半导体器件原理 第七章
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第七章 半导体器件
本章主要内容：
半导体材料、由半导体构成的PN结、 二极管结构特性、三极管结构特性及场效 应管结构特性。
1
7 .1 半导体（Semiconductor）导电特性
根据导电性质把物质分为导体、绝 缘体、半导体三大类。 而半导体又分为本征半导体、杂质
（掺杂）半导体两种。
2
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。
43
半导体 PN结
二极管
稳压二极管
7.2.2 PN 结的单向导电性
空间电荷区变窄，有利 于扩散运动，电路中有 1. PN结 外加正向电压时处于导通状态 较大的正向电流。
电子—空穴对，同时存在电子—空穴对
的复合 。
电子浓度 = 空穴浓度
ni = pi
7
7 .1 .2 杂质半导体
在本征半导体中掺入少量的其他特定元 素（称为杂质）而形成的半导体。
常用的杂质元素
三价的硼、铝、铟、镓 五价的砷、磷、锑
通过控制掺入的杂质元素的种类和数量来制
成各种各样的半导体器件。 杂质半导体分为：N型半导体和P型半导体。
电压UBR
U(V)
死区电压，硅管约 0.5V,锗管约0.1V (μA)
反向饱和漏电流
23
7.3.2 二极管的特性方程
二极管两端所加电压U与流过的 电流 I 的关系为：
I U
I I S (e
IS ：反向饱和电流
U
UT
1)
UT ：温度电压当量，在常温(300 K)下，UT 26 mV
24
7.3.2 二极管的特性方程
应根据不同情况选择不同的等效电路！
半导体材料、由半导体构成的PN结、 二极管结构特性、三极管结构特性及场效 应管结构特性。
1
7 .1 半导体（Semiconductor）导电特性
根据导电性质把物质分为导体、绝 缘体、半导体三大类。 而半导体又分为本征半导体、杂质
（掺杂）半导体两种。
2
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。
43
半导体 PN结
二极管
稳压二极管
7.2.2 PN 结的单向导电性
空间电荷区变窄，有利 于扩散运动，电路中有 1. PN结 外加正向电压时处于导通状态 较大的正向电流。
电子—空穴对，同时存在电子—空穴对
的复合 。
电子浓度 = 空穴浓度
ni = pi
7
7 .1 .2 杂质半导体
在本征半导体中掺入少量的其他特定元 素（称为杂质）而形成的半导体。
常用的杂质元素
三价的硼、铝、铟、镓 五价的砷、磷、锑
通过控制掺入的杂质元素的种类和数量来制
成各种各样的半导体器件。 杂质半导体分为：N型半导体和P型半导体。
电压UBR
U(V)
死区电压，硅管约 0.5V,锗管约0.1V (μA)
反向饱和漏电流
23
7.3.2 二极管的特性方程
二极管两端所加电压U与流过的 电流 I 的关系为：
I U
I I S (e
IS ：反向饱和电流
U
UT
1)
UT ：温度电压当量，在常温(300 K)下，UT 26 mV
24
7.3.2 二极管的特性方程
应根据不同情况选择不同的等效电路！
半导体物理与器件-第七章 pn结
7.1 pn结的基本结构
冶金结:P区和n区的交界面
突变结 突变结-均匀分布，交界处突变
5
7.1 pn结的基本结构
PN结的形成
Space charge region
空间电荷区＝耗尽区（没有可自由移动的净电荷，高阻区）
6
pn结的形成
Байду номын сангаас.2 零 偏
pn结能带图
7.2.1内建电势差
当两块半导体结合成pn结时，按费米能级的意义，电子将 从费米能级高的n区向费米能级低的p区，空穴则从p区流向n区 ，因而FFn不断下移，且EFp不断上移，直至时FFn = EFp为止；这 时pn结中有统一的费米能级EF，pn结处于热平衡状态。
4、对单边突变结，空间电荷区的宽度W取决于轻掺杂一侧杂质的浓度。
7.2零偏
7.2.3空间电荷区宽度
7.3 反 偏
7.3.1空间电荷区宽度与电场
反偏
与内建电场方向相同
外加偏置电压VR（以P端相对于N端电压为定义方向) 正偏：P端接正；
反偏：P端接负。
EF不再统一
n
16
7.3反偏
V=Vbi+VR
第7章 pn结
本章内容
第7章 pn结 7．1 pn结的基本结构 7．2零偏 7．3反偏 *7．4非均匀掺杂pn结 7．5小结
2
引言
PN结是几乎所有半导体器件的基本单元。除金属－半导体接触器 件外，所有结型器件都由PN结构成。PN结本身也是一种器件－整 流器。PN结含有丰富的物理知识，掌握PN结的物理原理是学习其 它半导体器件器件物理的基础。正因为如此， PN结一章在半导 体器件物理课的64学时的教学中占有16学时，为总学时的四分之 一。
半导体物理 第七章 电荷转移器件 图文
（图7-2b）。存储的电荷寻求更低的电势，因而当势阱移动时它们沿着 表面移动。 3. 注意在这种结构中需要3个电极，以便于电荷存储，并且使转移只沿着一 个方向。这三个电极看成是器件的一个级或单元，称为三相CCD。
国家级精品课程——半导体器件物理与实验
第七章 电荷转移器件
§7.1 电荷转移
❖ 小结：
体表面形成由电离受主构成的负的空间电荷区。空间电荷区为耗
尽层。由于不是处于热平衡状态，耗尽层不受热平衡时的最大厚
度的限制，而直接由栅压VG的大小来决定。这时表面势也不受形 成强反型层时ψs=2φf的限制，也直接由VG 的大小来决定。在深 耗尽状态，耗尽层厚度Xd>Xdm，表面势ψs>2φf ，所以称之为深 耗尽状态。
CTD的核心是MOS电容的有序阵列(arrays)加上输 入与输出部分。在栅电极加上时钟脉冲电压时，在 半导体表面就形成了能存储少数载流子的势阱。用 光或电注入的方法把代表信号的少数载流子注入势 阱中。通过时钟脉冲的有规律变化，使势阱的深度 发生相应的变化，从而使注入势阱中的少数载流子 在半导体表面内作定向运动，再通过对少数载流子 的收集和再生得到信号的输出。
国家级精品课程——半导体器件物理与实验
第七章 电荷转移器件
§7.1 电荷转移
二、电荷耦合器件——CCD
图7-2 三相CCD动作， p+扩散用来限制沟道 1. 若在图7-2a中，电极2偏置在10V，比它附近两个电极的偏置电压(5V)高，
这样就建立了用虚线描绘的势阱，电荷存储在这个电极下边。 2. 现在让电极3偏置在15V，在电极3下边于是就建立起一个更深的势阱
第七章 电荷转移器件
Charge-Transfer Devices—CTD
国家级精品课程——半导体器件物理与实验
第七章 电荷转移器件
§7.1 电荷转移
❖ 小结：
体表面形成由电离受主构成的负的空间电荷区。空间电荷区为耗
尽层。由于不是处于热平衡状态，耗尽层不受热平衡时的最大厚
度的限制，而直接由栅压VG的大小来决定。这时表面势也不受形 成强反型层时ψs=2φf的限制，也直接由VG 的大小来决定。在深 耗尽状态，耗尽层厚度Xd>Xdm，表面势ψs>2φf ，所以称之为深 耗尽状态。
CTD的核心是MOS电容的有序阵列(arrays)加上输 入与输出部分。在栅电极加上时钟脉冲电压时，在 半导体表面就形成了能存储少数载流子的势阱。用 光或电注入的方法把代表信号的少数载流子注入势 阱中。通过时钟脉冲的有规律变化，使势阱的深度 发生相应的变化，从而使注入势阱中的少数载流子 在半导体表面内作定向运动，再通过对少数载流子 的收集和再生得到信号的输出。
