第3章探測(cè)器的基本原理

1、光輻射探測(cè)器的理論基礎(chǔ)光輻射探測(cè)器的理論基礎(chǔ)簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介 光輻射探測(cè)器是一種由入射光輻射引起可光輻射探測(cè)器是一種由入射光輻射引起可度量物理效應(yīng)的器件。探測(cè)器分類(lèi)：度量物理效應(yīng)的器件。探測(cè)器分類(lèi)： 光電探測(cè)器光電探測(cè)器 真空光電器件：真空光電器件：光電管、光電倍增管、 真空攝像管、變像管、象增強(qiáng)器。 固體光電器件固體光電器件：光敏電阻、光電池等等 熱探測(cè)器熱探測(cè)器： 熱電偶熱電堆、熱釋電探測(cè)器熱電偶熱電堆、熱釋電探測(cè)器等等等等3.1 3.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)半導(dǎo)體基礎(chǔ)回憶回憶. 導(dǎo)體：導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱(chēng)為自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱(chēng)為導(dǎo)體導(dǎo)體 金屬一般都是導(dǎo)體。金屬一般都是導(dǎo)體。絕緣體：絕緣體

2、：有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱(chēng)為有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱(chēng)為絕緣體絕緣體， 如橡皮、陶瓷、塑料和石英。如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導(dǎo)體：半導(dǎo)體：另有一類(lèi)物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和另有一類(lèi)物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱(chēng)為絕緣體之間，稱(chēng)為半導(dǎo)體半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。鎵和一些硫化物、氧化物等。一、半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)一、半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu) 電子器件所用的半導(dǎo)體具有晶體結(jié)構(gòu)，電子器件所用的半導(dǎo)體具有晶體結(jié)構(gòu)，大多數(shù)是晶體材料。大多數(shù)是晶體材料。 晶體分為晶體分為單晶單晶和和多晶多晶。單晶：?jiǎn)尉В涸谝粔K材料中原子全部按照有規(guī)則的周在一塊材料中原子全部按照有規(guī)則的周期性排列，這種晶

3、體成為單晶。期性排列，這種晶體成為單晶。多晶：多晶：只在很小范圍內(nèi)原子有規(guī)則的排列，形只在很小范圍內(nèi)原子有規(guī)則的排列，形成小晶粒，而晶粒之間有無(wú)規(guī)則排列的晶粒成小晶粒，而晶粒之間有無(wú)規(guī)則排列的晶粒界隔開(kāi)，這種材料稱(chēng)為多晶。界隔開(kāi)，這種材料稱(chēng)為多晶。1 1、電子的共有化運(yùn)動(dòng)、電子的共有化運(yùn)動(dòng) 在孤立原子中電子遵守在孤立原子中電子遵守泡利不相容原理泡利不相容原理能量最低原理。能量最低原理。泡利不相容原理：泡利不相容原理：原子中同一能級(jí)的核外電子原子中同一能級(jí)的核外電子軌道中只能容納自旋相反的兩個(gè)電子，每個(gè)電軌道中只能容納自旋相反的兩個(gè)電子，每個(gè)電子層中可能容納軌道數(shù)是子層中可能容納軌道數(shù)是n n2

4、 2個(gè)、每層最多容納個(gè)、每層最多容納電子數(shù)是電子數(shù)是2n2n2 2 。能量最低原理：能量最低原理：核外電子總是先占有能量最低核外電子總是先占有能量最低的軌道，只有能量最低的軌道占滿(mǎn)后，電子才的軌道，只有能量最低的軌道占滿(mǎn)后，電子才依次進(jìn)入能量較高的軌道。依次進(jìn)入能量較高的軌道。 在半導(dǎo)體中，原子之間距離很近，使原子在半導(dǎo)體中，原子之間距離很近，使原子的各個(gè)殼層之間有不同程度的交疊。以的各個(gè)殼層之間有不同程度的交疊。以硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)為例：硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)為例：電子共有化運(yùn)動(dòng)的過(guò)程 殼層的交疊使原子不再局限于某一個(gè)原子上，它殼層的交疊使原子不再局限于某一個(gè)原子上，它可能轉(zhuǎn)移到相鄰原子的相似殼

5、層上去，也可能從相可能轉(zhuǎn)移到相鄰原子的相似殼層上去，也可能從相鄰原子運(yùn)動(dòng)到更遠(yuǎn)的原子殼層上去，這樣原子有可鄰原子運(yùn)動(dòng)到更遠(yuǎn)的原子殼層上去，這樣原子有可能在整個(gè)晶體中運(yùn)動(dòng)，晶體中電子的這種運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為能在整個(gè)晶體中運(yùn)動(dòng)，晶體中電子的這種運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為電子的電子的共有化運(yùn)動(dòng)共有化運(yùn)動(dòng)。共有化運(yùn)動(dòng)只能共有化運(yùn)動(dòng)只能在原子中相似的在原子中相似的殼層間進(jìn)行殼層間進(jìn)行2 2、能帶結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)(energy band)(energy band) 量子力學(xué)計(jì)算表明，固體中若有量子力學(xué)計(jì)算表明，固體中若有N N個(gè)個(gè)原子，由于各原子間的相互作用，對(duì)應(yīng)于原子，由于各原子間的相互作用，對(duì)應(yīng)于原來(lái)孤立原子的每一個(gè)能級(jí)原來(lái)孤立原

6、子的每一個(gè)能級(jí), ,變成了變成了N N條靠條靠得很近的能級(jí)得很近的能級(jí), ,稱(chēng)為能帶。稱(chēng)為能帶。能帶的寬度記作能帶的寬度記作 E ，數(shù)量級(jí)，數(shù)量級(jí)為為 EeV。 若若N1023,則能帶中兩能級(jí)的則能帶中兩能級(jí)的間距約間距約10-23eV。一般規(guī)律：一般規(guī)律： 1. 越是外層電子，能帶越寬，越是外層電子，能帶越寬， E 越大。越大。 2. 點(diǎn)陣間距越小，能帶越寬，點(diǎn)陣間距越小，能帶越寬， E 越大。越大。 3. 兩個(gè)能帶有可能重疊。兩個(gè)能帶有可能重疊。離子間距離子間距a2P2S1SE0能帶重疊示意圖能帶重疊示意圖原子能級(jí)分裂成能帶的示意圖1.1.滿(mǎn)帶滿(mǎn)帶：能帶中各能級(jí)都被電子填滿(mǎn)。：能帶中各能級(jí)

7、都被電子填滿(mǎn)。滿(mǎn)帶中的電子不能起導(dǎo)電作用滿(mǎn)帶中的電子不能起導(dǎo)電作用 晶體加外電場(chǎng)時(shí)，電子只能在帶內(nèi)不同能晶體加外電場(chǎng)時(shí)，電子只能在帶內(nèi)不同能級(jí)間交換，不能改變電子在能帶中的總體級(jí)間交換，不能改變電子在能帶中的總體分布。分布。滿(mǎn)帶中的電子由原占據(jù)的能級(jí)向帶內(nèi)任一滿(mǎn)帶中的電子由原占據(jù)的能級(jí)向帶內(nèi)任一能級(jí)轉(zhuǎn)移時(shí)，必有電子沿相反方向轉(zhuǎn)換，能級(jí)轉(zhuǎn)移時(shí)，必有電子沿相反方向轉(zhuǎn)換，因此，不會(huì)產(chǎn)生定向電流，不能起導(dǎo)電作因此，不會(huì)產(chǎn)生定向電流，不能起導(dǎo)電作用。用。2.2.空帶空帶：所有能級(jí)均未被電子填充的能帶。所有能級(jí)均未被電子填充的能帶。由原子的激發(fā)態(tài)能級(jí)分裂而成，正常情由原子的激發(fā)態(tài)能級(jí)分裂而成，正常情況下空

8、著；況下空著；當(dāng)有激發(fā)因素當(dāng)有激發(fā)因素( (熱激發(fā)、光激發(fā)熱激發(fā)、光激發(fā)) )時(shí)，價(jià)時(shí)，價(jià)帶中的電子可被激發(fā)進(jìn)入空帶；帶中的電子可被激發(fā)進(jìn)入空帶；在外電場(chǎng)作用下，這些電子的轉(zhuǎn)移可形在外電場(chǎng)作用下，這些電子的轉(zhuǎn)移可形成電流。所以，空帶也是導(dǎo)帶。成電流。所以，空帶也是導(dǎo)帶。3.3.導(dǎo)帶導(dǎo)帶：被電子部分填充的能帶。被電子部分填充的能帶。在外電場(chǎng)作用下，電子可向帶內(nèi)未被填在外電場(chǎng)作用下，電子可向帶內(nèi)未被填充的高能級(jí)轉(zhuǎn)移，因而可形成電流。充的高能級(jí)轉(zhuǎn)移，因而可形成電流。 價(jià)帶價(jià)帶：價(jià)電子能級(jí)分裂后形成的能帶。價(jià)電子能級(jí)分裂后形成的能帶。 有的晶體的價(jià)帶是導(dǎo)帶；有的晶體的價(jià)帶是導(dǎo)帶；有的晶體的價(jià)帶也可能是

