發(fā)產(chǎn)生的少子濃度是一定的，故一定的，故IR基本上與外基本上與外加反壓的大小無關(guān)加反

40、壓的大小無關(guān)，所以所以稱為稱為反向飽和電流反向飽和電流。但。但IR與溫度有關(guān)與溫度有關(guān)。 PN結(jié)加正向電壓時，具有較大的正向結(jié)加正向電壓時，具有較大的正向擴散電流，呈現(xiàn)低電阻，擴散電流，呈現(xiàn)低電阻， PN結(jié)導(dǎo)通；結(jié)導(dǎo)通； PN結(jié)加反向電壓時，具有很小的反向結(jié)加反向電壓時，具有很小的反向漂移電流，呈現(xiàn)高電阻，漂移電流，呈現(xiàn)高電阻， PN結(jié)截止。結(jié)截止。 由此可以得出結(jié)論：由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)ЫY(jié)具有單向?qū)щ娦?。電性。耗盡區(qū)圖圖 p-n結(jié)的整流效應(yīng)結(jié)的整流效應(yīng) 當(dāng)一足夠大的反向電壓加在p-n結(jié)時，結(jié)會擊穿而導(dǎo)通一非常大的電流兩種重要的擊穿機制為隧道效應(yīng)和雪崩倍增對大部分的二極管而言，雪

41、崩擊穿限制反向偏壓的上限，也限制了雙極型晶體管的集電極電壓 當(dāng)一反向強電場加在p-n結(jié)時，價電子可以由價帶移動到導(dǎo)帶，如圖所示這種電子穿過禁帶的過程稱為隧穿隧穿只發(fā)生在電場很高的時候?qū)韬蜕榛?，其典型電場大約為106V/cm或更高為了得到如此高的電場，p區(qū)和n區(qū)的摻雜濃度必須相當(dāng)高(51017cm-3) 隧道效應(yīng)隧道效應(yīng)( (tunneling effect) )：CEVECEVEECEVECEVEE(a)隧 道 效 應(yīng)123 2 3CEVECEVEE123 2 3CEVECEVEE(b )雪 崩 倍 增圖 3 .2 4 在 結(jié) 擊 穿 條 件 下 的 能 帶 圖結(jié)擊穿結(jié)擊穿 雪崩倍增的過程

42、如圖所示在反向偏壓下，在耗盡區(qū)因熱產(chǎn)生的電子(標示1)，由電場得到動能 如果電場足夠大，電子可以獲得足夠的動能，以致于當(dāng)和原子產(chǎn)生撞擊時，可以破壞鍵而產(chǎn)生電子-空穴對(2和2)這些新產(chǎn)生的電子和空穴，可由電場獲得動能，并產(chǎn)生額外的電子-空穴對(譬如3和3)這些過程生生不息， 連 續(xù) 產(chǎn) 生 新 的電子 -空穴對這種過程稱為雪崩倍增雪崩倍增 雪崩倍增雪崩倍增( (avalanche multiplication) )CEVECEVEECEVECEVEE(a) 隧 道 效 應(yīng)123 2 3CEVECEVEE123 2 3CEVECEVEE(b) 雪 崩 倍 增圖 3.24 在 結(jié) 擊 穿 條 件

43、下 的 能 帶 圖結(jié)擊穿結(jié)擊穿5.4.2半導(dǎo)體的物理效應(yīng)5.4.2.1余輝效應(yīng) 5.4.2.1發(fā)光二極管 5.4.2.1激光二極管 5.4.2.1光伏特效應(yīng) 5.4.2.1余輝效應(yīng) 價帶的電子受到入射光子的激發(fā)后，會躍價帶的電子受到入射光子的激發(fā)后，會躍過禁帶進入導(dǎo)帶。如果導(dǎo)帶上的這些被激過禁帶進入導(dǎo)帶。如果導(dǎo)帶上的這些被激發(fā)的電子又躍遷回到價帶時，會以放出光發(fā)的電子又躍遷回到價帶時，會以放出光子的形式來釋放能量，這就是光致發(fā)光效子的形式來釋放能量，這就是光致發(fā)光效應(yīng)，也稱為熒光效應(yīng)。應(yīng)，也稱為熒光效應(yīng)。 光致發(fā)光效應(yīng)光致發(fā)光效應(yīng)圖圖5.18熒光產(chǎn)生原理熒光產(chǎn)生原理(a) 沒有禁帶的金屬沒有禁