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第七章 电荷转移器件
§7.1 电荷转移
二、电荷耦合器件——CCD
图7-2 三相CCD动作， p+扩散用来限制沟道 1. 若在图7-2a中，电极2偏置在10V，比它附近两个电极的偏置电压(5V)高，
这样就建立了用虚线描绘的势阱，电荷存储在这个电极下边。 2. 现在让电极3偏置在15V，在电极3下边于是就建立起一个更深的势阱
第七章 电荷转移器件
Charge-Transfer Devices—CTD
第七章 半导体存储器
三、知识点
1、重点掌握的知识点 （1）各种ROM的电路结构和工作原理； （2）SRAM的的电路结构和工作原理；
（3）存储器容量的扩展方法；
（4）用存储器实现组合逻辑函数的方法。 2、一般掌握的知识点
（1）各种ROM存储单元的特点； （2）SRAM的静态存储单元。
7.1 概述
半导体存储器是一种能存储大量二值信息的半导 体器件。 一、半导体存储器的一般结构形式 存储单元数目庞大，输入/输出引脚数目有限。
译成某一条字线有效，从存储矩阵中选中一行存储单元；
列地址译码器将输入地址代码的其余若干位(Ai+1~An-1)译 成某一根输出线有效，从字线选中的一行存储单元中再 选一位(或n位)，使这些被选中的单元与读/写电路和 I/O(输入/输出端)接通，以便对这些单元进行读/写操作。
读/写控制电路用于对电路的工作状态进行控 制。CS′称为片选信号，当CS′=0时，RAM工作， CS′=1时，所有I/O端均为高阻状态，不能对RAM 进行读/写操作。
11A7 ~ A0 768 ~ 1023
256 ~ 511
7.5 用存储器实现组合逻辑函数
ROM广泛应用于计算机、电子仪器ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ电子测量设备和数
控电路，其具体应用有专门的教材进行论述，这里仅介绍用
ROM在数字逻辑电路中的应用。 分析ROM的工作原理可知，ROM中的地址译码器可产
生地址变量的全部最小项，能够实现地址变量的与运算，即
A0~An-1
D0
W0
W2n-1
Dm
地
A1
址
A0 D3
数
D2
据
D1 D0
0 0 1 1
0 1 0 1
0 1 0 1
第七章_半导体工艺
第七章 半导体工艺介绍
参考书： 参考书：半导体制造技术 韩郑生 等译 Semiconductor Manufacturing Technolgy [美] Micheal Quirk Julian Serda 著
1
半导体产业介绍
ห้องสมุดไป่ตู้
• 概述 微电子从40年代末的第一只晶体管（Ge合金管 40年代末的第一只晶体管 合金管） 微电子从40年代末的第一只晶体管（Ge合金管） 问世， 50年代中期出现了硅平面工艺 年代中期出现了硅平面工艺， 问世 ， 50 年代中期出现了硅平面工艺 ， 此工艺不 仅成为硅晶体管的基本制造工艺， 仅成为硅晶体管的基本制造工艺 ， 也使得将多个 分立晶体管制造在同在一硅片上的集成电路成为 可能，随着制造工艺水平的不断成熟， 可能 ， 随着制造工艺水平的不断成熟 ， 使微电子 从单只晶体管发展到今天的ULSI ULSI。 从单只晶体管发展到今天的ULSI。 回顾发展历史， 回顾发展历史 ， 微电子技术的发展不外乎包括 两个方面：制造工艺和电路设计， 两个方面 ： 制造工艺和电路设计 ， 而这两个又是 相互相成，互相促进，共同发展。 相互相成，互相促进，共同发展。
• 特征尺寸的减小和电路密度的提高产生的结果是： 特征尺寸的减小和电路密度的提高产生的结果是： • 信号传输距离的缩短和电路速度的提高，芯片或电 信号传输距离的缩短和电路速度的提高， 路功耗更小。 路功耗更小。
1.5 半导体工业的构成
• 半导体工业包括材料供应、电路设计、芯片制造和 半导体工业包括材料供应、电路设计、 半导体工业设备及化学品供应五大块。 半导体工业设备及化学品供应五大块。 • 目前有三类企业：一种是集设计、制造、封装和市 目前有三类企业：一种是集设计、制造、 场销售为一体的公司； 场销售为一体的公司；另一类是做设计和销售的公 他们是从芯片生产厂家购买芯片； 司，他们是从芯片生产厂家购买芯片；还有一种是 芯片生产工厂， 芯片生产工厂，他们可以为顾客生产多种类型的芯 片。
参考书： 参考书：半导体制造技术 韩郑生 等译 Semiconductor Manufacturing Technolgy [美] Micheal Quirk Julian Serda 著
1
半导体产业介绍
ห้องสมุดไป่ตู้
• 概述 微电子从40年代末的第一只晶体管（Ge合金管 40年代末的第一只晶体管 合金管） 微电子从40年代末的第一只晶体管（Ge合金管） 问世， 50年代中期出现了硅平面工艺 年代中期出现了硅平面工艺， 问世 ， 50 年代中期出现了硅平面工艺 ， 此工艺不 仅成为硅晶体管的基本制造工艺， 仅成为硅晶体管的基本制造工艺 ， 也使得将多个 分立晶体管制造在同在一硅片上的集成电路成为 可能，随着制造工艺水平的不断成熟， 可能 ， 随着制造工艺水平的不断成熟 ， 使微电子 从单只晶体管发展到今天的ULSI ULSI。 从单只晶体管发展到今天的ULSI。 回顾发展历史， 回顾发展历史 ， 微电子技术的发展不外乎包括 两个方面：制造工艺和电路设计， 两个方面 ： 制造工艺和电路设计 ， 而这两个又是 相互相成，互相促进，共同发展。 相互相成，互相促进，共同发展。
• 特征尺寸的减小和电路密度的提高产生的结果是： 特征尺寸的减小和电路密度的提高产生的结果是： • 信号传输距离的缩短和电路速度的提高，芯片或电 信号传输距离的缩短和电路速度的提高， 路功耗更小。 路功耗更小。
1.5 半导体工业的构成
• 半导体工业包括材料供应、电路设计、芯片制造和 半导体工业包括材料供应、电路设计、 半导体工业设备及化学品供应五大块。 半导体工业设备及化学品供应五大块。 • 目前有三类企业：一种是集设计、制造、封装和市 目前有三类企业：一种是集设计、制造、 场销售为一体的公司； 场销售为一体的公司；另一类是做设计和销售的公 他们是从芯片生产厂家购买芯片； 司，他们是从芯片生产厂家购买芯片；还有一种是 芯片生产工厂， 芯片生产工厂，他们可以为顾客生产多种类型的芯 片。
第七章霍尔
第二节
霍尔集成电路
霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大 类。
一、线性型集成电路----是将霍尔元件和恒流源、 线性差动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏特 级，比直接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型 霍尔器件如UGN3501等。
线性型三端 霍尔集成电路
霍尔线性集成传感器的输出电压与 外加磁场呈线性比例关系。
• 1.霍尔元件的温度误差及其补偿 • 霍尔元件-------由半导体材料制成 • 一般半导体材料的电阻率、迁移率和载流 子浓度等都随温度而变化 • 霍尔元件的性能参数如输入和输出电阻、 霍尔系数等也随温度而变化，致使霍尔电 势变化，产生温度误差 • 为了减小温度误差，除选用温度系数较小 的材料如砷化铟外，还可以采用适当的补 偿电路。
五.霍尔元件的应用电路
• 基本电路
图7-5 恒流工作的霍尔传感器
图7-6 恒压工作的霍尔传感器
图7-8