9、滿(mǎn)帶。有的晶體的價(jià)帶也可能是滿(mǎn)帶。價(jià)電子：價(jià)電子：原子中最外層的電子。原子中最外層的電子。 4.4.禁帶禁帶：在能帶之間的能量間隙區(qū)，電子：在能帶之間的能量間隙區(qū)，電子不能填充。不能填充。禁帶的寬度對(duì)晶體的禁帶的寬度對(duì)晶體的導(dǎo)電性有重要的作用。導(dǎo)電性有重要的作用。若上下能帶重疊，其若上下能帶重疊，其間禁帶就不存在。間禁帶就不存在。 滿(mǎn)帶滿(mǎn)帶 空帶空帶 禁帶禁帶E允帶：允帶：允許被電子占據(jù)的能帶稱(chēng)為允帶。允許被電子占據(jù)的能帶稱(chēng)為允帶。禁帶：禁帶：允帶之間的范圍是不允許電子占據(jù)的，允帶之間的范圍是不允許電子占據(jù)的，這個(gè)范圍稱(chēng)為禁帶。這個(gè)范圍稱(chēng)為禁帶。滿(mǎn)帶：滿(mǎn)帶：被電子占滿(mǎn)的允帶稱(chēng)為滿(mǎn)帶。滿(mǎn)帶不導(dǎo)被

10、電子占滿(mǎn)的允帶稱(chēng)為滿(mǎn)帶。滿(mǎn)帶不導(dǎo)電。電。價(jià)帶：價(jià)帶：晶體最外層電子殼層分裂成的能帶。晶體最外層電子殼層分裂成的能帶。價(jià)電子：價(jià)電子：原子中最外層的電子。原子中最外層的電子。 本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)束縛電子束縛電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4在絕對(duì)溫度在絕對(duì)溫度T=0K時(shí)，時(shí)，所有的價(jià)電子都被共價(jià)鍵所有的價(jià)電子都被共價(jià)鍵緊緊束縛在共價(jià)鍵中，不緊緊束縛在共價(jià)鍵中，不會(huì)成為會(huì)成為自由電子自由電子，因此本因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱，接近絕緣體。，接近絕緣體。（1） 本征半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體晶體。化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體晶體。

11、制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99.9999999%，常，常稱(chēng)為稱(chēng)為“九個(gè)九個(gè)9”。 這一現(xiàn)象稱(chēng)為這一現(xiàn)象稱(chēng)為本征激發(fā)本征激發(fā)，也稱(chēng)也稱(chēng)熱激發(fā)熱激發(fā)。 當(dāng)溫度升高或受到當(dāng)溫度升高或受到光的照射時(shí)，束縛光的照射時(shí)，束縛電子能量增高，有電子能量增高，有的電子可以?huà)昝撛碾娮涌梢話(huà)昝撛雍说氖`，而參子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為與導(dǎo)電，成為自由自由電子電子。自由電子自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴 自由電子產(chǎn)生的自由電子產(chǎn)生的同時(shí)，在其原來(lái)的共同時(shí)，在其原來(lái)的共價(jià)鍵中就出現(xiàn)了一個(gè)價(jià)鍵中就出現(xiàn)了一個(gè)空位，稱(chēng)為空位，稱(chēng)為空穴空穴。 可見(jiàn)本

12、征激發(fā)同時(shí)產(chǎn)生可見(jiàn)本征激發(fā)同時(shí)產(chǎn)生電子空穴對(duì)。電子空穴對(duì)。 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(duì)越多。穴對(duì)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(shí)進(jìn)行，達(dá)發(fā)和復(fù)合同時(shí)進(jìn)行，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。電子空穴到動(dòng)態(tài)平衡。電子空穴對(duì)的濃度一定。對(duì)的濃度一定。常溫常溫300K時(shí)：時(shí)：電子空穴對(duì)的濃度電子空穴對(duì)的濃度硅：硅：310cm104 . 1鍺：鍺：313cm105 . 2自由電子自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴電子空穴對(duì)電子空穴對(duì)自由電子自由電子 帶負(fù)電荷帶負(fù)電荷 電子流電子流

13、+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子自由電子E總電流總電流載流子載流子空穴空穴 帶正電荷帶正電荷 空穴流空穴流本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性取決于外加能量：本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性取決于外加能量：溫度變化，導(dǎo)電性變化；光照變化，導(dǎo)電性變化。溫度變化，導(dǎo)電性變化；光照變化，導(dǎo)電性變化。導(dǎo)電機(jī)制導(dǎo)電機(jī)制導(dǎo)帶：導(dǎo)帶：比價(jià)帶能量更高的允許帶稱(chēng)為導(dǎo)帶。比價(jià)帶能量更高的允許帶稱(chēng)為導(dǎo)帶。導(dǎo)帶中的電子稱(chēng)為導(dǎo)帶中的電子稱(chēng)為自由電子自由電子。價(jià)帶中出現(xiàn)電子的空穴稱(chēng)為價(jià)帶中出現(xiàn)電子的空穴稱(chēng)為自由空穴自由空穴。自由電子和自由空穴統(tǒng)稱(chēng)為自由電子和自由空穴統(tǒng)稱(chēng)為載流子載流子。 禁帶寬度小者，電子容易躍遷到導(dǎo)帶，所禁帶寬度小者，電子

14、容易躍遷到導(dǎo)帶，所以導(dǎo)電性能高。以導(dǎo)電性能高。 鍺的禁帶寬度比硅的小，所以其導(dǎo)電性隨鍺的禁帶寬度比硅的小，所以其導(dǎo)電性隨溫度變化比硅更顯著。溫度變化比硅更顯著。(2). 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體. N 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體四價(jià)的本征半導(dǎo)體四價(jià)的本征半導(dǎo)體 Si、G等，摻入少量五價(jià)等，摻入少量五價(jià)的雜質(zhì)（的雜質(zhì)（impurity）元素（如）元素（如P、As 等）形成電等）形成電子型半導(dǎo)體子型半導(dǎo)體,稱(chēng)稱(chēng) n 型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。量子力學(xué)表明，這種摻雜后多余的電子的能級(jí)在量子力學(xué)表明，這種摻雜后多余的電子的能級(jí)在禁帶中緊靠導(dǎo)帶處禁帶中緊靠導(dǎo)帶處, ED10-2eV，極易形成電子，極易形成電子導(dǎo)電。導(dǎo)電。該

15、能級(jí)稱(chēng)為施主（該能級(jí)稱(chēng)為施主（donor）能級(jí)。）能級(jí)。 n 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 在在n 型半導(dǎo)體中：型半導(dǎo)體中： 電子電子多數(shù)載流子多數(shù)載流子導(dǎo)帶導(dǎo)帶價(jià)帶價(jià)帶施主能級(jí)施主能級(jí)EDEgSiSiSiSiSiSiSiP空穴空穴少數(shù)載流子少數(shù)載流子 施主施主(donor)(donor)能級(jí)能級(jí)：這種雜質(zhì)能級(jí)因靠這種雜質(zhì)能級(jí)因靠近導(dǎo)帶，雜質(zhì)價(jià)電子極易向?qū)кS遷。因近導(dǎo)帶，雜質(zhì)價(jià)電子極易向?qū)кS遷。因向?qū)Ч?yīng)自由電子，所以這種雜質(zhì)能級(jí)向?qū)Ч?yīng)自由電子，所以這種雜質(zhì)能級(jí)稱(chēng)施主能級(jí)。稱(chēng)施主能級(jí)。 因攙雜因攙雜( (即使很少即使很少) )，會(huì)使導(dǎo)帶中自由，會(huì)使導(dǎo)帶中自由電子的濃度比同溫下純凈半導(dǎo)體空帶中的電