44、帶的金屬;(b) 有禁帶的半導(dǎo)體有禁帶的半導(dǎo)體 光致發(fā)光現(xiàn)象不會在金屬中產(chǎn)生。因為在金屬光致發(fā)光現(xiàn)象不會在金屬中產(chǎn)生。因為在金屬中，價帶沒有充滿電子，低能級的電子只會激中，價帶沒有充滿電子，低能級的電子只會激發(fā)到同一價帶的高能級。在同一價帶內(nèi)，電子發(fā)到同一價帶的高能級。在同一價帶內(nèi)，電子從高能級躍遷回到低能級，所釋放的能量太小，從高能級躍遷回到低能級，所釋放的能量太小，產(chǎn)生的光子的波長太長，遠遠超過可見光的波產(chǎn)生的光子的波長太長，遠遠超過可見光的波長。長。 在某些陶瓷和半導(dǎo)體中，價帶和導(dǎo)帶之間的在某些陶瓷和半導(dǎo)體中，價帶和導(dǎo)帶之間的禁帶寬度不大不小，所以被激發(fā)的電子從導(dǎo)禁帶寬度不大不小，所以被

45、激發(fā)的電子從導(dǎo)帶躍過禁帶回到價帶時釋放的光子波長剛好帶躍過禁帶回到價帶時釋放的光子波長剛好在可見光波段。這樣的材料稱為熒光材料。在可見光波段。這樣的材料稱為熒光材料。 日光燈燈管的內(nèi)壁涂有熒光物質(zhì)。管內(nèi)的汞日光燈燈管的內(nèi)壁涂有熒光物質(zhì)。管內(nèi)的汞蒸氣在電場作用下發(fā)出紫外線，這些紫外線蒸氣在電場作用下發(fā)出紫外線，這些紫外線轟擊在熒光物質(zhì)上使其發(fā)光。關(guān)掉電源后熒轟擊在熒光物質(zhì)上使其發(fā)光。關(guān)掉電源后熒光物質(zhì)便不再發(fā)光。光物質(zhì)便不再發(fā)光。圖圖5.19余輝產(chǎn)生原理余輝產(chǎn)生原理 余輝現(xiàn)象余輝現(xiàn)象如果熒光材料中含有一些微量雜質(zhì)，且這些雜如果熒光材料中含有一些微量雜質(zhì)，且這些雜質(zhì)的能級位于禁帶內(nèi)，相當(dāng)于陷阱能級

46、質(zhì)的能級位于禁帶內(nèi)，相當(dāng)于陷阱能級(Ed)，從價帶被激發(fā)的電子進入導(dǎo)帶后，又會掉入這從價帶被激發(fā)的電子進入導(dǎo)帶后，又會掉入這些陷阱能級。因為這些被陷阱能級所捕獲的激些陷阱能級。因為這些被陷阱能級所捕獲的激發(fā)電子必須首先脫離陷阱能級進入導(dǎo)帶后才能發(fā)電子必須首先脫離陷阱能級進入導(dǎo)帶后才能躍遷回到價帶，所以它們被入射光子激發(fā)后，躍遷回到價帶，所以它們被入射光子激發(fā)后，需要延遲一段時間才會發(fā)光，出現(xiàn)了所謂的余需要延遲一段時間才會發(fā)光，出現(xiàn)了所謂的余輝現(xiàn)象。輝現(xiàn)象。 余輝時間取決于這些陷阱能級與導(dǎo)帶之間的能余輝時間取決于這些陷阱能級與導(dǎo)帶之間的能級差，即陷阱能級深度。因為在一定溫度下，級差，即陷阱能級深