三个运算放大器的放大电路
六.霍尔式传感器特点
• 霍尔式传感器结构简单，体积小，坚固， 频率响应宽（从直流到微波），动态范围 （输出电动势的变化）大，无触点，使用 寿命长，可靠性高，易于微型化和集成电 路化 • 但温度影响大，要求转换精度较高时必须 进行温度补偿
(1)采用恒流源供电和输入回路并联电阻
• 温度变化引起霍尔元件输入电阻变化，在 稳压源供电时，使控制电流变化，带来误 差。为了减小这种误差，最好采用恒流源 （稳定度±0.1％）提供控制电流。但元件 的灵敏度系数kH也是温度的函数，因此采 用恒流源后仍有温度误差。为了进一步提 高UH的温度稳定性，对于具有正温度系数 的霍尔元件，可在其输入回路中并联电阻R, 当温度升高时 R自动分流
霍尔元件在电流测量上的应用
半导体物理学刘恩科第七版 第七章 金半接触
2. 对于相同的势垒高度，肖特基势垒二极管有的JsD或 JsT比Js大得多。 肖特基势垒二极管正向导通电亚较低，约0.3V左右
3.肖特基势垒二极管的应用 应用于高速集成电路、微波技术中， 如Si TTL电路，雪崩二极管，肖特基势垒栅场效 应晶体管等。
7. 3 少数载流子的注入和欧姆接触
实际中，少数载流子的影响也比较显著。 对n阻挡层，体内电子为n0, 界面处电子浓度
半导体中， 使内部电子从半导体逸出 成为自由电子所需要的最小能量为：
Ws为半导体的功函数
表示半导体导带底的电子逸出体外 需要的最小能量。
Ws=+Ec-EF= + En
若一块金属和一块n型半导体，具有共同的真空静止能级， 且（金属功函数）Wm>Ws （半导体功函数）。
接触前：
接触后：
特征：
特征：1)接触后，半导体中
)d x
qns qV A T exp( ) exp( ) k0T k0T
* 2
A* (
h
3
)
A*称为有效理查逊常数，热电子向真空中发射 A*=120A/(cm2K)
J s m A*T 2 exp(
qns qV ) exp( ) k0T k0T
由于从金属到半导体的势垒高度不随外加电压变化， 从金属到半导体的电子流Jms为一常数。 应与热平衡下(V=0)时的Jsm相等。
qV J J sD exp( 1) k0T J sD qV [ (VD V )]exp( ) r 0 k0T qV J J sD exp( ) k0T 2qND
V>0, qV>>k0T
V<0, qV >>k0T
J J sD
半导体物理与器件第四版课后答案第七章
17
or
x p 0.0213 10 4 cm 0.0213 m
We have
max
19
eN d x n s
15 4
1.6 10 5 10 0.426 10 11.7 8.85 10
14
or
max 3.29 10 4 V/cm
7.4 (a) n-side
Nd E F E Fi kT ln n i
5 1015 1017
1 17 10 5 1015
1/ 2
5 1015 0.0259 ln 1.5 1010 or E F E Fi 0.3294 eV p-side Na E Fi E F kT ln n i 10 0.0259 ln 1.5 1010 or E Fi E F 0.4070 eV (b) Vbi 0.3294 0.4070 or Vbi 0.7364 V (c)
(a) N d 1014 cm 3 , N a 1017 cm 3 ' Si: Vbi 0.635 V Ge: Vbi 0.253 V GaAs: Vbi 1.10 V
; 1017 (c) Silicon (400 K),
n i 2.38 1012 cm 3
Semiconductor Physics and Devices: Basic Principles, 4th edition Chapter 7 By D. A. Neamen Problem Solutions ______________________________________________________________________________________ For N a N d 1014 cm 3 ; Na Nd Vbi Vt ln n2 Vbi 0.2582 V i
or
x p 0.0213 10 4 cm 0.0213 m
We have
max
19
eN d x n s
15 4
1.6 10 5 10 0.426 10 11.7 8.85 10
14
or
max 3.29 10 4 V/cm
7.4 (a) n-side
Nd E F E Fi kT ln n i
5 1015 1017
1 17 10 5 1015
1/ 2
5 1015 0.0259 ln 1.5 1010 or E F E Fi 0.3294 eV p-side Na E Fi E F kT ln n i 10 0.0259 ln 1.5 1010 or E Fi E F 0.4070 eV (b) Vbi 0.3294 0.4070 or Vbi 0.7364 V (c)
(a) N d 1014 cm 3 , N a 1017 cm 3 ' Si: Vbi 0.635 V Ge: Vbi 0.253 V GaAs: Vbi 1.10 V
; 1017 (c) Silicon (400 K),
n i 2.38 1012 cm 3
Semiconductor Physics and Devices: Basic Principles, 4th edition Chapter 7 By D. A. Neamen Problem Solutions ______________________________________________________________________________________ For N a N d 1014 cm 3 ; Na Nd Vbi Vt ln n2 Vbi 0.2582 V i
半导体物理与器件第七章1
①空间电荷区内正负空间电荷区的宽度和该区的杂质浓度成反 比，即空间电荷区主要向杂质浓度低的一侧扩展。
②单边突变结的空间电荷区宽度随低掺杂一边的杂质浓度的增加而 下降，而且内建电势差主要分配在这一区域
当施加外电压时，可推广为：
W
(Vbi
V
)( 2s
e
)(
Na Nd Na Nd
)
7.3 PN结反偏特性
成结后：
电子由n型材料 向p型材料扩散
空穴由p型材料 向n型材料扩散
P区
N区
n区处留下带正 电的施主杂质
p区处留下带负 电的受主杂质
空间电荷区 内建电场
在pn结附近，n区一侧电离施
主形成正电荷区，P区一侧电离受
P
N
主形成负电荷区，两者统称为空 间电荷区，所带电荷为空间电荷
由于空间电荷区中的可动载流
dEFi dx
)
本征费米能级 EFi 与电子的附加电势能 -e(x) 变化一致，即：
dEFi e d(x) eE
dx
dx
则
Jn
nqn
E
1 q
( dEF dx
dEFi dx
)
Jn
nn
dEF dx
同理：
Jp
p p
dEF dx
以上两式说明通过pn结的电流密度与费米能级的变化
有关，对于平衡p-n结，Jn、Jp应均为零
E
子基本处于耗尽状态，因此空
成结后各电流成分：
间电荷区也称作耗尽区。
载流子扩散流：
(J p )扩
eDp
dp(x) dx
(Jn )扩
eDn
dn(x) dx
内建电场导致的漂移电流： (J p )漂 p(x)e p E
②单边突变结的空间电荷区宽度随低掺杂一边的杂质浓度的增加而 下降，而且内建电势差主要分配在这一区域