16、子的濃度比同溫下純凈半導(dǎo)體空帶中的自由電子的濃度大很多倍，從而大大增強(qiáng)自由電子的濃度大很多倍，從而大大增強(qiáng)了半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能。了半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能。 其導(dǎo)電機(jī)制：雜質(zhì)中多余電子經(jīng)激發(fā)后其導(dǎo)電機(jī)制：雜質(zhì)中多余電子經(jīng)激發(fā)后躍遷到導(dǎo)帶而形成的。躍遷到導(dǎo)帶而形成的。 2.型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體四價(jià)的本征半導(dǎo)體四價(jià)的本征半導(dǎo)體Si、Ge 等，摻入少量三價(jià)的等，摻入少量三價(jià)的雜質(zhì)元素（如等）形成空穴型半導(dǎo)體，稱(chēng)雜質(zhì)元素（如等）形成空穴型半導(dǎo)體，稱(chēng) p 型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。量子力學(xué)表明，這種摻雜后多余的空穴的能量子力學(xué)表明，這種摻雜后多余的空穴的能級(jí)在禁帶中緊靠?jī)r(jià)帶處，級(jí)在禁帶中緊靠?jī)r(jià)帶處， ED10-2eV，極易

17、，極易產(chǎn)生空穴導(dǎo)電。產(chǎn)生空穴導(dǎo)電。該能級(jí)稱(chēng)受主（該能級(jí)稱(chēng)受主（acceptor）能級(jí)。）能級(jí)。導(dǎo)帶導(dǎo)帶Ea價(jià)帶價(jià)帶受主能級(jí)受主能級(jí) P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體SiSiSiSiSiSiSi+BEg在在p型半導(dǎo)體中：型半導(dǎo)體中： 空穴空穴多數(shù)載流子多數(shù)載流子電子電子少數(shù)載流子少數(shù)載流子這種雜質(zhì)的能級(jí)緊靠?jī)r(jià)帶頂處，這種雜質(zhì)的能級(jí)緊靠?jī)r(jià)帶頂處， E EA10A10-1-1eVeV，價(jià)帶中的電子極易躍入此雜質(zhì)能級(jí)，使價(jià)帶價(jià)帶中的電子極易躍入此雜質(zhì)能級(jí)，使價(jià)帶中產(chǎn)生空穴。這種雜質(zhì)能級(jí)因接受電子而稱(chēng)中產(chǎn)生空穴。這種雜質(zhì)能級(jí)因接受電子而稱(chēng)受主受主(acceptor)(acceptor)能級(jí)能級(jí)。這種攙雜使價(jià)帶中的空穴

18、的濃度較純凈半導(dǎo)這種攙雜使價(jià)帶中的空穴的濃度較純凈半導(dǎo)體的空穴的濃度增加了很多倍，從而使半導(dǎo)體的空穴的濃度增加了很多倍，從而使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能增強(qiáng)。這種雜質(zhì)半導(dǎo)體稱(chēng)空穴體的導(dǎo)電性能增強(qiáng)。這種雜質(zhì)半導(dǎo)體稱(chēng)空穴型半導(dǎo)體，或型半導(dǎo)體，或p p型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。 導(dǎo)電機(jī)制：主要是由價(jià)帶中空穴的運(yùn)動(dòng)形成導(dǎo)電機(jī)制：主要是由價(jià)帶中空穴的運(yùn)動(dòng)形成的。的。雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意圖雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意圖+N型半導(dǎo)體多子多子電子電子少子少子空穴空穴P型半導(dǎo)體多子多子空穴空穴少子少子電子電子少子濃度少子濃度與溫度有關(guān)與溫度有關(guān)多子濃度多子濃度與溫度無(wú)關(guān)與溫度無(wú)關(guān)二、熱平衡條件下的載流子的濃度二、熱平衡條件下的載流子的濃度載流

19、子濃度：載流子濃度：是指單位體積內(nèi)的載流子數(shù)。是指單位體積內(nèi)的載流子數(shù)。激發(fā)：激發(fā)：電子從不斷熱振動(dòng)的晶體中獲得一定的電子從不斷熱振動(dòng)的晶體中獲得一定的能量，從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶形成自由電子，同能量，從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶形成自由電子，同時(shí)在價(jià)帶中出現(xiàn)自由空穴。時(shí)在價(jià)帶中出現(xiàn)自由空穴。復(fù)合：復(fù)合：在熱激發(fā)的同時(shí)也有電子從導(dǎo)帶躍遷到在熱激發(fā)的同時(shí)也有電子從導(dǎo)帶躍遷到價(jià)帶并向晶格放出能量，這就是電子空穴的價(jià)帶并向晶格放出能量，這就是電子空穴的復(fù)合。復(fù)合。 在一定溫度下激發(fā)和復(fù)合形成平衡，我們?cè)谝欢囟认录ぐl(fā)和復(fù)合形成平衡，我們稱(chēng)為稱(chēng)為熱平衡熱平衡。1 1、能級(jí)密度、能級(jí)密度 指在導(dǎo)帶和價(jià)帶內(nèi)單位體積，單位能

20、量能級(jí)數(shù)目，指在導(dǎo)帶和價(jià)帶內(nèi)單位體積，單位能量能級(jí)數(shù)目，用用N(E)N(E)表示。表示。導(dǎo)帶內(nèi)的能級(jí)密度：導(dǎo)帶內(nèi)的能級(jí)密度：價(jià)帶內(nèi)的能級(jí)密度：價(jià)帶內(nèi)的能級(jí)密度：21c23e3EEm2h4EN/*)()()(21v23p3EEm2h4EN/*)()()(N(E)N(E)為在電子能量為在電子能量E E處的能級(jí)密度。處的能級(jí)密度。h h為普朗克常數(shù)。為普朗克常數(shù)。2 2、費(fèi)米能級(jí)電子占據(jù)率、費(fèi)米能級(jí)電子占據(jù)率電子遵循費(fèi)米電子遵循費(fèi)米- -狄拉克（狄拉克（Fermi-DiracFermi-Dirac）統(tǒng)計(jì)統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律。能量為分布規(guī)律。能量為E E的一個(gè)獨(dú)立的電子態(tài)被的一個(gè)獨(dú)立的電子態(tài)被一個(gè)電子占據(jù)的幾

21、率為一個(gè)電子占據(jù)的幾率為 電子的費(fèi)米分布函數(shù)TkEEn0Fe11Ef為波爾茲曼常數(shù)0k E EF F稱(chēng)為費(fèi)米能級(jí)或費(fèi)米能量，它和溫稱(chēng)為費(fèi)米能級(jí)或費(fèi)米能量，它和溫度、半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類(lèi)型、雜質(zhì)的含量度、半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類(lèi)型、雜質(zhì)的含量以及能量零點(diǎn)的選取有關(guān)。以及能量零點(diǎn)的選取有關(guān)。 E EF F是一個(gè)很重是一個(gè)很重要的物理參數(shù)，只要知道了要的物理參數(shù)，只要知道了E EF F的數(shù)值，在的數(shù)值，在一定溫度下，電子在各量子態(tài)上的統(tǒng)計(jì)分一定溫度下，電子在各量子態(tài)上的統(tǒng)計(jì)分布就完全確定。布就完全確定。費(fèi)米分布函數(shù)的特性費(fèi)米分布函數(shù)的特性 當(dāng)當(dāng)T=0K T=0K 時(shí)：時(shí)： 若若EEEE EF F, ,則則f

22、(E)=0f(E)=0 即在絕對(duì)零度時(shí)，能量比費(fèi)米能量小的量子態(tài)即在絕對(duì)零度時(shí)，能量比費(fèi)米能量小的量子態(tài) 被電子占據(jù)的幾率是百分之百，因而這些量子態(tài)被電子占據(jù)的幾率是百分之百，因而這些量子態(tài)上都有電子；而能量比上都有電子；而能量比EFEF大的量子態(tài)，被電子占據(jù)大的量子態(tài)，被電子占據(jù)的幾率是零，因而這些量子態(tài)上都沒(méi)有電子，是空的幾率是零，因而這些量子態(tài)上都沒(méi)有電子，是空的。故在絕對(duì)零度時(shí)，費(fèi)米能級(jí)的。故在絕對(duì)零度時(shí)，費(fèi)米能級(jí)EFEF可看成量子態(tài)是可看成量子態(tài)是否被電子占據(jù)的一個(gè)界限。否被電子占據(jù)的一個(gè)界限。當(dāng)當(dāng)T0KT0K時(shí)：時(shí)：若若EEE1/2f(E)1/2若若E=EE=EF F, ,則則f(