47、度。因為在一定溫度下，處于較深的陷阱能級上的電子被熱重新激發(fā)到處于較深的陷阱能級上的電子被熱重新激發(fā)到導(dǎo)帶的幾率較小，或者電子進入導(dǎo)帶后又落入導(dǎo)帶的幾率較小，或者電子進入導(dǎo)帶后又落入其他陷阱能級（發(fā)生多次捕獲），這些情況都其他陷阱能級（發(fā)生多次捕獲），這些情況都使余輝時間變長，也就是使發(fā)光的衰減很慢。使余輝時間變長，也就是使發(fā)光的衰減很慢。 余輝時間余輝時間5.4.2.2發(fā)光二極管 余輝效應(yīng)是入射光引起的半導(dǎo)體發(fā)光現(xiàn)象，余輝效應(yīng)是入射光引起的半導(dǎo)體發(fā)光現(xiàn)象，而發(fā)光二極管則是電場引起的半導(dǎo)體發(fā)光現(xiàn)而發(fā)光二極管則是電場引起的半導(dǎo)體發(fā)光現(xiàn)象。象。 圖圖5.21注入發(fā)光能注入發(fā)光能帶圖帶圖(a) 平衡

48、平衡p-n結(jié)結(jié);(b) 正偏注入發(fā)光正偏注入發(fā)光 在正向偏壓的作用下，在正向偏壓的作用下，p-n結(jié)勢壘降低，勢壘結(jié)勢壘降低，勢壘區(qū)內(nèi)建電場也相應(yīng)減弱，載流子也會在正向偏區(qū)內(nèi)建電場也相應(yīng)減弱，載流子也會在正向偏壓的作用下發(fā)生擴散。壓的作用下發(fā)生擴散。n型半導(dǎo)體區(qū)內(nèi)的多數(shù)型半導(dǎo)體區(qū)內(nèi)的多數(shù)載流子電子擴散到載流子電子擴散到p型半導(dǎo)體區(qū)，同時型半導(dǎo)體區(qū)，同時p型半型半導(dǎo)體區(qū)內(nèi)的多數(shù)載流子空穴擴散到導(dǎo)體區(qū)內(nèi)的多數(shù)載流子空穴擴散到n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體區(qū)。這些注入到區(qū)。這些注入到p區(qū)的載流子電子和注入到區(qū)的載流子電子和注入到n區(qū)的載流子空穴都是非平衡的少數(shù)載流子。這區(qū)的載流子空穴都是非平衡的少數(shù)載流子。這些非

49、平衡的少數(shù)載流子不斷與多數(shù)載流子復(fù)合些非平衡的少數(shù)載流子不斷與多數(shù)載流子復(fù)合而發(fā)光，這就是半導(dǎo)體而發(fā)光，這就是半導(dǎo)體p-n結(jié)發(fā)光的原理。結(jié)發(fā)光的原理。 半導(dǎo)體半導(dǎo)體p-np-n結(jié)發(fā)光的原理結(jié)發(fā)光的原理導(dǎo)致發(fā)光的能級躍遷除了可以在導(dǎo)帶與價帶導(dǎo)致發(fā)光的能級躍遷除了可以在導(dǎo)帶與價帶這樣的帶與帶之間（稱為本征躍遷）發(fā)生外，這樣的帶與帶之間（稱為本征躍遷）發(fā)生外，還可以在雜質(zhì)能級與帶之間、雜質(zhì)能級之間還可以在雜質(zhì)能級與帶之間、雜質(zhì)能級之間（稱為非本征躍遷）發(fā)生。（稱為非本征躍遷）發(fā)生。 圖圖5.22 材料發(fā)光與能級躍遷材料發(fā)光與能級躍遷 導(dǎo)帶上的電子還會以熱量的形式釋放出一部導(dǎo)帶上的電子還會以熱量的形式

50、釋放出一部分能量后掉入雜質(zhì)能級，然后再向價帶躍遷。分能量后掉入雜質(zhì)能級，然后再向價帶躍遷。這種躍遷稱為間接躍遷，其能量小于禁帶寬這種躍遷稱為間接躍遷，其能量小于禁帶寬度。間接躍遷可以有度。間接躍遷可以有4種類型。種類型。 圖圖5.23發(fā)光二級管的發(fā)光顏色與材料成分的關(guān)系發(fā)光二級管的發(fā)光顏色與材料成分的關(guān)系 能級躍遷所產(chǎn)生的光子并不能夠全部傳到半能級躍遷所產(chǎn)生的光子并不能夠全部傳到半導(dǎo)體材料的外部來。因為從發(fā)光區(qū)發(fā)出的光導(dǎo)體材料的外部來。因為從發(fā)光區(qū)發(fā)出的光子不僅在通過半導(dǎo)體材料時有可能被再吸收，子不僅在通過半導(dǎo)體材料時有可能被再吸收，而且在半導(dǎo)體的表面處很可能發(fā)生全發(fā)射而而且在半導(dǎo)體的表面處很