当施加外电压时，可推广为：
W
(Vbi
V
)( 2s
e
)(
Na Nd Na Nd
)
7.3 PN结反偏特性
成结后：
电子由n型材料 向p型材料扩散
空穴由p型材料 向n型材料扩散
P区
N区
n区处留下带正 电的施主杂质
p区处留下带负 电的受主杂质
空间电荷区 内建电场
在pn结附近，n区一侧电离施
主形成正电荷区，P区一侧电离受
P
N
主形成负电荷区，两者统称为空 间电荷区，所带电荷为空间电荷
由于空间电荷区中的可动载流
dEFi dx
)
本征费米能级 EFi 与电子的附加电势能 -e(x) 变化一致，即：
dEFi e d(x) eE
dx
dx
则
Jn
nqn
E
1 q
( dEF dx
dEFi dx
)
Jn
nn
dEF dx
同理：
Jp
p p
dEF dx
以上两式说明通过pn结的电流密度与费米能级的变化
有关，对于平衡p-n结，Jn、Jp应均为零
E
子基本处于耗尽状态，因此空
成结后各电流成分：
间电荷区也称作耗尽区。
载流子扩散流：
(J p )扩
eDp
dp(x) dx
(Jn )扩
eDn
dn(x) dx
内建电场导致的漂移电流： (J p )漂 p(x)e p E
第七章半导体器件基础
1 m+2
Cj =
εε 0 S
d
=
C0 V 1 + V D
n
1 变容二极管指数： n = m+2
C ~ V特性
电路与电子学基础
m -13/7 -3/2 -1 0 1 2 3 4 n 7 2 1 1/2 1/3 1/4 1/5 1/6 势垒电容 PN结类型 超突变结
Cj =
C0 V 1 + V D
电路与电子学基础
第七章 半导体器件基础
7.1 半导体的基本知识 7.2 半导体二极管 7.3 半导体三极管 7.4 晶体管的主要参数 7.5 场效应晶体管
电路与电子学基础
7.1 半导体的基本知识
• 电阻率介于10e-3∼10e8Ω.cm，可变化区间大， 电阻率介于10e- 10e8Ω.cm，可变化区间大， 10e 介于金属（10e-6Ω.cm～10e-3Ω.cm） 介于金属（10e-6Ω.cm～10e-3Ω.cm）和绝缘体 10e8Ω.cm～10e20Ω.cm） （10e8Ω.cm～10e20Ω.cm）之间 • 热敏性：纯净半导体负温度系数，掺杂半导体在 热敏性：纯净半导体负温度系数， 一定温度区域出现正温度系数 • 光敏性：具有光敏性，用适当波长的光照射后， 光敏性：具有光敏性，用适当波长的光照射后， 材料的电阻率会变化， 材料的电阻率会变化，即产生所谓光电导 • 掺杂性：半导体中存在着电子与+ +
多子扩散电流
电路与电子学基础
补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄， 补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E 少子飘移 又失去多子，耗尽层宽， 又失去多子，耗尽层宽，E 多子扩散
内电场E
P型半导体 － － － － － － － － － － －
Cj =
εε 0 S
d
=
C0 V 1 + V D
n
1 变容二极管指数： n = m+2
C ~ V特性
电路与电子学基础
m -13/7 -3/2 -1 0 1 2 3 4 n 7 2 1 1/2 1/3 1/4 1/5 1/6 势垒电容 PN结类型 超突变结
Cj =
C0 V 1 + V D
电路与电子学基础
第七章 半导体器件基础
7.1 半导体的基本知识 7.2 半导体二极管 7.3 半导体三极管 7.4 晶体管的主要参数 7.5 场效应晶体管
电路与电子学基础
7.1 半导体的基本知识
• 电阻率介于10e-3∼10e8Ω.cm，可变化区间大， 电阻率介于10e- 10e8Ω.cm，可变化区间大， 10e 介于金属（10e-6Ω.cm～10e-3Ω.cm） 介于金属（10e-6Ω.cm～10e-3Ω.cm）和绝缘体 10e8Ω.cm～10e20Ω.cm） （10e8Ω.cm～10e20Ω.cm）之间 • 热敏性：纯净半导体负温度系数，掺杂半导体在 热敏性：纯净半导体负温度系数， 一定温度区域出现正温度系数 • 光敏性：具有光敏性，用适当波长的光照射后， 光敏性：具有光敏性，用适当波长的光照射后， 材料的电阻率会变化， 材料的电阻率会变化，即产生所谓光电导 • 掺杂性：半导体中存在着电子与+ +
多子扩散电流
电路与电子学基础
补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄， 补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E 少子飘移 又失去多子，耗尽层宽， 又失去多子，耗尽层宽，E 多子扩散
内电场E
P型半导体 － － － － － － － － － － －
电力电子半导体器件(IGBT)
b. 动态锁定：动态锁定发生在开关过程中，在大电流、高电压旳情况下、 主要是因为在电流较大时引起α1和α2旳增长，以及由过大旳dv/dt引起旳位移 电流造成旳。
c. 栅分布锁定：是因为绝缘栅旳电容效应，造成在开关过程中个别先开通或 后关断旳IGBT之中旳电流密度过大而形成局部锁定。
——采用多种工艺措施，能够提升锁定电流，克服因为锁定产生旳失效。
4．开关时间与漏极电流、门极电阻、结温等参数旳关系：
5．开关损耗与温度和漏极电流关系
（三）擎住效应
IGBT旳锁定现象又称擎住效应。IGBT复合器件内有一种 寄生晶闸管存在，它由PNP利NPN两个晶体管构成。在NPN晶 体管旳基极与发射极之间并有一种体区电阻Rbr，在该电阻上， P型体区旳横向空穴流会产生一定压降。对J3结来说相当于加 一种正偏置电压。在要求旳漏极电流范围内，这个正偏压不大， NPN晶体管不起作用。当漏极电流人到—定程度时，这个正偏 量电压足以使NPN晶体管导通，进而使寄生晶闸管开通、门极 失去控制作用、这就是所谓旳擎住效应。IGBT发生擎住效应后。 漏极电流增大造成过高旳功耗，最终造成器件损坏。
在使用中为了防止IGBT发生擎住现象:
1．设计电路时应确保IGBT中旳电流不超出IDM值； 2．用加大门极电阻RG旳方法延长IGBT旳关断时间，减小重加
dVDS/d t。 3．器件制造厂家也在IGBT旳工艺与构造上想方设法尽量提
高IDM值，尽量防止产生擎住效应。
（四）安全工作区 1．FBSOA：IGBT开通时正向偏置安全工作区。
4．开关特征：
与功率MOSFET相比，IGBT 通态压降要小得多，1000V旳 IGBT约有2~5Ｖ旳通态压降。这 是因为IGBT中N－漂移区存在电 导调制效应旳缘故。
c. 栅分布锁定：是因为绝缘栅旳电容效应，造成在开关过程中个别先开通或 后关断旳IGBT之中旳电流密度过大而形成局部锁定。
——采用多种工艺措施，能够提升锁定电流，克服因为锁定产生旳失效。
4．开关时间与漏极电流、门极电阻、结温等参数旳关系：
5．开关损耗与温度和漏极电流关系
（三）擎住效应
IGBT旳锁定现象又称擎住效应。IGBT复合器件内有一种 寄生晶闸管存在，它由PNP利NPN两个晶体管构成。在NPN晶 体管旳基极与发射极之间并有一种体区电阻Rbr，在该电阻上， P型体区旳横向空穴流会产生一定压降。对J3结来说相当于加 一种正偏置电压。在要求旳漏极电流范围内，这个正偏压不大， NPN晶体管不起作用。当漏极电流人到—定程度时，这个正偏 量电压足以使NPN晶体管导通，进而使寄生晶闸管开通、门极 失去控制作用、这就是所谓旳擎住效应。IGBT发生擎住效应后。 漏极电流增大造成过高旳功耗，最终造成器件损坏。
