第2章 半导体基础知识 II 1010
半导体基础知识
半导体基础知识1. 本征半导体及其特点纯洁的半导体称为本征半导体。
在热“激发”条件下，本征半导体中的电子和空穴是成对产生的；当电子和空穴相遇“复合”时，也成对消逝；电子和空穴都是载流子；温度越高，“电子—空穴”对越多；在室温下，“电子—空穴”对少，故电阻率大。
2. 掺杂半导体及其特点（1 ）N 型半导体：在本征硅或锗中掺入适量五价元素形成N 型半导体，N 型半导体中电子为多子，空穴为少子；电子的数目（掺杂+ 热激发）= 空穴的数目（热激发）+ 正粒子数；半导体对外仍呈电中性。
（2 ）P 型半导体：在本征硅或锗中掺入适量三价元素，形成P 型半导体，其空穴为多子，电子为少子；空穴的数目（掺杂+ 热激发）= 电子的数目（热激发）+ 负粒子数；对外呈电中性。
在本征半导体中，掺入适量杂质元素，就可以形成大量的多子，所以掺杂半导体的电阻率小，导电力量强。
当N 型半导体中再掺入更高密度的三价杂质元素，可转型为P 型半导体；反之，P 型半导体也可通过掺入足够的五价元素而转型为N 型半导体。
3. 半导体中的两种电流（ 1 ）漂移电流：在电场作用下，载流子定向运动所形成的电流则称为漂移电流。
（ 2 ）集中电流：同一种载流子从浓度高处向浓度低处集中所形成的电流为集中电流。
4. PN 结的形成通过肯定的工艺，在同一块半导体基片的一边掺杂成P 型，另一边掺杂成N 型，P 型和N 型的交界面处会形成PN 结。
P 区和N 区中的载流子存在肯定的浓度差，浓度差使多子向另一边集中，从而产生了空间电荷和内电场；内电场将阻多子止集中而促进少子漂移；当集中与漂移达到动态平衡时，交界面上就会形成稳定的空间电荷层（或势垒区、耗尽层），即PN 结形成。
5. PN 结的单向导电性PN 结正向偏置时，空间电荷层变窄，内电场变弱，集中大于漂移，正向电流很大（多子集中形成），PN 结呈现为低电阻，称为正向导通。
正向压降很小，且随温度上升而减小。
PN 结反向偏置时，空间电荷层变宽，内电场增加，漂移大于集中，反向电流很小（少子漂移形成），PN 结呈现为高电阻，称为反向截止。
半导体基础知识
半导体基础知识（详细篇）概念根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。
1. 导体：容易导电的物体。
如：铁、铜等2. 绝缘体：几乎不导电的物体。
如：橡胶等3. 半导体：半导体是导电性能介于导体和半导体之间的物体。
在一定条件下可导电。
半导体的电阻率为10-3～109 Ω·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，导电性能显着变化。
光敏元件、热敏元件属于此类。
2) 在纯净半导体内掺入杂质，导电性能显着增加。
二极管、三极管属于此类。
本征半导体1.本征半导体——化学成分纯净的半导体。
制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到%，常称为“九个9”。
它在物理结构上呈单晶体形态。
电子技术中用的最多的是硅和锗。
硅和锗都是4价元素，它们的外层电子都是4个。
其简化原子结构模型如下图：外层电子受原子核的束缚力最小，成为价电子。
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，成为价电子。
物质的性质是由价电子决定的。
??2.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，使原分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：硅晶体的空间排列与共价键结构平面示意图3.共价键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??4.电子与空穴当导体处于热力学温度0°K时，导体中没有自由电子。