51、可能發(fā)生全發(fā)射而返回到半導(dǎo)體材料內(nèi)部。為了避免這種現(xiàn)象，返回到半導(dǎo)體材料內(nèi)部。為了避免這種現(xiàn)象，可以將半導(dǎo)體材料表面制成球面，并使發(fā)光可以將半導(dǎo)體材料表面制成球面，并使發(fā)光區(qū)域處于球心位置。區(qū)域處于球心位置。 5.4.2.3激光二極管 處于低能級的電子吸收一個入射光子后，從低能處于低能級的電子吸收一個入射光子后，從低能級被激發(fā)到高能級，這個過程稱為光吸收。級被激發(fā)到高能級，這個過程稱為光吸收。 當(dāng)電子從高能級躍遷回到低能級時，會輻射放出當(dāng)電子從高能級躍遷回到低能級時，會輻射放出一個光子，這種輻射稱為自發(fā)輻射。一個光子，這種輻射稱為自發(fā)輻射。 除了自發(fā)輻射外，還有一種受激輻射。在受激輻射除了自發(fā)

52、輻射外，還有一種受激輻射。在受激輻射過程中，處于高能級的電子受到入射光子的作用，過程中，處于高能級的電子受到入射光子的作用，躍遷到低能級，并輻射放出一個與入射光子在頻率、躍遷到低能級，并輻射放出一個與入射光子在頻率、位相、傳播方向、偏振狀態(tài)等各方面完全相同的光位相、傳播方向、偏振狀態(tài)等各方面完全相同的光子。子。當(dāng)注入光子時，自發(fā)輻射與受激輻射這兩種當(dāng)注入光子時，自發(fā)輻射與受激輻射這兩種過程究竟哪一種占主導(dǎo)地位，取決于處于高過程究竟哪一種占主導(dǎo)地位，取決于處于高能級上和處于低能級上的電子數(shù)量之比。能級上和處于低能級上的電子數(shù)量之比。如果處于高能級上的電子數(shù)大于處于低能如果處于高能級上的電子數(shù)大于

53、處于低能級上的電子數(shù)，受激輻射就會超過光吸收級上的電子數(shù)，受激輻射就會超過光吸收產(chǎn)生的自發(fā)輻射，就會導(dǎo)致激光的產(chǎn)生。產(chǎn)生的自發(fā)輻射，就會導(dǎo)致激光的產(chǎn)生。高濃度摻雜的高濃度摻雜的p-n結(jié)制成的激光二極管結(jié)制成的激光二極管 對于高濃度摻雜的半導(dǎo)體對于高濃度摻雜的半導(dǎo)體p-n結(jié)，由于雜質(zhì)濃度結(jié)，由于雜質(zhì)濃度很高，很高，n型區(qū)內(nèi)來自雜質(zhì)能級的載流子電子非常型區(qū)內(nèi)來自雜質(zhì)能級的載流子電子非常多，費密能級位于導(dǎo)帶之中。另外，多，費密能級位于導(dǎo)帶之中。另外，p型區(qū)的價型區(qū)的價帶中的載流子空穴也非常多，帶中的載流子空穴也非常多，p型區(qū)的費密能級型區(qū)的費密能級位于價帶之中。當(dāng)加上正向偏壓時，位于價帶之中。當(dāng)加上

54、正向偏壓時，n區(qū)向區(qū)向p區(qū)區(qū)注入載流子電子，而注入載流子電子，而p區(qū)向區(qū)向n區(qū)注入載流子空穴。區(qū)注入載流子空穴。激光二極管為高濃度摻雜半導(dǎo)體，平衡時勢壘激光二極管為高濃度摻雜半導(dǎo)體，平衡時勢壘很高，所加正向電壓不足以使勢壘消失。這些很高，所加正向電壓不足以使勢壘消失。這些載流子電子和載流子空穴聚集在載流子電子和載流子空穴聚集在p-n結(jié)附近，形結(jié)附近，形成所謂的激活區(qū)。成所謂的激活區(qū)。 圖圖5.24 半導(dǎo)體激光產(chǎn)生原理半導(dǎo)體激光產(chǎn)生原理 5.4.2.4光伏特效應(yīng) 光激發(fā)伏特效應(yīng)是另一個重要的半導(dǎo)體物光激發(fā)伏特效應(yīng)是另一個重要的半導(dǎo)體物理效應(yīng)，是太陽能電池的理論基礎(chǔ)。理效應(yīng)，是太陽能電池的理論基礎(chǔ)