在使用中为了防止IGBT发生擎住现象:
1．设计电路时应确保IGBT中旳电流不超出IDM值； 2．用加大门极电阻RG旳方法延长IGBT旳关断时间，减小重加
dVDS/d t。 3．器件制造厂家也在IGBT旳工艺与构造上想方设法尽量提
高IDM值，尽量防止产生擎住效应。
（四）安全工作区 1．FBSOA：IGBT开通时正向偏置安全工作区。
4．开关特征：
与功率MOSFET相比，IGBT 通态压降要小得多，1000V旳 IGBT约有2~5Ｖ旳通态压降。这 是因为IGBT中N－漂移区存在电 导调制效应旳缘故。
电工学第7章半导体器件
6
Si
Si
BS–i
Si
硼原子 接受一个 电子变为 负离子
掺入三价元素 空穴 掺杂后空穴数目大量
增加，空穴导电成为这 种半导体的主要导电方 式，称为空穴半导体或 P型半导体。 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。
无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。
7
三、PN 结
外电场
+–
内电场被
削弱，多子 的扩散加强， 形成较大的 扩散电流。
PN 结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较 大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。
PN 结加反向电压（反向偏置） P接负、N接正
PN 结变宽
－－－ － －－ －－－ － －－ －－－－ － －
++ + ++ + ++ +
+ ++ + ++ + ++
UCC = 15 V UBB1 = 5 V UBB2 = 1.5 V
晶体管处于放大状态。
RB1 = 500 k RB2 = 50 k
RC = 5 k
(2) 开关 S 合向 b 时
IB =
UBB1 RB2
=
5 50×103 A = 0.1 mA
RB1
IC
=
UCC RC
=
15 5×103 A = 3 mA
点接触型、面接触型。
Ｐ
(2) 按材料分类
阳极
硅管、锗管。
(3) 按用途不同分类
普通管、整流管、开关管等。
N
阴极
13
(a) 点接触型 结面积小、
第7章 半导体器件基础
物体 绝缘体（电介质）：如橡胶、塑料和陶瓷等。
半导体：导电特性介于导体和绝缘体之间， 如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、 氧化物等。
7.1.1 半导体的导电特性
一、半导体的主要特征
热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强
(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。
光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化 (可做 成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极 管、光敏三极管等)。
掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变(可做成各种不同用途的半导 体器件，如二极管、三极管等）。
二、 本征半导体 纯净的半导体称为本征半导体。
1、内部结构
硅 或 锗 的 晶 体 结 构
共价键
价电子共有化，形成共价键的晶体结构
-
2、导电机理
电 子 空穴 空 穴 对 的 形 成
自由电子
7.4 晶体管
7.4.1 基本结构 1. 分类 C 集电极 NPN型
集电极 C PNP型
N
B
P
基极
N
P
B
N
基极 P
E 发射极
E 发射极
集电区： 面积较大， 掺杂浓度 低
B 基极
C 集电极
N P N
E 发射极
基区：较薄， 掺杂浓度低
发射区：掺 杂浓度较高
C 集电极
B 基极
N P N
E 发射极
集电结 发射结
1. 在杂质半导体中多子的数量与 a （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。
2. 在杂质半导体中少子的数量与 b （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。
3. 当温度升高时，少子的数量 c （a. 减少、b. 不变、c. 增多）。
4. 在外加电压的作用下，P 型半导体中的电流 主要是 b ，N 型半导体中的电流主要是 a 。
半导体：导电特性介于导体和绝缘体之间， 如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、 氧化物等。
7.1.1 半导体的导电特性
一、半导体的主要特征
热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强
(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。
光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化 (可做 成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极 管、光敏三极管等)。
掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变(可做成各种不同用途的半导 体器件，如二极管、三极管等）。
二、 本征半导体 纯净的半导体称为本征半导体。
1、内部结构
硅 或 锗 的 晶 体 结 构
共价键
价电子共有化，形成共价键的晶体结构
-
2、导电机理
电 子 空穴 空 穴 对 的 形 成
自由电子
7.4 晶体管
7.4.1 基本结构 1. 分类 C 集电极 NPN型
集电极 C PNP型
N
B
P
基极
N
P
B
N
基极 P
E 发射极
E 发射极
集电区： 面积较大， 掺杂浓度 低
B 基极
C 集电极
N P N
E 发射极
基区：较薄， 掺杂浓度低
发射区：掺 杂浓度较高
C 集电极
B 基极
N P N
E 发射极
集电结 发射结
1. 在杂质半导体中多子的数量与 a （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。
2. 在杂质半导体中少子的数量与 b （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。
3. 当温度升高时，少子的数量 c （a. 减少、b. 不变、c. 增多）。
4. 在外加电压的作用下，P 型半导体中的电流 主要是 b ，N 型半导体中的电流主要是 a 。
模电课件第七章 半导体存储器和可编程逻辑器件
（2）可编程逻辑器件
（Programmable Logic Device，PLD）
可编程逻辑器件是20世纪70年代后期发展起来的一种功能特殊 的大规模集成电路，它是一种可以由用户定义和设置逻辑功能 的器件。 特点：结构灵活、集成度高、处理速度快、可靠性高
（3）微处理器
微处理器主要指通用的微处理机芯片，它的功能由汇编语言 编写的程序来确定，具有一定的灵活性。但该器件很难与其 他类型的器件直接配合，应用时需要用户设计专门的接口电 路。 微处理器是构成计算机的主要部件。目前除用作CPU外，多 用于实时处理系统。