当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。
半导体二极管—半导体的基本知识(电工电子课件)
半导体中存在着两种载流子：带负电的自由电子和带正电的空 穴。本征半导体中, 自由电子与空穴是同时成对产生的, 因此, 它们的浓度是相等的。我们用n和p分别表示电子和空穴的浓度
ni=pi 下标i表示为本征半导体
载流子的产生与复合
价电子在热运动中获得能量产生了电子-空穴对。同 时自由电子在运动过程中失去能量, 与空穴相遇, 使电子、 空穴对消失, 这种现象称为复合。在一定温度下, 载流子 的产生过程和复合过程是相对平衡的, 载流子的浓度是一 定的。
本征激发
＋4
＋4
＋4
空穴
自由 电子
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
E
＋4
＋4
＋4
空穴
自由 电子
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
空穴移动产生电流 代表束缚电子移动产生电流
结论：
由此可见,在本征半导体中，共价键或束缚电子移动产 生电流的根本原因是由于空穴而引起的。我们可以将空 穴看成一个带正电荷的粒子，在外加电场作用下，它可 以自由的移动， 移动的方向和电流的方向相同。所以 空穴也是一种载流子
受主原子
空穴
由于三价杂质原子容易吸收电子，故称为受主原子。 P型半导体中，空穴称为多数载流子，自由电子称为少数 载流子。
P型半导体特点 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。
半导体仍呈电中性
4.载流子的漂移与扩散 1）漂移
由于电场作用而导致载流子的运动称为漂移
本征半导体中掺入某种微量元 素（杂质）后，它的导电能力 增强，利用该特性可形成杂质 半导体
半导体基本知识
半导体基本知识一、半导体有关概念1、半导体半导体是导电能力介于导体与绝缘体之间的一种物体。
它内部运载电荷的粒子有电子载流子(带负电荷的自由电子)和空穴载流子(带正电荷的空穴)。
硅、锗、硒以及大多数金属氧化物和硫化物都是半导体。
2、晶体凡是原子按照一定规律、连续整齐地排列着的物体称为晶体。
半导体一般都具有这种结构，所以半导体也被称为晶体。
3、本征半导体本征半导体是完全纯净的(不含任何其它元素)、具有晶体结构的半导体。
本征半导体内部电子和空穴的数量在任何情况下总是相等的。
如锗单晶、硅单晶就是本征半导体。
4、半导体掺杂掺杂是指在本征半导体中掺进一定类型和数量的其它元素，掺进去的其它元素为杂质。
掺杂的目的是改善半导体的导电能力，亦即掺杂后，使半导体在原有的“电子-空穴对”的基础上，增加大量的电子或空穴。
5、N型半导体如果给本征半导体掺进某种微量的杂质后，使它获得大量电子，则掺有这种杂质的导体就称“电子型半导体”或“N型半导体”。
在N型半导体中，除“电子-空穴对”提供的载流子外。
主要的、大量的是电子载流子。
因此，电子称为多数载流子，而空穴则称少数载流子。
6、P型半导体如果本征半导体掺杂后能获得大量空穴，则这种半导体就称“空穴型半导体”或“P型半导体”。
在P型半导体中，除“电子-空穴对”提供的载流子外，主要的、大量的是空穴载流子，所以空穴称多数载流子，而电子则称少数载流子。
7、PN结将P型半导体和N型半导体用特殊工艺结合在一起时，由于P型半导体中的空穴多，N型半导体中的电子多，在交界面上，多数载流子就要分别向对方扩散，在交界处的两侧形成带电荷的薄层，称为空间电荷区，又称为PN结。
二、PN结的单向导电性1、PN结空间电荷区的一边带正电，另一边带负电,产生了PN结的内电场，其方向为N区的正电荷区指向P区的负电荷区，阻碍了P 区空穴进一步向N区扩散和N区电子向P区继续扩散。