23、E)=1/2f(E)=1/2若若EEEEF F, ,則則f(E)1/2f(E)1/2上述結(jié)果說(shuō)明：上述結(jié)果說(shuō)明： 當(dāng)系統(tǒng)的溫度高于絕對(duì)零度時(shí)，如果量子態(tài)的能當(dāng)系統(tǒng)的溫度高于絕對(duì)零度時(shí)，如果量子態(tài)的能量比費(fèi)米能級(jí)低，則該量子態(tài)被電子占據(jù)的幾率量比費(fèi)米能級(jí)低，則該量子態(tài)被電子占據(jù)的幾率大于百分之五十；若量子態(tài)的能量比費(fèi)米能級(jí)高，大于百分之五十；若量子態(tài)的能量比費(fèi)米能級(jí)高，則該量子態(tài)被電子占據(jù)的幾率小于百分之五十。則該量子態(tài)被電子占據(jù)的幾率小于百分之五十。而當(dāng)量子態(tài)的能量等于費(fèi)米能級(jí)時(shí)，則該量子態(tài)而當(dāng)量子態(tài)的能量等于費(fèi)米能級(jí)時(shí)，則該量子態(tài)被電子占據(jù)的幾率是百分之五十。被電子占據(jù)的幾率是百分之五十。E

24、 EF F的意義的意義: : E EF F的位置比較直觀(guān)地反映了電子占的位置比較直觀(guān)地反映了電子占據(jù)電子態(tài)的情況。即標(biāo)志了電子填充能據(jù)電子態(tài)的情況。即標(biāo)志了電子填充能級(jí)的水平。級(jí)的水平。E EF F越高，說(shuō)明有較多的能量越高，說(shuō)明有較多的能量較高的電子態(tài)上有電子占據(jù)。較高的電子態(tài)上有電子占據(jù)。 在強(qiáng)在強(qiáng)p p型中，導(dǎo)帶中電子最少，價(jià)帶中電子型中，導(dǎo)帶中電子最少，價(jià)帶中電子也最少，所以可以說(shuō)，強(qiáng)也最少，所以可以說(shuō)，強(qiáng)p p型半導(dǎo)體中，電子型半導(dǎo)體中，電子填充能帶的水平最低，填充能帶的水平最低，E EF F也最低。弱也最低。弱p p型中，型中，導(dǎo)帶和價(jià)帶電子稍多，能帶被電子填充的水平導(dǎo)帶和價(jià)帶電子

25、稍多，能帶被電子填充的水平也稍高，所以也稍高，所以E EF F也升高了。無(wú)摻雜，導(dǎo)帶和價(jià)也升高了。無(wú)摻雜，導(dǎo)帶和價(jià)帶中載流子數(shù)一樣多，費(fèi)米能級(jí)在禁帶中線(xiàn)附帶中載流子數(shù)一樣多，費(fèi)米能級(jí)在禁帶中線(xiàn)附近。弱近。弱n n型，導(dǎo)帶及價(jià)帶電子更多了，能帶被型，導(dǎo)帶及價(jià)帶電子更多了，能帶被填充水平也更高，填充水平也更高， E EF F升到禁帶中線(xiàn)以上，到升到禁帶中線(xiàn)以上，到強(qiáng)強(qiáng)n n型，能帶被電子填充水平最高，型，能帶被電子填充水平最高， E EF F也最高。也最高。 EC Ei Ev 強(qiáng)強(qiáng)p型型弱弱p型型本征型本征型強(qiáng)強(qiáng)n型型弱弱n型型在價(jià)帶中，知道了電子的占據(jù)概率，可求出空穴在價(jià)帶中，知道了電子的占據(jù)概

26、率，可求出空穴的占據(jù)概率，也就是不被電子占據(jù)的概率：的占據(jù)概率，也就是不被電子占據(jù)的概率：TkEEnp0Fe11Ef1f)(E)在導(dǎo)帶中能級(jí)為在導(dǎo)帶中能級(jí)為E E的電子濃度等于的電子濃度等于E E處的能處的能級(jí)密度和可被電子占據(jù)的概率的乘積：級(jí)密度和可被電子占據(jù)的概率的乘積：)()()(EfENEnn3 3、平衡載流子濃度、平衡載流子濃度在一定溫度在一定溫度T T下，產(chǎn)生過(guò)程與復(fù)合過(guò)程之間下，產(chǎn)生過(guò)程與復(fù)合過(guò)程之間處于動(dòng)態(tài)的平衡，這種狀態(tài)就叫處于動(dòng)態(tài)的平衡，這種狀態(tài)就叫熱平衡狀態(tài)。熱平衡狀態(tài)。 處于熱平衡狀態(tài)的載流子處于熱平衡狀態(tài)的載流子n n和和p p稱(chēng)為稱(chēng)為熱熱平衡載流子平衡載流子。它們保

27、持著一定的數(shù)值。它們保持著一定的數(shù)值。 在整個(gè)導(dǎo)帶中總的電子濃度是在導(dǎo)帶在整個(gè)導(dǎo)帶中總的電子濃度是在導(dǎo)帶底底EcEc以上所有能量狀態(tài)上的積分。積分以上所有能量狀態(tài)上的積分。積分結(jié)果為：結(jié)果為：TkEE3230p0vFehTkm22p*同同理理TkEE3230n0fcehTkm22n*價(jià)帶頂有效狀態(tài)密度導(dǎo)帶底有效狀態(tài)密度令3230*pv3230*nchTkm22NhTkm22N 4eNp3eNnTkEEvTkEEc0vF0Fc則則將將(3)(4)(3)(4)兩式相乘得到兩式相乘得到: :TkEgvcTkEEvc00vceNNeNNpn由此得到：由此得到：（1 1）在每種半導(dǎo)體中平衡載流子的電子數(shù)

28、和空）在每種半導(dǎo)體中平衡載流子的電子數(shù)和空穴數(shù)乘積與費(fèi)米能級(jí)無(wú)關(guān)穴數(shù)乘積與費(fèi)米能級(jí)無(wú)關(guān)（2 2）禁帶寬度）禁帶寬度EgEg越小，乘積越大，導(dǎo)電性越好越小，乘積越大，導(dǎo)電性越好（3 3）半導(dǎo)體中的載流子濃度隨溫度的增大而增）半導(dǎo)體中的載流子濃度隨溫度的增大而增大。大。 可見(jiàn)，電子和空穴的濃度乘積和費(fèi)米能可見(jiàn)，電子和空穴的濃度乘積和費(fèi)米能級(jí)無(wú)關(guān)。對(duì)一定的半導(dǎo)體材料，乘積只決定級(jí)無(wú)關(guān)。對(duì)一定的半導(dǎo)體材料，乘積只決定于溫度于溫度T T，與所含雜質(zhì)無(wú)關(guān)；而在一定溫度，與所含雜質(zhì)無(wú)關(guān)；而在一定溫度下對(duì)不同的半導(dǎo)體材料，因禁帶寬度不同下對(duì)不同的半導(dǎo)體材料，因禁帶寬度不同而不同。而不同。 這個(gè)關(guān)系式不論是本征

29、半導(dǎo)體還是雜質(zhì)這個(gè)關(guān)系式不論是本征半導(dǎo)體還是雜質(zhì)半導(dǎo)體，只要是熱平衡狀態(tài)下的非簡(jiǎn)并半導(dǎo)半導(dǎo)體，只要是熱平衡狀態(tài)下的非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體都普通適用，在討論許多實(shí)際問(wèn)題時(shí)常常體都普通適用，在討論許多實(shí)際問(wèn)題時(shí)常常引用。引用。 還說(shuō)明，對(duì)一定的半導(dǎo)體材料，在一定還說(shuō)明，對(duì)一定的半導(dǎo)體材料，在一定的溫度下，的溫度下，npnp的乘積是一定的。換言之，當(dāng)?shù)某朔e是一定的。換言之，當(dāng)半導(dǎo)體處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，載流子濃度的乘半導(dǎo)體處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，載流子濃度的乘積保持恒定，如果電子濃度增大，空穴濃積保持恒定，如果電子濃度增大，空穴濃度就要減??；反之亦然。度就要減小；反之亦然。 （1）當(dāng)材料一定時(shí)，）當(dāng)材料一定時(shí)，n0、p

30、0隨隨EF和和T而而變化；變化； （2）當(dāng)溫度）當(dāng)溫度T一定一定時(shí)，時(shí)， n0p0僅僅僅僅與本征材料相關(guān)。與本征材料相關(guān)。TkEEv0TkEEc00vF0FceNpeNnTkEgvc000eNNpn由下式可知由下式可知4 4、 本征半導(dǎo)體的載流子濃度本征半導(dǎo)體的載流子濃度本征半導(dǎo)體：本征半導(dǎo)體：滿(mǎn)足滿(mǎn)足n n0 0=p=p0 0=ni=ni的半導(dǎo)體就是的半導(dǎo)體就是本征半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體。 在室溫（在室溫（RT=300KRT=300K）下：）下： ni ni （GeGe）2.12.110101313cmcm-3 -3 ni ni （SiSi）1.31.310101010cm-cm-3 3 ni