2. PLD器件的连接表示方法 （1）PLD 器件的连接表示法
固定连接
可编程连接
不连接
（2）门电路表示法
1
A
A
A
1
A
A
A
反向缓冲器
A
&
B
F
C
ABC
&
F
与门
A
≥1
B
F
C
ABC
≥1
F
或门
缓（冲d）器
ABC
（3） 阵列图
1
1
1
& D=BC
& E=AABBCC=0 & F=AABBCC=0
& G=1
1）浮栅注入 MOS 管（FAMOS 管） 存储单元采用两只 MOS管 缺点：集成度低、击穿电压高、速度较慢
2）叠层栅注入 MOS 管（SIMOS 管）
层叠栅存储单元
叠层栅MOS管剖面示意图
控制栅 与字线 相连，控制信息的 读出和写入
浮栅 埋在二氧化硅绝缘层， 处于电“悬浮”状态， 不与外部导通，注入电 荷后可长期保存
半导体器件物理7章MOS原理
第7章MOSFET原理7.1 金属、半导体的功函数在绝对零度时，金属中的电子填满了费米能级EF以下的所有能级，而高于费米能级E的所有能级全部F是空的。
温度升高时，只有费米能级E附近的少数电F子受到热激发，由低于E的能级跃迁到高于F E的能级F上，但大部分电子仍不能脱离金属而逃逸出体外。
这意味着金属中的电子虽然能够在金属中自由运动，但绝大多数电子所处的能级都低于体外（真空）的能级。
要使金属中的电子从金属中逸出，必须由外界给它以足够的能量。
从量子力学的观点看，金属中的电子是在一个势阱运动。
用E表示真空中静止电子的能量。
如图7.1所示。
定义某种材料的功函数为：真空电子能量E与材料的费米能级E的差值。
F则金属的功函数为()07.1m FmW E E =- 半导体的功函数为()07.2s Fs W E E =-功函数的物理意义：表示电子从起始能量等于F E 由金属内逸出（跳到真空）需要的最小能量。
注意：半导体的费米能级随掺杂浓度改变，因而其功函数也随掺杂浓度变化。
图7.1 还显示了从0c E E 的能量间隔χ，χ称谓电子亲和能，表示使处于半导体导带底的电子逃逸出体外（跳到真空能级）需要的最小能量。
即()07.3c E E χ=-利用电子的亲和能，半导体的功函数又可以表示为 []()[]7.4()S c FS n c FS n W E E e E E e N semiconductor χχφφ=+-=+-=-表7.1 列出了硅在不同掺杂浓度下对应的功函数 ()()()331415161415167.11010101010104.37 4.31 4.25 4.87 4.93 4.99S d a W eV n type N cm p type N cm Si ----表硅的功函数与掺杂浓度的关系（计算值）半导体材料功函数7.2金属－氧化物－半导体场效应晶体管(MOSFET) 引言：MOS 器件的发明先于双极器件，但由于加工工艺条件的限制，双极器件的商品化要早于MOS 器件。
半导体物理学第七章知识点
半导体物理学第七章知识点第7章⾦属－半导体接触本章讨论与pn 结特性有很多相似之处的⾦－半肖特基势垒接触。
⾦－半肖特基势垒接触的整流效应是半导体物理效应的早期发现之⼀：§7.1⾦属半导体接触及其能级图⼀、⾦属和半导体的功函数1、⾦属的功函数在绝对零度，⾦属中的电⼦填满了费⽶能级E F 以下的所有能级，⽽⾼于E F 的能级则全部是空着的。
在⼀定温度下，只有E F 附近的少数电⼦受到热激发，由低于E F 的能级跃迁到⾼于E F 的能级上去，但仍不能脱离⾦属⽽逸出体外。
要使电⼦从⾦属中逸出，必须由外界给它以⾜够的能量。
所以，⾦属中的电⼦是在⼀个势阱中运动，如图7-1所⽰。
若⽤E 0表⽰真空静⽌电⼦的能量，⾦属的功函数定义为E 0与E F 能量之差，⽤W m 表⽰：FM M E E W -=0它表⽰从⾦属向真空发射⼀个电⼦所需要的最⼩能量。
W M 越⼤，电⼦越不容易离开⾦属。
⾦属的功函数⼀般为⼏个电⼦伏特，其中，铯的最低，为1.93eV ；铂的最⾼，为5.36 eV 。
图7-2给出了表⾯清洁的⾦属的功函数。
图中可见，功函数随着原⼦序数的递增⽽周期性变化。
2、半导体的功函数和⾦属类似，也把E 0与费⽶能级之差称为半导体的功函数，⽤W S 表⽰，即FS S E E W -=0因为E FS 随杂质浓度变化，所以W S 是杂质浓度的函数。
与⾦属不同，半导体中费⽶能级⼀般并不是电⼦的最⾼能量状态。
如图7-3所⽰，⾮简并半导体中电⼦的最⾼能级是导带底E C 。
E C 与E 0之间的能量间隔C E E -=0χ被称为电⼦亲合能。
它表⽰要使半导体导带底的电⼦逸出体外所需要的最⼩能量。
利⽤电⼦亲合能，半导体的功函数⼜可表⽰为)(FS C S E E W -+=χ式中，E n =E C －E FS 是费⽶能级与导带底的能量差。
图7-1 ⾦属中的电⼦势阱图7－2 ⼀些元素的功函数及其原⼦序数图7-3 半导体功函数和电⼦亲合能表7-1 ⼏种半导体的电⼦亲和能及其不同掺杂浓度下的功函数计算值⼆、有功函数差的⾦属与半导体的接触把⼀块⾦属和⼀块半导体放在同⼀个真空环境之中，⼆者就具有共同的真空静⽌电⼦能级，⼆者的功函数差就是它们的费⽶能级之差，即W M －W S ＝E FS －E FM 。
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材料：非晶态薄膜，大面积化学气相沉积。 氢化：减少悬挂键，提高载流子迁移率。
E
导带
带隙 状态 迁移 典型值 率隙宽 1.7eV
Ec
氢化非晶硅
非晶硅状态密度与能量关系
Ev
价带 状态密度N(E)
非晶硅具有很高的光学吸收系数，大多数太阳光能在表面1 微米处被吸收。因此，太阳能电池只需要非常薄的一层非 晶硅。典型非晶硅太阳电池是一个pin器件。 h 热平衡时的能带图 Ec
7.1 半导体的光吸收
硅和砷化镓 可以完全吸 收可见光
光谱与波长和禁带宽度之间的关系
7.1.2 电子-空穴对的产生率
光能大于Eg时，光子能够被半导体吸收，从而产生电 子-空穴对
1、单位体积吸收的能量：
E( x) I ( x)
2、电子-空穴对的产生率：
I ( x)
单位体积
I ( x ) g' ( x ) h
7.3.3 p-i-n光电二极管
光电探测器中，探测器对随时间变化的光信号的响
应速度很重要，在空间耗尽层中产生的瞬时光电流
才是感兴趣的光电流，为增加光电探测器的灵敏 度，耗尽区的宽度应该做的比较宽。p-i-n光电二 极管就是为满足这个要求而设计的。
PIN光电二极管是最常用的光电二极管，其耗尽区 宽度可调制，优化量子效率和频率响应。
非晶硅被沉积 到一个光学透 明的铟锡氧化 层玻璃衬底上
玻璃
n
i
铟锡 氧化层
Ev EF Ec Ev EF
p
Voc
在本征区产生的过剩载流子在 电场作用下形成光电流
在光照射下，非晶硅PIN 太阳能电池的能带图
第七章：光器件
7.1 光学吸收 7.2 太阳能电池 7.3 光电探测器 7.4 光致发光和电致发光 7.5 发光二极管 7.6 激光二极管*
3、过剩载流子浓度：
n g' ( x) n
第七章：光器件
7.1 光学吸收 7.2 太阳能电池 7.3 光电探测器 7.4 光致发光和电致发光 7.5 发光二极管 7.6 激光二极管*
7.2 太阳能电池 pn结太阳能电池
太阳能电池是一种在pn结处没有施加电压的半导体 器件
即使施加0偏压，在空间电荷
光信号打在光电二极管上时，耗尽区会将由光产
生的电子-空穴对分离，有电流输出到外电路。
距离耗尽层边界不超过一个扩散长度的准中性区
中，产生的少子可以在足够长的时间内扩散到耗