2、如果把PN结的P区接电源正端，N区接电源负端，如上图(a)，外加电场方向与内电场相反，并且外电场很强，这样，在外电场作用下，两侧的多数载流子不断越过PN结，形成正向电流。
半导体基础知识
半导体基础知识在现代科技的高速发展中，半导体无疑是其中一颗璀璨的明星。
从我们日常使用的智能手机、电脑，到各种先进的医疗设备、智能家电，半导体的身影无处不在。
那么，究竟什么是半导体？它又有着怎样的特性和重要作用呢？要理解半导体，首先得从物质的导电性说起。
我们知道，物质按照导电性可以大致分为导体、绝缘体和半导体三类。
导体，比如常见的金属铜、铝等，它们内部存在大量自由电子，能够很容易地传导电流。
绝缘体，像塑料、橡胶等，其内部几乎没有自由电子，电流很难通过。
而半导体则处于两者之间，它的导电性既不像导体那样良好，也不像绝缘体那样极差。
半导体的导电性能可以通过掺杂等方式进行调控。
比如，纯净的硅在常温下是一种半导体，但如果掺入少量的磷元素，就会变成 N 型半导体，其中的多数载流子是电子；如果掺入少量的硼元素，则会变成 P 型半导体，多数载流子为空穴。
这种特性使得半导体在电子学领域具有极其重要的应用价值。
半导体的核心元件之一是二极管。
二极管具有单向导电性，只允许电流从一个方向通过。
它由 P 型半导体和 N 型半导体结合而成，形成一个 PN 结。
当在 PN 结上加正向电压时，二极管导通；加反向电压时，二极管截止。
这种特性被广泛应用于整流电路中，将交流电转换为直流电。
三极管是另一个重要的半导体元件。
它可以实现电流的放大作用。
通过控制基极电流的大小，可以改变集电极和发射极之间的电流，从而实现对信号的放大。
这在通信、音频放大等领域有着广泛的应用。
在集成电路中，半导体更是发挥了关键作用。
集成电路将大量的半导体元件集成在一块小小的芯片上，实现了复杂的功能。
从简单的逻辑门到复杂的微处理器，集成电路的发展极大地推动了电子技术的进步。
半导体的制造工艺是一个极其复杂和精细的过程。
首先，需要从高纯度的硅材料开始，经过一系列的加工步骤，如光刻、蚀刻、掺杂等，来制造出各种半导体元件。
光刻技术就像是在硅片上进行精细的“雕刻”，通过使用特定波长的光线和光刻胶，将设计好的电路图案转移到硅片上。
半导体基础知识（详细篇）
半导体基础知识（详细篇）中国半导体论坛半导体基础知识（详细篇）2.1.1 概念根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。
1. 导体：容易导电的物体。
如：铁、铜等2. 绝缘体：几乎不导电的物体。
如：橡胶等3. 半导体：半导体是导电性能介于导体和半导体之间的物体。
在一定条件下可导电。
半导体的电阻率为10-3～109 Ω·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。
2.1.2 本征半导体1.本征半导体——化学成分纯净的半导体。
制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。
它在物理结构上呈单晶体形态。
电子技术中用的最多的是硅和锗。
硅和锗都是4价元素，它们的外层电子都是4个。
其简化原子结构模型如下图：外层电子受原子核的束缚力最小，成为价电子。
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，成为价电子。
物质的性质是由价电子决定的。
2.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，使原分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：硅晶体的空间排列与共价键结构平面示意图3.共价键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4.电子与空穴当导体处于热力学温度0°K时，导体中没有自由电子。
(整理)半导体基础知识.