31、ni （GaAsGaAs）1.11.110107 7cmcm-3-3 在熱平衡態(tài)下，半導(dǎo)體是電中性的： n0=p0 TkEEv0TkEEc00vF0FceNpeNnTkEEvTkEEc0vF0FceNeN即得到即得到： 之積只與本征材料相關(guān)與式說(shuō)明非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體的00pn6 4NNln2TkENNln2TkEE21Ecv0icv0vcF 就得到本征載流子濃度或式又代回324 6npn2i00且Tk2EvcooiogeNNpnnCarriers Density of Intrinsic SemiconductorsCarriers Density of Intrinsic Semiconducto

32、rs由（由（5 5）式可以見(jiàn)到：）式可以見(jiàn)到：1、溫度一定時(shí)，Eg大的材料，ni小； 2、對(duì)同種材料， ni隨溫度T按指數(shù)關(guān)系上升。 Tk2Evc00i0geNNpnnCarriers Density of Intrinsic SemiconductorsCarriers Density of Intrinsic Semiconductors5 5、摻雜半導(dǎo)體的載流子濃度：、摻雜半導(dǎo)體的載流子濃度：N N型半導(dǎo)體，施主原子的多余價(jià)電子易進(jìn)型半導(dǎo)體，施主原子的多余價(jià)電子易進(jìn)入導(dǎo)帶，使導(dǎo)帶中的自由電子數(shù)目增入導(dǎo)帶，使導(dǎo)帶中的自由電子數(shù)目增多高于本征半導(dǎo)體的電子濃度，則分多高于本征半導(dǎo)體的電子濃度，

33、則分別為：別為：d2ididNnpNpNnNdNd為為n n型半導(dǎo)體中摻入的施主原子的濃度型半導(dǎo)體中摻入的施主原子的濃度N型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)：idiidfifnnNkTEnNkTEElnln由上式可見(jiàn)，由上式可見(jiàn)，n n型半導(dǎo)體中的費(fèi)米能級(jí)位于型半導(dǎo)體中的費(fèi)米能級(jí)位于禁帶中央以上，摻雜濃度愈高，費(fèi)米能級(jí)離禁帶中央以上，摻雜濃度愈高，費(fèi)米能級(jí)離禁帶中央越遠(yuǎn)，愈靠近導(dǎo)帶底。禁帶中央越遠(yuǎn)，愈靠近導(dǎo)帶底。P P型半導(dǎo)體，受主原子易從價(jià)帶中獲得電子，型半導(dǎo)體，受主原子易從價(jià)帶中獲得電子，價(jià)帶中的自由電子濃度將高于本征半導(dǎo)價(jià)帶中的自由電子濃度將高于本征半導(dǎo)體中的自由空穴濃度。設(shè)摻入的受主原體中的自由空穴濃

34、度。設(shè)摻入的受主原子的濃度為子的濃度為NaNa，則，則a2iaiaNnnNnNpP型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)：iaifpnNkTEEln由上式可見(jiàn)，由上式可見(jiàn)，p p型半導(dǎo)體中的費(fèi)米能級(jí)位于型半導(dǎo)體中的費(fèi)米能級(jí)位于禁帶中央以下，摻雜濃度愈高，費(fèi)米能級(jí)離禁帶中央以下，摻雜濃度愈高，費(fèi)米能級(jí)離禁帶中央越遠(yuǎn)，愈靠近價(jià)帶頂。禁帶中央越遠(yuǎn)，愈靠近價(jià)帶頂。三、半導(dǎo)體中的非平衡載流子三、半導(dǎo)體中的非平衡載流子 半導(dǎo)體器件通過(guò)外部注入載流子或用光激半導(dǎo)體器件通過(guò)外部注入載流子或用光激發(fā)方式而使載流子濃度超過(guò)熱平衡時(shí)的濃度，發(fā)方式而使載流子濃度超過(guò)熱平衡時(shí)的濃度，這些超出部分的載流子通常稱(chēng)為非平衡載流子這些超出部分的載

35、流子通常稱(chēng)為非平衡載流子或過(guò)剩載流子。或過(guò)剩載流子。 相應(yīng)的：相應(yīng)的：n=n0+n n=n0+n p=p0+p p=p0+p 且：且：n=p n=p 非平衡載流子：非平衡載流子： n n 和和pp（過(guò)剩載流子）（過(guò)剩載流子）1 1、材料的光吸收、材料的光吸收（1 1）本征吸收）本征吸收 對(duì)于本征半導(dǎo)體在一定溫度下載流子濃度達(dá)對(duì)于本征半導(dǎo)體在一定溫度下載流子濃度達(dá)到平衡后，再受光照時(shí)，價(jià)帶中的電子吸收光到平衡后，再受光照時(shí)，價(jià)帶中的電子吸收光子能量而遷移到導(dǎo)帶，在價(jià)帶中留下空穴，這子能量而遷移到導(dǎo)帶，在價(jià)帶中留下空穴，這時(shí)電子空穴的濃度都增大，則這個(gè)過(guò)程我們時(shí)電子空穴的濃度都增大，則這個(gè)過(guò)程我們

36、稱(chēng)為本征吸收。稱(chēng)為本征吸收。要發(fā)生本征吸收，光子能量必須大于材料禁帶寬要發(fā)生本征吸收，光子能量必須大于材料禁帶寬度，因此在長(zhǎng)波方向存在一個(gè)界限：度，因此在長(zhǎng)波方向存在一個(gè)界限：)(.mE241Ehcgg0（2 2）雜質(zhì)吸收）雜質(zhì)吸收 摻有雜質(zhì)的半導(dǎo)體在光照下，中性施主的束縛電摻有雜質(zhì)的半導(dǎo)體在光照下，中性施主的束縛電子可以吸收光子而躍遷導(dǎo)帶。同樣中性受主的束縛子可以吸收光子而躍遷導(dǎo)帶。同樣中性受主的束縛空穴也可以吸收光子而躍遷到導(dǎo)帶，這種吸收為雜空穴也可以吸收光子而躍遷到導(dǎo)帶，這種吸收為雜質(zhì)吸收。質(zhì)吸收。 施主釋放束縛電子到導(dǎo)帶，受主釋放束縛空穴到施主釋放束縛電子到導(dǎo)帶，受主釋放束縛空穴到價(jià)帶

37、所需的能量稱(chēng)為電離能。雜質(zhì)吸收光的長(zhǎng)波限：價(jià)帶所需的能量稱(chēng)為電離能。雜質(zhì)吸收光的長(zhǎng)波限：)(.)(.mE241EhcmE241Ehcaa0dd0（3 3）其他吸收）其他吸收其他還有自由載流子吸收，晶格吸收等，其他還有自由載流子吸收，晶格吸收等，這些吸收很大程度上是將能量轉(zhuǎn)換成熱這些吸收很大程度上是將能量轉(zhuǎn)換成熱能，增加熱激發(fā)發(fā)載流子濃度，能，增加熱激發(fā)發(fā)載流子濃度，引起光電導(dǎo)現(xiàn)象主要是本征吸收雜質(zhì)吸引起光電導(dǎo)現(xiàn)象主要是本征吸收雜質(zhì)吸收。收。2 2、非平衡載流子濃度、非平衡載流子濃度 光照射半導(dǎo)體材料時(shí)，在本征半導(dǎo)體光照射半導(dǎo)體材料時(shí)，在本征半導(dǎo)體中電子吸收能量大于禁帶寬度的光子，中電子吸收能量

38、大于禁帶寬度的光子，并產(chǎn)生了電子空穴對(duì)即光生載流子。如并產(chǎn)生了電子空穴對(duì)即光生載流子。如果光照突然停止，光生載流子不再產(chǎn)生，果光照突然停止，光生載流子不再產(chǎn)生，而載流子濃度因復(fù)合而減小。而載流子濃度因復(fù)合而減小。復(fù)合的種類(lèi)：間接直接復(fù)合。復(fù)合的種類(lèi)：間接直接復(fù)合。直接復(fù)合：直接復(fù)合：晶格中運(yùn)動(dòng)的自由電子直接由晶格中運(yùn)動(dòng)的自由電子直接由導(dǎo)帶回到價(jià)帶與自由空穴復(fù)合。導(dǎo)帶回到價(jià)帶與自由空穴復(fù)合。間接復(fù)合：間接復(fù)合：自由電子自由空穴通過(guò)禁帶自由電子自由空穴通過(guò)禁帶中的復(fù)合中心間接進(jìn)行復(fù)合。中的復(fù)合中心間接進(jìn)行復(fù)合。復(fù)合對(duì)光生載流子濃度的影響？復(fù)合對(duì)光生載流子濃度的影響？光生載流子的平均生存時(shí)間稱(chēng)為光生