55、。 硅太陽能電池就是利用硅太陽能電池就是利用p-n結(jié)制成結(jié)制成 圖圖5.25光伏特效應(yīng)原理光伏特效應(yīng)原理 當(dāng)禁帶寬度相等的當(dāng)禁帶寬度相等的p型半導(dǎo)體與型半導(dǎo)體與n型半導(dǎo)體結(jié)型半導(dǎo)體結(jié)合（即為同質(zhì)結(jié)）時，由于二者的母體可以合（即為同質(zhì)結(jié)）時，由于二者的母體可以采用同種材料（如硅），二者的結(jié)合面的共采用同種材料（如硅），二者的結(jié)合面的共格性能很好，很少產(chǎn)生缺陷，而這些缺陷作格性能很好，很少產(chǎn)生缺陷，而這些缺陷作為電子捕獲中心，會降低太陽能電池的性能。為電子捕獲中心，會降低太陽能電池的性能。p-n結(jié)太陽能電池的特點是對半導(dǎo)體材料的純結(jié)太陽能電池的特點是對半導(dǎo)體材料的純度要求很高。如果不控制好雜質(zhì)原子

56、，就得不度要求很高。如果不控制好雜質(zhì)原子，就得不到所需的到所需的p型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體。另外，激型半導(dǎo)體。另外，激發(fā)產(chǎn)生的空穴和電子對很容易相互結(jié)合而消失，發(fā)產(chǎn)生的空穴和電子對很容易相互結(jié)合而消失，從而降低了電池效率。所以從而降低了電池效率。所以p-n結(jié)太陽能電池結(jié)太陽能電池始終難以得到大規(guī)模應(yīng)用。始終難以得到大規(guī)模應(yīng)用。 近年來，近年來，TiO2半導(dǎo)體的光催化性能引起人們半導(dǎo)體的光催化性能引起人們的重視。本田的重視。本田-藤島（藤島（Honda-Fijishima）在）在1972年發(fā)現(xiàn)，水溶液中的年發(fā)現(xiàn)，水溶液中的TiO2電極被光照射電極被光照射后，在二氧化鈦電極上會產(chǎn)生氧氣，在對

57、極后，在二氧化鈦電極上會產(chǎn)生氧氣，在對極的鉑電極上會產(chǎn)生氫氣。光激發(fā)的電子進入的鉑電極上會產(chǎn)生氫氣。光激發(fā)的電子進入半導(dǎo)體電極內(nèi)部，空穴到達半導(dǎo)體表面。此半導(dǎo)體電極內(nèi)部，空穴到達半導(dǎo)體表面。此空穴與水里的氧離子相互作用，電子則通過空穴與水里的氧離子相互作用，電子則通過鉑電極與氫離子相互作用。這一效應(yīng)又稱為鉑電極與氫離子相互作用。這一效應(yīng)又稱為Honda-Fijishima效應(yīng)。效應(yīng)。 Honda-Fijishima效應(yīng)給了人們一種利用太效應(yīng)給了人們一種利用太陽能將水分解成氫氣和氧氣的可能性。電解陽能將水分解成氫氣和氧氣的可能性。電解水最少需水最少需1.23eV的電壓，所以半導(dǎo)體禁帶至的電壓，所以半導(dǎo)體禁帶至少要少要1.23eV以上，實際需要以上，實際需要2eV以上。二氧以上。二氧化鈦的禁帶有化鈦的禁帶有3eV，滿足此條件，滿足此條件，SnO2也滿也滿足此條件。足此條件。 由于由于TiO2半導(dǎo)體的禁帶寬度比較大，如果制半導(dǎo)體的禁帶寬度比較大，如果制成太陽能電池，則只有波長很短的