1.1 半导体基础知识概念归纳本征半导体定义：纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。
电流形成过程：自由电子在外电场的作用下产生定向移动形成电流。
绝缘体原子结构：最外层电子受原子核束缚力很强，很难成为自由电子。
绝缘体导电性：极差。
如惰性气体和橡胶。
半导体原子结构：半导体材料为四价元素，它们的最外层电子既不像导体那么容易挣脱原子核的束缚，也不像绝缘体那样被原子核束缚得那么紧。
半导体导电性能：介于半导体与绝缘体之间。
半导体的特点：★在形成晶体结构的半导体中，人为地掺入特定的杂质元素，导电性能具有可控性。
★在光照和热辐射条件下，其导电性有明显的变化。
晶格：晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，称为晶格。
共价键结构：相邻的两个原子的一对最外层电子（即价电子）不但各自围绕自身所属的原子核运动，而且出现在相邻原子所属的轨道上，成为共用电子，构成共价键。
自由电子的形成：在常温下，少数的价电子由于热运动获得足够的能量，挣脱共价键的束缚变成为自由电子。
空穴：价电子挣脱共价键的束缚变成为自由电子而留下一个空位置称空穴。
电子电流：在外加电场的作用下，自由电子产生定向移动，形成电子电流。
空穴电流：价电子按一定的方向依次填补空穴（即空穴也产生定向移动），形成空穴电流。
本征半导体的电流：电子电流+空穴电流。
自由电子和空穴所带电荷极性不同，它们运动方向相反。
载流子：运载电荷的粒子称为载流子。
导体电的特点：导体导电只有一种载流子，即自由电子导电。
本征半导体电的特点：本征半导体有两种载流子，即自由电子和空穴均参与导电。
本征激发：半导体在热激发下产生自由电子和空穴的现象称为本征激发。
复合：自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，使两者同时消失，这种现象称为复合。
动态平衡：在一定的温度下，本征激发所产生的自由电子与空穴对，与复合的自由电子与空穴对数目相等，达到动态平衡。
载流子的浓度与温度的关系：温度一定，本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。
半导体方面的基本知识
半导体方面的基本知识嘿，朋友们！今天咱来聊聊半导体这个神奇的玩意儿。
半导体啊，就像是一个充满魔法的小世界。
你想想看，它小小的身体里却蕴含着巨大的能量和无数的可能性。
它就像一个超级百变侠，一会儿变成这个，一会儿又变成那个，在各种电子设备里大显身手。
比如说手机吧，没有半导体，那手机不就成了一块砖头啦！半导体在里面负责处理各种信息，让我们能愉快地刷视频、聊天、玩游戏。
它就像是手机的大脑，指挥着一切呢！再想想电脑，要是没有半导体，那电脑还能运行吗？那简直不敢想象呀！半导体的制造过程可不简单哦，就好像是精心雕琢一件艺术品。
从原材料的选取，到一道道复杂的工艺，每一步都得小心翼翼，不能有丝毫差错。
这就好比是做一道超级复杂的菜，盐不能多放，火候也得掌握好，不然味道可就不对啦！而且啊，半导体的发展速度那叫一个快！简直跟火箭似的。
每隔一段时间，就会有新的技术出现，让半导体变得更强大、更厉害。
这就好像我们小时候玩的游戏，不停地升级打怪，变得越来越强。
你们知道吗，半导体的应用可不仅仅局限在我们常见的这些电子设备里哦。
在医疗领域，它能帮助医生更好地诊断疾病；在交通领域，它让我们的出行更加智能和安全。
它就像是一个无处不在的小精灵，默默地为我们的生活带来便利和改变。
哎呀呀，半导体可真是太重要啦！我们的生活真的已经离不开它了。
它就像我们的好朋友一样，默默地陪伴着我们，让我们的生活变得更加丰富多彩。
所以说呀，大家可别小看了这小小的半导体哦！它虽然不显眼，但却有着大大的能量。
它就像是一颗隐藏在电子世界里的明珠，等待着我们去发现它的光芒。
怎么样，是不是对半导体有了更深的认识呢？以后再看到那些电子设备，可别忘了里面有半导体这个小功臣哦！。
半导体器件重要知识点总结
半导体器件重要知识点总结一、半导体基础知识1. 半导体的概念及特性：半导体是指导电性介于导体和绝缘体之间的一类材料。