39、載流子的壽命。光生載流子的平均生存時(shí)間稱(chēng)為光生載流子的壽命。半導(dǎo)體中，光生電子空穴對(duì)的直接復(fù)合率與載流子半導(dǎo)體中，光生電子空穴對(duì)的直接復(fù)合率與載流子濃度成正比。濃度成正比。解得方程：解得方程：dttnddttdn)()(/)()()(ttBne0ne0ntn0)(0n為光照剛停時(shí)得光生載流子濃度為光照剛停時(shí)得光生載流子濃度， )/(0Bn1為載流子濃度下降得衰減系數(shù)。為載流子濃度下降得衰減系數(shù)。四、載流子得擴(kuò)散與漂移四、載流子得擴(kuò)散與漂移1 1、擴(kuò)散、擴(kuò)散 當(dāng)材料得局部位置收到光照，材料吸收當(dāng)材料得局部位置收到光照，材料吸收光子產(chǎn)生載流子，在這局部位置得載流子濃光子產(chǎn)生載流子，在這局部位置得載

40、流子濃度就比平均濃度高。這時(shí)電子將從濃度高得度就比平均濃度高。這時(shí)電子將從濃度高得點(diǎn)向濃度低得點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，是自己在晶體中重新點(diǎn)向濃度低得點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，是自己在晶體中重新達(dá)到均勻分布，這種現(xiàn)象稱(chēng)為擴(kuò)散。達(dá)到均勻分布，這種現(xiàn)象稱(chēng)為擴(kuò)散。 單位面積得電流稱(chēng)為擴(kuò)散電流，正比于光單位面積得電流稱(chēng)為擴(kuò)散電流，正比于光生載流子得濃度梯度。生載流子得濃度梯度。擴(kuò)擴(kuò)散散系系數(shù)數(shù)分分別別為為電電子子（孔孔穴穴）的的密密度度矢矢量量電電子子（孔孔穴穴）擴(kuò)擴(kuò)散散電電流流pnpdndppdnndDDJJdtdpqDJdtdnqDJ,2 2、漂移、漂移在外電場(chǎng)作用下，電子向正極方向運(yùn)動(dòng)，空穴在外電場(chǎng)作用下，電子向正極方向運(yùn)動(dòng)，空穴

41、向負(fù)極方向運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為漂移。向負(fù)極方向運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為漂移。在電場(chǎng)中，漂移產(chǎn)生得電子（空穴）電流密度在電場(chǎng)中，漂移產(chǎn)生得電子（空穴）電流密度矢量為：矢量為：xppExnnEEnqJEnqJ當(dāng)擴(kuò)散和漂移同時(shí)存在得時(shí)候總得電子電流當(dāng)擴(kuò)散和漂移同時(shí)存在得時(shí)候總得電子電流密度矢量和空穴電流密度矢量分別為：密度矢量和空穴電流密度矢量分別為：dtdpqDEnqJJJdtdnqDEnqJJJpppEpdpnnnEndn總電流密度為兩者之和。總電流密度為兩者之和。3.2 3.2 半導(dǎo)體的光電效應(yīng)半導(dǎo)體的光電效應(yīng)光電效應(yīng)的分類(lèi)：光電效應(yīng)的分類(lèi)：1 1、內(nèi)光電效應(yīng)：、內(nèi)光電效應(yīng)： 材料在吸收光子能量后，出

42、現(xiàn)光生電子空穴，由材料在吸收光子能量后，出現(xiàn)光生電子空穴，由此引起電導(dǎo)率變化和電流電壓現(xiàn)象，稱(chēng)之為內(nèi)光電此引起電導(dǎo)率變化和電流電壓現(xiàn)象，稱(chēng)之為內(nèi)光電效應(yīng)。效應(yīng)。 內(nèi)光電效應(yīng)制成的器件有兩大類(lèi)：光電導(dǎo)和光生內(nèi)光電效應(yīng)制成的器件有兩大類(lèi)：光電導(dǎo)和光生伏特效應(yīng)的兩大器件。含有光敏電阻，伏特效應(yīng)的兩大器件。含有光敏電阻，SPRITESPRITE探測(cè)探測(cè)器、光電池、光電二極管、三極管和場(chǎng)效應(yīng)管等。器、光電池、光電二極管、三極管和場(chǎng)效應(yīng)管等。 2 2、外光電效應(yīng)：、外光電效應(yīng)： 當(dāng)光照射某種物質(zhì)時(shí)，若入射的光子能當(dāng)光照射某種物質(zhì)時(shí)，若入射的光子能量足夠大，它和物質(zhì)中的電子互相作用，致量足夠大，它和物質(zhì)中的

43、電子互相作用，致使電子逸出表面，這種現(xiàn)象稱(chēng)為外光電效應(yīng)。使電子逸出表面，這種現(xiàn)象稱(chēng)為外光電效應(yīng)。外光電效應(yīng)制成的器件有：光電管，光電倍外光電效應(yīng)制成的器件有：光電管，光電倍增管等。增管等。一、光電導(dǎo)效應(yīng)一、光電導(dǎo)效應(yīng) 當(dāng)半導(dǎo)體材料受照時(shí)，由于對(duì)光子得吸當(dāng)半導(dǎo)體材料受照時(shí)，由于對(duì)光子得吸收引起載流子濃度得增大，因而導(dǎo)致材料電收引起載流子濃度得增大，因而導(dǎo)致材料電導(dǎo)率增大，這種現(xiàn)象稱(chēng)為光電導(dǎo)效應(yīng)。材料導(dǎo)率增大，這種現(xiàn)象稱(chēng)為光電導(dǎo)效應(yīng)。材料對(duì)光得吸收有本征型和非本征型兩種。對(duì)光得吸收有本征型和非本征型兩種。本征型：本征型：光子能量大于材料禁帶寬度時(shí)，把價(jià)光子能量大于材料禁帶寬度時(shí)，把價(jià)帶中得電子激發(fā)

44、到導(dǎo)帶，在價(jià)帶中留下自由帶中得電子激發(fā)到導(dǎo)帶，在價(jià)帶中留下自由空穴，從而引起材料電導(dǎo)率得增加，即本征空穴，從而引起材料電導(dǎo)率得增加，即本征型光電效應(yīng)。型光電效應(yīng)。非本征型：非本征型：若光子激發(fā)雜質(zhì)半導(dǎo)體，使電子從若光子激發(fā)雜質(zhì)半導(dǎo)體，使電子從施主能級(jí)躍遷到導(dǎo)帶或從價(jià)帶躍遷到受主能施主能級(jí)躍遷到導(dǎo)帶或從價(jià)帶躍遷到受主能級(jí)，產(chǎn)生光生自由電子或空穴，從而增加材級(jí)，產(chǎn)生光生自由電子或空穴，從而增加材料得電導(dǎo)率，即非本征光電導(dǎo)效應(yīng)。料得電導(dǎo)率，即非本征光電導(dǎo)效應(yīng)。1 1、光電流、光電流 材料樣品兩端涂有電極，加載一定得弱材料樣品兩端涂有電極，加載一定得弱電場(chǎng)，在樣品的垂直方向加上均勻的光照，電場(chǎng)，在樣品

45、的垂直方向加上均勻的光照，入射功率為常數(shù)時(shí)，所得到的光電流為穩(wěn)態(tài)入射功率為常數(shù)時(shí)，所得到的光電流為穩(wěn)態(tài)光電流。光電流。 無(wú)光照時(shí)，常溫下的樣品具有一定的熱激發(fā)載流子濃無(wú)光照時(shí)，常溫下的樣品具有一定的熱激發(fā)載流子濃度，因而樣品具有一定的度，因而樣品具有一定的暗電導(dǎo)率暗電導(dǎo)率。)(p0n00pnq 樣品在有光照的條件下，吸收光子產(chǎn)生光生載樣品在有光照的條件下，吸收光子產(chǎn)生光生載流子濃度用流子濃度用n n和和p p表示。光照穩(wěn)定的條件下的表示。光照穩(wěn)定的條件下的電導(dǎo)率為：電導(dǎo)率為：附加的電導(dǎo)率稱(chēng)之為附加的電導(dǎo)率稱(chēng)之為光電導(dǎo)率光電導(dǎo)率，能夠產(chǎn)生光電導(dǎo)，能夠產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)的材料稱(chēng)為光電導(dǎo)材料。效應(yīng)的材料