尽区。然后被结电场扫到结的另一边。
光电二极管工作原理：光照反偏PN结，产生的光 生载流子被空间电荷区电场漂移形成反向电流。
（5）频率响应特性： 耗尽层宽度Wi,饱和漂移速度vsat=107m/s, 光生载流子渡越耗尽区的时间t=Wi/vsat 响应频率f =1/t =vsat/Wi
（a） 反偏PIN光电二极管 （b） 非均匀光子 吸收的几何形状
p-i-n光电二极管比普通pn结光电二极管的瞬时
光电流大很多，并具有优良的频率响应特性,在光
理想硅太阳能电池的转换效率：
砷化镓太阳能电池：
Si (max) 28%
实际硅太阳能电池的转换效率：
GaAs (max) 36%
Si 10% 15%
大的光学透镜可用来将太阳光集中到太阳能电池上，使光照 强度提高几百倍。短路电流随光照强度线性增加，开路电压 仅随光强呈对数增大。 注意： 串联电阻与光透过率是 转换效率 影响因素：串联电阻、表面反射 矛盾的 表面减反和纳米结构可 改进方法：聚光（增大短路电流） 以增强光吸收
7.3 光电探测器
光电探测器可以探测光子的存在； 把光学信号转换成电信号的半导体器件； 当过剩电子和空穴在半导体中产生时，材料的 导电率就会增加； 导电率的变化是光电探测器的基础。
7.3.1 光电导体
两端具有欧姆接触 平衡电导率： 的半导体材料 0 e( nn0 p p0 ) h 非平衡电导率（半导体内产生 V 过剩载流子）： e[n (n0 n) p ( p0 p)]
时间
h
收集
V
产生
p p I L eGL t (1 ) AL n n
光电导增益：
收集
p 电荷收集速率与电荷 p IL ph (1 ) 产生速率的比值 eGL AL t n n
7.3.2 光电二极管
工作于反向偏置下的pn结或金属-半导体接触
光电二极管把光信号转换成了电信号。反向的光
电流的大小与入射光的强度和波长有关。光电二
极管用于探测光信号。
光电二极管的I-V特性
说明：光电流的方向是反偏方向，它比pn结二极
管的反向饱和电流大几个数量级
pn结光电二极管光谱响应特性和频率响应特性
频率响应在几十MHz的范围内，因为扩散是相对较 慢的过程。
光子的波长和能量具有如下关系：
hc hc 1.24 m h E E
c
几种可能的光电半导体的作用机理：
光子和晶格作用，将能量转换为焦耳热；
光子与杂质、施主或者受主作用；
与半导体内部缺陷作用； 最容易与价电子作用，释放出的能量足够将电
子激发到导带。这样就产生了电子-空穴对，形 成过剩载流子浓度。
7.1.1 光子吸收系数
当一定波长的光照射半 导体时，若 h >Eg则 价带电子吸收光子跃迁 到导带。这种电子由带 与带之间的跃迁所形成 的吸收过程，称为本征 吸收。 本征吸收发生的条件：
h
c hν hυ0 h Eg λ0
7.1 半导体的光吸收
即：光子的频率下限 当
0
区也存在电场。入射光照射 能够在空间电荷区产生电子空穴对，它们将被扫到结两
带有负载的pn结太阳能电池
边，形成相反方向的光电流
IL。
P-N结的光生伏特效应
P-N 结光生伏特效应就是半导体吸收光能后在 P-N 结上 产生光生电动势的效应。光生伏特效应涉及到以下三个主 要的物理过程：
一．半导体材料吸收光能产生出非平衡的电子—空穴对； 二．非平衡电子和空穴从产生处向非均匀势场区的扩散和
异质结太阳能电池
异质结由两种不同禁带宽度的半导体形成 热平衡时pn异质结能带图
Ec
h
E g1
Ev
p AlGaAs
Eg 2
Voc
EF
p GaAs
n GaAs
优点：双能隙，光谱范围宽，转换效率高
7.2.4 非晶硅太阳能电池
单晶硅太阳能电池很昂贵，且直径限制在6英才左右。一般 太阳能电池供电系统需要一个大面积的电池组。
串联电阻与复合电流—影响电池效率的因素
串联电阻与结的深 度，掺杂浓 度，欧姆接触等有关。
具有串联电阻的太阳电池的电流 电压特性与等效电路
提高太阳电池的转换效率的因素： 最大功率考虑：选用合适Eg的半导体材料； 光谱考虑； 串联电阻与分流电阻的考虑：采用栅格接触形式， 这种结构能够有大的曝光面积，而同时又使串联电 阻保持合理的数值； 表面反射考虑：采用抗反射层； 聚光考虑：聚光是用聚光器面积代替许多太阳能电 池的面积，从而降低太阳能电池造价，它的另一个 优点是增加效率。
漂移运动；
三．非平衡电子和空穴在非均匀势场作用下向相反方向运
动而分离。这种非均匀势场可以是结的空间电荷区， 也可以是金属 — 半导体的肖特基势垒或异质结势垒 等。
PN 结为例，分析光电转换的物理过程
光生电流的方向相当于普通二级管 a 无光照平衡PN结 反向电流方向。 b 光照PN结开路状态 光照使PN结势垒降低，等效于PN c 光照PN结短路状态 结外加正向偏压，同样能引起P区空 d 光照PN结有串联电阻 穴和N区电子向对方的扩散，形成正 向注入电流。此电流与光生电流相反， 对电池不利，应使之减小。
把电能转换为光能
第七章：光器件
7.1 光学吸收 7.2 太阳能电池 7.3 光电探测器 7.4 光致发光和电致发光 7.5 发光二极管 7.6 激光二极管*
7.1 光学吸收
光具有波粒二象性，表明光波能被看成粒子，即光 子。
E h
Hale Waihona Puke 能量频率E Pc
动量
c
Ph
1
波长
本征区
p-i-n 光电二极管的截面图
p-i-n 光电二极管反偏状态下的 能带图和光子产生过程
（1）顶部的p+区很薄，使光吸收最小 （2）i区掺杂很小，宽度经过特殊设计，以获 得所需 要的特征响应。如宽度等于待测波长的吸收 系数 的倒数，就能在这一波长下获得最大响应 （3）p+,n+区的耗尽层宽度基本可忽略，i层是全耗尽 的。大部分的光生载流子是由中间耗尽区产生的 载流子组成。 （4）i区掺杂很低，电场可近似看作参数，电势和电势 能是位置的线性函数。
L
光电导率（电导率的变化量）：
0 e(n p )p
光电电流：
面积A
I L J L A E A e( n p )GL p AE
7.3.1 光电导体
光电电流： I L e(n p )GL p AE L 电子 漂移 t n E n
x
两种不同吸收系数的 光强度与距离关系
半导体的吸收系数是 光能和禁带宽度的函 数。 几种不同波长的半导体 材料的吸收系数与波 长的关系。 若hυ>Eg，或 λ<1.24/Eg，则吸收 系数上升很快。 若hυ<Eg ，则吸收 系数很小。
7.1.1 光子吸收系数
不同半导体材料的吸收限：
Si Ge GaAs CdS
E
导带
带隙 状态 迁移 典型值 率隙宽 1.7eV
Ec
氢化非晶硅
非晶硅状态密度与能量关系
Ev
价带 状态密度N(E)
非晶硅具有很高的光学吸收系数，大多数太阳光能在表面1 微米处被吸收。因此，太阳能电池只需要非常薄的一层非 晶硅。典型非晶硅太阳电池是一个pin器件。 h 热平衡时的能带图 Ec
7.1 半导体的光吸收
硅和砷化镓 可以完全吸 收可见光
光谱与波长和禁带宽度之间的关系
7.1.2 电子-空穴对的产生率
光能大于Eg时，光子能够被半导体吸收，从而产生电 子-空穴对
1、单位体积吸收的能量：
E( x) I ( x)
2、电子-空穴对的产生率：
I ( x)
单位体积
I ( x ) g' ( x ) h
7.3.3 p-i-n光电二极管
光电探测器中，探测器对随时间变化的光信号的响
应速度很重要，在空间耗尽层中产生的瞬时光电流
才是感兴趣的光电流，为增加光电探测器的灵敏 度，耗尽区的宽度应该做的比较宽。p-i-n光电二 极管就是为满足这个要求而设计的。