由于半导体材料的导电性能受温度、光照等外部条件的影响比较大，它可以在不同的条件下表现出不同的导电特性。
半导体材料常见的有硅、锗等。
2. P型半导体和N型半导体：P型半导体是指在半导体材料中掺入了3价元素，如硼、铝等，使其成为带正电荷的空穴主导的半导体材料。
N型半导体是指在半导体材料中掺入了5价元素，如磷、砷等，使其成为自由电子主导的半导体材料。
3. 掺杂：半导体器件在制造过程中一般都要进行掺杂，以改变其导电性能。
掺杂分为N型掺杂和P型掺杂，通过掺杂可以使半导体材料的导电性能得到调控，从而获得所需要的电子特性。
4. pn结：pn结是指将P型半导体和N型半导体直接连接而成的结构，它是构成各类半导体器件的基础之一。
pn结具有整流、发光、光电转换等特性，在各类器件中得到了广泛的应用。
二、半导体器件的基本知识1. 二极管（Diode）：二极管是一种基本的半导体器件，它采用pn结的结构，在正向偏置时可以导通，而在反向偏置时则将电流阻断。
二极管在各类电子电路中具有整流、电压稳定、信号检测等重要作用。
2. 晶体管（Transistor）：晶体管是一种由半导体材料制成的三电极器件，它采用多个pn结的结构，其主要功能是放大信号、开关电路和稳定电路等。
晶体管在各类电子器件中扮演着至关重要的作用，是现代电子技术的重要组成部分。
3. 集成电路（IC）：集成电路是将大量的半导体器件集成在一块半导体芯片上的器件，它可以实现各种功能，如存储、计算、通信等。
集成电路在现代电子技术中已成为了各类电子产品不可或缺的一部分，是现代电子产品的核心之一。
4. MOS场效应管（MOSFET）：MOSFET是一种基于金属-氧化物-半导体的结构的场效应晶体管，它在功率控制、开关电路、放大器等方面有着重要的应用。
MOSFET在各类电源、电动机控制等领域得到了广泛的应用。
半导体基础
5
PN结加正向电压时导通【可参考教材P15图2-5】 多子空穴 变薄
+ + + 多子电子 + +
PN结加正向电压时导通【可参考教材P15图2-5】 变薄
－ － － － － + + + + +
－ － － － －
＋
I：扩散电流 + + + + + － － － － － P区 N区
－ － － － － + + + + +
三.PN结的电流方程及V-I特性
三.PN结的电流方程及V-I特性
i = IS (e
＋ IR －
UBR
u
UT
−1 )
－ ＋
v 当加正向电压时： u为正值，表达式 等效成 ：
u
i = IS (e
＋ IR －
UBR
u
UT
−1 )
－ ＋
v PN结的反向击穿： 反向击穿 电击穿 可逆
i/mA
i/mA
i=IS e
2.2 PN结及其特性
一. PN结的形成
耗尽层
PN结
势垒区
阻挡层
-
+
V0 （电位势垒）
【见教材P15图2-4(a)】
返回
【见教材P15图2-4(b)】
4
耗尽层
PN结
由上可知，PN结中进行着两种载流子的运动： 势垒区 阻挡层 v 多数载流子的扩散运动
P区空穴→N区 N区电子→P区 N区空穴→P区 P区电子→N区
IF
UT
指数 关系 反向击穿电压
i=-IS u/V
(μ A)
半导体的基本知识.ppt
半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘 体之间，称为半导体，如硅、锗、砷化镓 和一些硫化物、氧化物等。
2.1 半导体的基本知识
半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具 有不同于其它物质的特点。例如：
• 当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。
在 P 型半导体中，空 穴是多数载流子；自由电 子是少数载流子。
空穴
+4
+4
+3
+4
空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负 离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。
3.杂质半导体的示意表示法