46、稱(chēng)為光電導(dǎo)材料。)()()(pnp0n0pnqppnnq0為為：光光電電導(dǎo)導(dǎo)率率得得到到令：令：則：則： b b為遷移比。為遷移比。光電導(dǎo)靈敏度光電導(dǎo)靈敏度定義為單位入射光輻射功率所產(chǎn)定義為單位入射光輻射功率所產(chǎn)生的光電導(dǎo)率。生的光電導(dǎo)率。光電導(dǎo)靈敏度表達(dá)式光電導(dǎo)靈敏度表達(dá)式 Pnb)(pnbqP0R 可見(jiàn)，要制成光電導(dǎo)率高的器件，應(yīng)該可見(jiàn)，要制成光電導(dǎo)率高的器件，應(yīng)該使使n n0 0和和P P0 0有較小數(shù)值，因此光電導(dǎo)器件一般有較小數(shù)值，因此光電導(dǎo)器件一般是由高阻材料是由高阻材料(n(n0 0, P, P0 0較小較小) )或者在低溫下使或者在低溫下使用用(n(n0 0 ，p p0 0較少

47、較少) )0000) 1(pbnnbpenepeneRPnPn下面我們看一下光電流密度的求解：下面我們看一下光電流密度的求解：首先：首先：g g為載流子產(chǎn)生率，為載流子產(chǎn)生率， 為壽命。為壽命。若入射光功率為若入射光功率為s s，載流子產(chǎn)生率與光功率的關(guān)系：，載流子產(chǎn)生率與光功率的關(guān)系： gp)()(LWDhvpLWDLWDhvgss為為材材料料體體積積為為量量子子效效率率，r0sxprsxpx0 xTWDqNJhvNE1b1TLWDhvE1bqEJLVEx為光生載流子數(shù)。則為光生載流子數(shù)。則為兩極之間的渡越時(shí)間為兩極之間的渡越時(shí)間設(shè)設(shè)那么短路光電流那么短路光電流方向有均勻電場(chǎng)方向有均勻電場(chǎng)若

48、在若在,)()()(,/2 2、響應(yīng)時(shí)間、響應(yīng)時(shí)間（1 1）光電導(dǎo)馳豫過(guò)程）光電導(dǎo)馳豫過(guò)程 光電導(dǎo)材料從光照開(kāi)始獲得穩(wěn)定的光電流光電導(dǎo)材料從光照開(kāi)始獲得穩(wěn)定的光電流學(xué)要一定的時(shí)間，當(dāng)光照停止后光電流逐漸學(xué)要一定的時(shí)間，當(dāng)光照停止后光電流逐漸消失，這種現(xiàn)象稱(chēng)為光電導(dǎo)馳豫現(xiàn)象。消失，這種現(xiàn)象稱(chēng)為光電導(dǎo)馳豫現(xiàn)象。（2 2）上升響應(yīng)時(shí)間）上升響應(yīng)時(shí)間 光生載流子濃度上升到光生載流子濃度上升到穩(wěn)態(tài)值的穩(wěn)態(tài)值的6363所所需的時(shí)間為光電探測(cè)器上升響應(yīng)時(shí)間。此時(shí)需的時(shí)間為光電探測(cè)器上升響應(yīng)時(shí)間。此時(shí)光生載流子濃度：光生載流子濃度：)exp(t1pp0 （3 3）下降時(shí)間）下降時(shí)間 光照停止以后光生載流子下降

49、到穩(wěn)光照停止以后光生載流子下降到穩(wěn)定值的定值的3737時(shí)所需要的時(shí)間為下降時(shí)間。時(shí)所需要的時(shí)間為下降時(shí)間。此時(shí)光生載流子濃度的變化為：此時(shí)光生載流子濃度的變化為：)exp(tpp0 光電導(dǎo)材料在弱光照時(shí)，表現(xiàn)為線(xiàn)性光電導(dǎo)材料在弱光照時(shí)，表現(xiàn)為線(xiàn)性光電導(dǎo)，即光電導(dǎo)與入射光功率成正比。光電導(dǎo)，即光電導(dǎo)與入射光功率成正比。 而在強(qiáng)光照時(shí)表現(xiàn)為拋物線(xiàn)光電導(dǎo)，而在強(qiáng)光照時(shí)表現(xiàn)為拋物線(xiàn)光電導(dǎo)，即光電導(dǎo)與入射光功率的平方根成正比，即光電導(dǎo)與入射光功率的平方根成正比，定義其上升下降時(shí)間，相當(dāng)于上升到穩(wěn)定義其上升下降時(shí)間，相當(dāng)于上升到穩(wěn)態(tài)值的態(tài)值的7676，下降到穩(wěn)態(tài)值的，下降到穩(wěn)態(tài)值的5050。 影響光譜響應(yīng)

50、有兩個(gè)主要因素：光電導(dǎo)材料對(duì)影響光譜響應(yīng)有兩個(gè)主要因素：光電導(dǎo)材料對(duì)各波長(zhǎng)輻射的各波長(zhǎng)輻射的吸收系數(shù)和表面復(fù)合率吸收系數(shù)和表面復(fù)合率。 響應(yīng)有一峰值，而無(wú)論向長(zhǎng)波或短波方向，響應(yīng)響應(yīng)有一峰值，而無(wú)論向長(zhǎng)波或短波方向，響應(yīng)都會(huì)降低。定性分析其原因：都會(huì)降低。定性分析其原因： 在材料不同深度在材料不同深度x x處獲得的光功率為處獲得的光功率為P P=P=P0 0(1- )(1- )。在較長(zhǎng)波長(zhǎng)上，材料吸收少，吸收系數(shù)很小，產(chǎn)生在較長(zhǎng)波長(zhǎng)上，材料吸收少，吸收系數(shù)很小，產(chǎn)生的電子濃度較少，復(fù)合率小的電子濃度較少，復(fù)合率小，一部分輻射會(huì)穿過(guò)，一部分輻射會(huì)穿過(guò)材料，因此靈敏度低。材料，因此靈敏度低。xe

51、隨著波長(zhǎng)減小，吸收系數(shù)增大，入射光功率幾乎隨著波長(zhǎng)減小，吸收系數(shù)增大，入射光功率幾乎全被材料吸收，量子效率增加，因此光電導(dǎo)率達(dá)到全被材料吸收，量子效率增加，因此光電導(dǎo)率達(dá)到峰值。一般峰值靠近長(zhǎng)波限，實(shí)際定義長(zhǎng)波限為峰峰值。一般峰值靠近長(zhǎng)波限，實(shí)際定義長(zhǎng)波限為峰值一半處所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。值一半處所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。 當(dāng)波長(zhǎng)進(jìn)一步減小時(shí)，吸收系數(shù)進(jìn)一步增加，光當(dāng)波長(zhǎng)進(jìn)一步減小時(shí)，吸收系數(shù)進(jìn)一步增加，光子能量增大，激發(fā)的光生載流子大部分靠近材料表子能量增大，激發(fā)的光生載流子大部分靠近材料表面附近，表面處的載流子復(fù)合率增加，光生載流子面附近，表面處的載流子復(fù)合率增加，光生載流子壽命減低，量子效率也隨之下降。靈敏

52、度減小。壽命減低，量子效率也隨之下降。靈敏度減小。 100 相對(duì)靈敏度(%) 二、二、p-np-n結(jié)光伏效應(yīng)結(jié)光伏效應(yīng) 光生伏特效應(yīng)是指：當(dāng)兩種半導(dǎo)體材料光生伏特效應(yīng)是指：當(dāng)兩種半導(dǎo)體材料或金屬或金屬/ /半導(dǎo)體相接觸形成勢(shì)壘，當(dāng)外界光半導(dǎo)體相接觸形成勢(shì)壘，當(dāng)外界光照射時(shí)，激發(fā)光生載流子，注入到勢(shì)壘附照射時(shí)，激發(fā)光生載流子，注入到勢(shì)壘附近形成光生電壓的現(xiàn)象近形成光生電壓的現(xiàn)象. . 利用光生伏特效應(yīng)制成的光電探測(cè)器叫利用光生伏特效應(yīng)制成的光電探測(cè)器叫做勢(shì)壘型光電探測(cè)器。做勢(shì)壘型光電探測(cè)器。 1 1、半導(dǎo)體、半導(dǎo)體pnpn結(jié)結(jié) 在在p p型半導(dǎo)體內(nèi)部，空穴濃度高，費(fèi)米能型半導(dǎo)體內(nèi)部，空穴濃度高，