PIN光电二极管是最常用的光电二极管，其耗尽区 宽度可调制，优化量子效率和频率响应。
非晶硅被沉积 到一个光学透 明的铟锡氧化 层玻璃衬底上
玻璃
n
i
铟锡 氧化层
Ev EF Ec Ev EF
p
Voc
在本征区产生的过剩载流子在 电场作用下形成光电流
在光照射下，非晶硅PIN 太阳能电池的能带图
第七章：光器件
7.1 光学吸收 7.2 太阳能电池 7.3 光电探测器 7.4 光致发光和电致发光 7.5 发光二极管 7.6 激光二极管*
3、过剩载流子浓度：
n g' ( x) n
第七章：光器件
7.1 光学吸收 7.2 太阳能电池 7.3 光电探测器 7.4 光致发光和电致发光 7.5 发光二极管 7.6 激光二极管*
7.2 太阳能电池 pn结太阳能电池
太阳能电池是一种在pn结处没有施加电压的半导体 器件
即使施加0偏压，在空间电荷
光信号打在光电二极管上时，耗尽区会将由光产
生的电子-空穴对分离，有电流输出到外电路。
距离耗尽层边界不超过一个扩散长度的准中性区
中，产生的少子可以在足够长的时间内扩散到耗
尽区。然后被结电场扫到结的另一边。
光电二极管工作原理：光照反偏PN结，产生的光 生载流子被空间电荷区电场漂移形成反向电流。
（5）频率响应特性： 耗尽层宽度Wi,饱和漂移速度vsat=107m/s, 光生载流子渡越耗尽区的时间t=Wi/vsat 响应频率f =1/t =vsat/Wi
（a） 反偏PIN光电二极管 （b） 非均匀光子 吸收的几何形状
p-i-n光电二极管比普通pn结光电二极管的瞬时
光电流大很多，并具有优良的频率响应特性,在光
理想硅太阳能电池的转换效率：
砷化镓太阳能电池：
Si (max) 28%
实际硅太阳能电池的转换效率：
GaAs (max) 36%
Si 10% 15%
大的光学透镜可用来将太阳光集中到太阳能电池上，使光照 强度提高几百倍。短路电流随光照强度线性增加，开路电压 仅随光强呈对数增大。 注意： 串联电阻与光透过率是 转换效率 影响因素：串联电阻、表面反射 矛盾的 表面减反和纳米结构可 改进方法：聚光（增大短路电流） 以增强光吸收
7.3 光电探测器
光电探测器可以探测光子的存在； 把光学信号转换成电信号的半导体器件； 当过剩电子和空穴在半导体中产生时，材料的 导电率就会增加； 导电率的变化是光电探测器的基础。
7.3.1 光电导体
两端具有欧姆接触 平衡电导率： 的半导体材料 0 e( nn0 p p0 ) h 非平衡电导率（半导体内产生 V 过剩载流子）： e[n (n0 n) p ( p0 p)]
时间
h
收集
V
产生
p p I L eGL t (1 ) AL n n
光电导增益：
收集
p 电荷收集速率与电荷 p IL ph (1 ) 产生速率的比值 eGL AL t n n
7.3.2 光电二极管
工作于反向偏置下的pn结或金属-半导体接触
光电二极管把光信号转换成了电信号。反向的光
电流的大小与入射光的强度和波长有关。光电二
极管用于探测光信号。
光电二极管的I-V特性
说明：光电流的方向是反偏方向，它比pn结二极
管的反向饱和电流大几个数量级
pn结光电二极管光谱响应特性和频率响应特性
频率响应在几十MHz的范围内，因为扩散是相对较 慢的过程。
光子的波长和能量具有如下关系：
hc hc 1.24 m h E E
c
几种可能的光电半导体的作用机理：
光子和晶格作用，将能量转换为焦耳热；
光子与杂质、施主或者受主作用；
与半导体内部缺陷作用； 最容易与价电子作用，释放出的能量足够将电
子激发到导带。这样就产生了电子-空穴对，形 成过剩载流子浓度。
7.1.1 光子吸收系数
当一定波长的光照射半 导体时，若 h >Eg则 价带电子吸收光子跃迁 到导带。这种电子由带 与带之间的跃迁所形成 的吸收过程，称为本征 吸收。 本征吸收发生的条件：
h
c hν hυ0 h Eg λ0
7.1 半导体的光吸收
即：光子的频率下限 当
0
区也存在电场。入射光照射 能够在空间电荷区产生电子空穴对，它们将被扫到结两
带有负载的pn结太阳能电池
边，形成相反方向的光电流
IL。
P-N结的光生伏特效应
P-N 结光生伏特效应就是半导体吸收光能后在 P-N 结上 产生光生电动势的效应。光生伏特效应涉及到以下三个主 要的物理过程：
一．半导体材料吸收光能产生出非平衡的电子—空穴对； 二．非平衡电子和空穴从产生处向非均匀势场区的扩散和
异质结太阳能电池
异质结由两种不同禁带宽度的半导体形成 热平衡时pn异质结能带图
Ec
h
E g1
Ev
p AlGaAs
Eg 2
Voc
EF
p GaAs
n GaAs
优点：双能隙，光谱范围宽，转换效率高
7.2.4 非晶硅太阳能电池
单晶硅太阳能电池很昂贵，且直径限制在6英才左右。一般 太阳能电池供电系统需要一个大面积的电池组。
串联电阻与复合电流—影响电池效率的因素
串联电阻与结的深 度，掺杂浓 度，欧姆接触等有关。
具有串联电阻的太阳电池的电流 电压特性与等效电路
提高太阳电池的转换效率的因素： 最大功率考虑：选用合适Eg的半导体材料； 光谱考虑； 串联电阻与分流电阻的考虑：采用栅格接触形式， 这种结构能够有大的曝光面积，而同时又使串联电 阻保持合理的数值； 表面反射考虑：采用抗反射层； 聚光考虑：聚光是用聚光器面积代替许多太阳能电 池的面积，从而降低太阳能电池造价，它的另一个 优点是增加效率。
漂移运动；
三．非平衡电子和空穴在非均匀势场作用下向相反方向运
动而分离。这种非均匀势场可以是结的空间电荷区， 也可以是金属 — 半导体的肖特基势垒或异质结势垒 等。
PN 结为例，分析光电转换的物理过程
光生电流的方向相当于普通二级管 a 无光照平衡PN结 反向电流方向。 b 光照PN结开路状态 光照使PN结势垒降低，等效于PN c 光照PN结短路状态 结外加正向偏压，同样能引起P区空 d 光照PN结有串联电阻 穴和N区电子向对方的扩散，形成正 向注入电流。此电流与光生电流相反， 对电池不利，应使之减小。
把电能转换为光能
第七章：光器件
7.1 光学吸收 7.2 太阳能电池 7.3 光电探测器 7.4 光致发光和电致发光 7.5 发光二极管 7.6 激光二极管*
7.1 光学吸收
光具有波粒二象性，表明光波能被看成粒子，即光 子。
E h
Hale Waihona Puke 能量频率E Pc
动量
c
Ph
1
波长
本征区
p-i-n 光电二极管的截面图
p-i-n 光电二极管反偏状态下的 能带图和光子产生过程
（1）顶部的p+区很薄，使光吸收最小 （2）i区掺杂很小，宽度经过特殊设计，以获 得所需 要的特征响应。如宽度等于待测波长的吸收 系数 的倒数，就能在这一波长下获得最大响应 （3）p+,n+区的耗尽层宽度基本可忽略，i层是全耗尽 的。大部分的光生载流子是由中间耗尽区产生的 载流子组成。 （4）i区掺杂很低，电场可近似看作参数，电势和电势 能是位置的线性函数。
L
光电导率（电导率的变化量）：
0 e(n p )p
光电电流：
面积A
I L J L A E A e( n p )GL p AE
7.3.1 光电导体
光电电流： I L e(n p )GL p AE L 电子 漂移 t n E n
x
两种不同吸收系数的 光强度与距离关系
半导体的吸收系数是 光能和禁带宽度的函 数。 几种不同波长的半导体 材料的吸收系数与波 长的关系。 若hυ>Eg，或 λ<1.24/Eg，则吸收 系数上升很快。 若hυ<Eg ，则吸收 系数很小。
7.1.1 光子吸收系数
不同半导体材料的吸收限：
Si Ge GaAs CdS