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
N型半导体：在本征半导体中掺入五价元素 ，
如磷、砷等，就会构成 N 型半导体。
P型半导体：在硅或锗的晶体中掺入少量的三
价杂质元素，如硼、镓、铟等，就会构成 P 型半导体。
1. N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。
载流子浓度分布的不均匀引起的定向 运动称为扩散运动。相应产生的电流称为 扩散电流。
小结
1. 半导体是依靠自由电子和空穴两种载流子导电的。
2. 掺入不同杂质，形成N型和P型两种杂质半导体。 N型半导体：多子是自由电子，少子是空穴； P型半导体：多子是空穴，少子是自由电子。
半导体基础知识
度升高或受光照）后，即可挣
Si
脱原子核的束缚，成为自由电
子（带负电），同时共价键中
留下一个空位，称为空穴（带
Si
正电）。
价电子
当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出 现两部分电流
在本征半导体内，自由电子和空穴总是成对出 现的。在任何时候，本征半导体中的自由电子和空 穴数总是相等的。
注意：
在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）, 形成杂质半导体。 在常温下即可
导 体：导电能力良好的物体，如银、铜、铁等。
绝缘体：不能导电或导电能力很差的物体，如橡 胶、陶瓷、玻璃、塑料等。
半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物体。
典型的元素半导体有硅Si和锗Ge ，此外，还 有化合物半导体砷化镓GaAs等。
价电子 共价健
Si
Si
Si子在获得一定能量（温
变为自由电子
Si
Si
多
余
电
pS+i
Si
子
失去一个 电子变为 正离子
磷原子
在N 型半导体中自由电子 是多数载流子，空穴是少数 载流子。
Si
Si
空穴
BS–i
Si
硼原子
少子的漂移运动 内电场
－－－－－－ + + + + + + －－－－－－ + + + + + + －－－－－－ + + + + + + －－－－－－ + + + + + +
浓度差 多子的扩散运动
形成空间电荷区
扩散的结果使
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• 这两种杂质半导体吸收足够能量的光子，产生 电离的过程称为杂质吸收。 显然，杂质吸收的长波限
L
1.24 ED
（1-32）
L
1.24 EA
（1-32）
由于Eg>Δ ED或Δ EA ，因此，杂质吸收的长波
长总要长于本征吸收的长波长（杂质吸收的波
长阈值多在红外区或远红外区）。杂质吸收会
改变半导体的导电特性，也会引起光电效应。
载流子的产生与复合 过剩载流子
光照前半导体中电子和空
2、非平衡载流子的产生：穴浓度分别是n0和p0，并且
n0>>p0。 光照后的非平衡态半导体
中电子浓度n=n0+ △n ，空穴 浓度p=p0+ △p ，并且△n= △p 。
比平衡态多出来的这部分
载流子△n和△p就称为非平 衡载流子。n型半导体中称 △n为非平衡多子，△p为非 平衡少子。
• 3. 激子吸收 当入射到本征半导体上的光子能量hv小于Eg，
或入射到杂质半导体上的光子能量hv小于杂质电 离能（Δ ED或Δ EA）时，电子不产生能带间的跃 迁成为自由载流子，仍受原来束缚电荷的约束而 处于受激状态。这种处于受激状态的电子称为激 子。吸收光子能量产生激子的现象称为激子吸收。 显然，激子吸收不会改变半导体的导电特性。
吸收，改变本征半导体的导电特性。
2.杂质吸收
N型半导体中未电离的杂质原子（施主原子） 吸收光子能量hv。若hv大于等于施主电离能Δ ED， 杂质原子的外层电子将从杂质能级（施主能级）跃 入导带，成为自由电子。
同样，P型半导体中，价带上的电子吸收了能量 hv大于Δ EA（受主电离能）的光子后，价电子跃入 受主能级，价带上留下空穴。相当于受主能级上的 空穴吸收光子能量跃入价带。
Φ Φ0ex
可见，当光在物质中传播时，透过的能量衰减到