53、費(fèi)米能級(jí)位置相對(duì)較低。級(jí)位置相對(duì)較低。 在在n n型半導(dǎo)體內(nèi)部，電子濃度高，費(fèi)米能型半導(dǎo)體內(nèi)部，電子濃度高，費(fèi)米能級(jí)位置相對(duì)較高。級(jí)位置相對(duì)較高。 平衡狀態(tài)下費(fèi)米能級(jí)平衡狀態(tài)下費(fèi)米能級(jí)EfEf處在同一高度上。處在同一高度上。結(jié)區(qū)的內(nèi)建電場(chǎng)使結(jié)區(qū)的內(nèi)建電場(chǎng)使p p區(qū)相對(duì)于區(qū)相對(duì)于n n區(qū)具有負(fù)電位，區(qū)具有負(fù)電位，使結(jié)區(qū)造成了能帶彎曲，形成使結(jié)區(qū)造成了能帶彎曲，形成p pn n結(jié)勢(shì)壘，結(jié)勢(shì)壘，阻擋多數(shù)載流子運(yùn)動(dòng)。阻擋多數(shù)載流子運(yùn)動(dòng)。 EC EV EFp EFn EC EV uD EF 電子能量 電壓 漂移 擴(kuò)散 空穴能量 漂移 E )exp(),exp()ln()ln()ln(kTqVppkTqV

54、nnnpnNaNdqkTVnnqkTVVqVqVnnkTEE0pn0np0pn0000pcncp數(shù)數(shù)載載流流子子之之間間的的關(guān)關(guān)系系：結(jié)結(jié)兩兩邊邊少少數(shù)數(shù)載載流流子子與與多多即即為為電電勢(shì)勢(shì)差差，于于是是為為勢(shì)勢(shì)壘壘高高度度，其其中中2i2 2、p pn n結(jié)的電流電壓特性結(jié)的電流電壓特性PnPn結(jié)的主要特性是整流效應(yīng)，即單向?qū)щ娊Y(jié)的主要特性是整流效應(yīng)，即單向?qū)щ娦?。性。正向偏置：正向偏置：p p區(qū)接正，區(qū)接正，n n區(qū)接負(fù)。此時(shí)電流區(qū)接負(fù)。此時(shí)電流隨電壓的增大急劇上升隨電壓的增大急劇上升反向偏置：反向偏置：n n區(qū)接正，區(qū)接正，p p區(qū)接負(fù)。隨著電壓區(qū)接負(fù)。隨著電壓的增加，電流趨向飽和。的增

55、加，電流趨向飽和。（1）正向偏置 外加電場(chǎng) u 圖2-3 加正向電壓情況 內(nèi)建電場(chǎng)E uD E P N euD e(uD-u) +u u 擴(kuò)散電流I1 漂移電流I0 pnpn結(jié)的正向電結(jié)的正向電流由流由p p邊界的邊界的電子擴(kuò)散電流電子擴(kuò)散電流和和n n邊界的空邊界的空穴擴(kuò)散電流組穴擴(kuò)散電流組成。成。)()exp()exp()exp()exp()()()exp()(exp(npppnn00nnnnnppppnn0pnpLDnLDqJ1kTqVJJ1kTqVpLqDJp1kTqVpLqDJnLx0pxpkTqVppkTVVqpp其中：其中：總的正向電流密度為：總的正向電流密度為：邊界的電子擴(kuò)散電

56、流為邊界的電子擴(kuò)散電流為：邊界的空穴擴(kuò)散電流為邊界的空穴擴(kuò)散電流為結(jié)邊界的距離而衰減，結(jié)邊界的距離而衰減，離開(kāi)離開(kāi)剩余載流子的濃度隨著剩余載流子的濃度隨著即：即：變?yōu)椋鹤優(yōu)椋簠^(qū)內(nèi)的少數(shù)載流子濃度區(qū)內(nèi)的少數(shù)載流子濃度由于正偏使耗盡層附近由于正偏使耗盡層附近npn（2 2）反相偏置）反相偏置 施加電壓的方施加電壓的方向和內(nèi)建電場(chǎng)的向和內(nèi)建電場(chǎng)的方向相同，使勢(shì)方向相同，使勢(shì)壘的高度增加，壘的高度增加，空間電荷區(qū)加寬。空間電荷區(qū)加寬。漂移電流占主要漂移電流占主要地位。地位。 euD 外加電場(chǎng) u 反向電壓 內(nèi)建電場(chǎng) uD P N e(uD+u) u I1 I0漂移電流 EF EC 擴(kuò)散電流I1 EV

57、EC 電流方向 3、pn結(jié)光伏效應(yīng)結(jié)光伏效應(yīng) 離離PNPN結(jié)較近的由光產(chǎn)生的少數(shù)載流子，結(jié)較近的由光產(chǎn)生的少數(shù)載流子，N N區(qū)中的空穴，區(qū)中的空穴，P P區(qū)中的電子，受到內(nèi)建電場(chǎng)的區(qū)中的電子，受到內(nèi)建電場(chǎng)的分離，電子移向分離，電子移向N N區(qū)，空穴移向區(qū)，空穴移向P P區(qū)，區(qū)，PNPN結(jié)區(qū)結(jié)區(qū)的光生電子的光生電子- -空穴對(duì)被空穴對(duì)被PNPN結(jié)勢(shì)壘區(qū)較強(qiáng)的內(nèi)建結(jié)勢(shì)壘區(qū)較強(qiáng)的內(nèi)建電場(chǎng)分離，空穴被移向電場(chǎng)分離，空穴被移向P P區(qū)，電子被移向區(qū)，電子被移向N N區(qū)，區(qū)，結(jié)果在結(jié)果在N N區(qū)將積累電子，區(qū)將積累電子，P P區(qū)將積累空穴，產(chǎn)區(qū)將積累空穴，產(chǎn)生了一個(gè)與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)，生了一個(gè)與

58、內(nèi)建電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)，于是在于是在P P區(qū)和區(qū)和N N區(qū)之間造成光生電勢(shì)差；區(qū)之間造成光生電勢(shì)差； 如果光照保持不變，積累過(guò)程達(dá)到動(dòng)如果光照保持不變，積累過(guò)程達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，從而給出一個(gè)與光照度相態(tài)平衡狀態(tài)，從而給出一個(gè)與光照度相應(yīng)的穩(wěn)定的電勢(shì)差，稱(chēng)為光生電動(dòng)勢(shì)，應(yīng)的穩(wěn)定的電勢(shì)差，稱(chēng)為光生電動(dòng)勢(shì)，光強(qiáng)越強(qiáng)，光生電動(dòng)勢(shì)也就越大。積累光強(qiáng)越強(qiáng)，光生電動(dòng)勢(shì)也就越大。積累的光生載流子部分地補(bǔ)償了平衡的光生載流子部分地補(bǔ)償了平衡PNPN結(jié)的結(jié)的空間電荷，引起了空間電荷，引起了PNPN結(jié)勢(shì)壘高度結(jié)勢(shì)壘高度降低。降低。電子空穴的移動(dòng)使電子空穴的移動(dòng)使p p區(qū)的電勢(shì)高于區(qū)的電勢(shì)高于n n區(qū)的電區(qū)的電勢(shì)

59、，相當(dāng)于勢(shì)，相當(dāng)于pnpn結(jié)上加了正向偏置。結(jié)上加了正向偏置。 光生電場(chǎng) E 電壓 u 光生電流 IP 正向電壓 內(nèi)建電場(chǎng) E uD 外回路電流 I 結(jié)電流Ij P N euD e(uD-u) +u u I1 I0 PNPN結(jié)中有三種電流：擴(kuò)散電流、漂移電流、結(jié)中有三種電流：擴(kuò)散電流、漂移電流、光生電流。光生電流與漂移電流方向相光生電流。光生電流與漂移電流方向相同，而擴(kuò)散電流方向相反。把擴(kuò)散電流同，而擴(kuò)散電流方向相反。把擴(kuò)散電流和漂移電流定義為結(jié)電流和漂移電流定義為結(jié)電流IjIj。 結(jié)電流結(jié)電流= =擴(kuò)散電流漂移電流。擴(kuò)散電流漂移電流。外電路的電流：外電路的電流：若外電路短路，外電壓為若外電路

60、短路，外電壓為0 0，則短路電流，則短路電流IscIsc：當(dāng)開(kāi)路時(shí)，外電路電流為當(dāng)開(kāi)路時(shí)，外電路電流為0 0，開(kāi)路電壓，開(kāi)路電壓VocVocpkTqvSDIeII) 1(/RIIpsc)ln(1IIqkTV0poc三、光電子發(fā)射效應(yīng)三、光電子發(fā)射效應(yīng)1 1、光電發(fā)射定律、光電發(fā)射定律斯托列托夫定律斯托列托夫定律：當(dāng)入射光的頻率或頻譜成份：當(dāng)入射光的頻率或頻譜成份不變時(shí)，飽和光電流不變時(shí)，飽和光電流( (即單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光即單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)目電子數(shù)目) )與入射光的輻射通量成正比與入射光的輻射通量成正比hcPehPeIe e電子電量；電子電量； 光電激發(fā)出電子的量子效率；光電激發(fā)出電子