原来能量的e-1时所透过的路程的倒数等于该物质
的吸收系数α ，即
பைடு நூலகம் 1
x
另外，根据电动力学理论，平面电磁波在物质中传播时， 其电矢量和磁矢量都按指数规律 exp(-ω μ xc-1)衰减。
x j (t nx)
EY E0e c e c
当不考虑反射损失时，吸收的光通量应为
Φ Φ0 Φ Φ0 (1 ex )
（1-28）
半导体对光的吸收
在不考虑热激发和杂质的作用时，半导体中的电 子基本上处于价带中，导带中的电子很少。当光入射到 半导体表面时，原子外层价电子吸收足够的光子能量， 越过禁带，进入导带，成为可以自由运动的自由电子。 同时，在价带中留下一个 自由空穴，产生电子-空穴 对。如图1-9所示，半导体 价带电子吸收光子能量跃 迁入导带，产生电子空穴
R ∝ 电子浓度 × 空穴浓度
复合需要 1个空穴 + 1个准自由电子
大多数发光器件发光的基于此原理。
15
非平衡载流子的产生
1．光注入
∆n
no
用波长比较短的光 光照
h Eg po
照射到半导体
∆p
光照产生非平衡载流子
2．电注入(通过半导体界面把载流子注入半导体，
使热平衡受到破坏)
4. 自由载流子吸收
对于一般半导体材料，当入射光子的频率不够 高时，不足以引起电子产生能带间的跃迁或形成激 子时，仍然存在着吸收，而且其强度随波长增大而 增强(表现为红外吸收)。这是由自由载流子在同一 能带内的能级间的跃迁所引起的，称为自由载流子 吸收。自由载流子吸收不会改变半导体的导电特性。
5. 晶格吸收
[半导体对光的吸收主要是本征吸收。对于硅材料， 本征吸收的吸收系数比非本征吸收的吸收系
数要大几十倍到几万倍，一般照明下只考虑本征吸
收，可认为硅对波长大于1.15μm的可见光透明（室温下， 杂质已全部电离）。
载流子的产生与复合 过剩载流子
1、非平衡态
半导体的平衡态条件并不总能成立，如果某些外 界因素作用于平衡态半导体上，比如，用光子能量 hν≥Eg的光照射n型半导体，这时平衡态条件被破坏， 样品就处于偏离平衡态的状态，称作非平衡态。
半导体对光的吸收
• 物质对光吸收的一般规律
光波入射到物质表面上，用透射法测定光通
量的衰减时，发现通过路程dx的光通量变化dΦ 与入射的光通量Φ 和路程dx的乘积成正比，即
dΦ Φdx
式中，α 称为吸收系数。
如图1-8所示，利用初始条件
x=0时，Φ =Φ 0 ，解这个微
分方程，可以找到通过x路 程的光通量为
对的现象称为本征吸收。
• 显然，发生本征吸收的条件是光子能量必须大
于半导体的禁带宽度Eg，才能使价带EV上的电子 吸收足够的能量跃入到导带底能级EC之上，即
hv Eg
（1-30）
由此，可以得到发生本征吸收的光波长波限
L
hc Eg
1.24 Eg
（1-31）
只有波长短于的入射辐射才能使器件产生本征
晶格原子对远红外谱区的光子能量的吸收直 接转变为晶格振动动能的增加，在宏观上表现为 物体温度升高，引起物质的热敏效应。
以上五种吸收中，只有本征吸收和杂质吸收 能够直接产生非平衡载流子，引起光电效应。其 他吸收都程度不同地把辐射能转换为热能，使器 件温度升高，使热激发载流子运动的速度加快， 而不会改变半导体的导电特性。
载流子的产生
载流子数目增加
价带中的电子跃迁到导带后会产生一个准自由电子 和一个空穴，这个过程称为载流子的产生过程。
电子需要获取足够大的能量 （由热激发、光照射或其它外界因素）
产生率 G （cm-3s-1 ）
G与温度、光照等因素有关 G GTh Gopt L cm3s1
x
j (t nx)
HZ H0e c e c
乘积的实数部分应是辐射通量随传播路径x的变
化关系。即
2 x
Φ Φ0e c
Φ Φ0ex
式中，μ 称为消光系数。
由此可以得出
2 4π c
（1-29）
半导体的消光系数μ 与入射光的波长无 关，表明它对愈短波长的光吸收愈强。
许多热敏、光敏器件的就是基于此工作原理。
14
载流子的复合
载流子数目减少
每一个被激发到导带的电子经过一段时间后 都会重新回到价带的空量子态上，并因此导 致一对准自由电子和空穴的消失，这个过程 称为载流子的复合过程。
复合将以热、辐射光子（LD LED）等方 式释放能量
复合率 R （cm-3s-1 ）