半导体物理与光电效应-0922

根据粒子不同的势函数，可最终计算确定电子的状态
量子力学简述
薛定谔的猫
既死又活的猫—死活叠加态
概率—粒子叠加态
半导体物理与光电效应
量子力学简述
能带理论
半导体与光
半导体二极管简介
光电效应
能带理论
原子组成
质子 (正电荷) 电子 (负电荷) 轨道 中子 (中性) 原子数 (质子数) 原子核 (包含质子和中子) C 6 + + N N +N + N N + + N -
两个原子靠得很近，每个价电子同时受到两个离子的作用， 其势能曲线中间形成势垒，这是两个势阱叠加的结果。
U
+
+
r
两个原子
能带理论
原子的势能曲线 质子和电子之间库仑力形成的势函数 e2 ε0——真空介电常数 e——电子电量 U 4 0 r
固体具有大量分子、原子或离子有规则排列的点阵结构。
U
+
si
Ge Ge
+4 +4
硅和锗最外层轨道上的四 个电子称为价电子。
硅原子
锗原子
半导体与光
半导体的特性
导电能力介于导体与绝缘体之间的，称之为半导体。 (1)热敏性：导电能力对温度反应灵敏，受温度影响大。当环 境温度升高时，其导电能力增强，称为热敏性。利用热敏 性可制成热敏元件。 (2)光敏性：导电能力随光照的不同而不同。当光照增强时， 导电能力增强，称为光敏性。利用光敏性可制成光敏元件。 (3)掺杂性：导电能力受杂质影响极大，称为掺杂性。
杂质半导体——施主
N型半导体
施主离子 在本征半导体（四价）中掺入五价杂质元素，如磷、砷等。 N型半导体 电 多余电子
硅原子
+4 +4 +4
子 空 穴 对
+
+
+
+
+
+ + +
+ +
+4
+5
+4
+4
+
+
磷原子
+4 +4
多数载流子—— 自由电子 少数载流子—— 空穴
半导体与光
与半导体有关的几组名词
杂质半导体——受主 在本征半导体（四价）中掺入三价杂质元素，如硼、铝、镓等。 受主离子
+ + +
+ + +
+ + +
－
－
少子—电子
－
多子浓度——掺杂产生
少子—空穴
少子浓度——本征激发产生
半导体与光
与半导体有关的几组名词
PN结
在同一块半导体单晶上一侧掺杂成为P型半导体，另一侧掺杂 成为 N 型半导体。
两个区域的交界处形成一个特殊的薄层(不能移动的正、负离子)，称为 PN 结
P
PN结
N
在20世纪初由马克斯· 普朗克、尼尔斯· 玻尔、沃纳· 海森堡、埃尔温· 薛定谔、 沃尔夫冈· 泡利、路易· 德布罗意、马克斯· 玻恩、恩里科· 费米、康普顿等一 大批物理学家共同创立。 肯定中的不确定性 概率
可能性
状态函数
量子力学简述
基本原理
能量量子化
光子 在微观领域中，某些物理量的变化是以最小的单位跳跃式进行的， 而不是连续的，这个最小的基本单位叫做量子。 E hv E—量子的能量 h—普朗克系数 v—辐射的频率
半导体与光
与半导体有关的几组名词
本征半导体
P型半导体 正偏 势垒电容
本征激发
N型半导体 反偏 扩散电容
杂质半导体
PN结
载流子
内电场
单向导电性
结电容
击穿
禁带
半导体与光
与半导体有关的几组名词
本征半导体——“九个9”
本征半导体——化学成分纯净的半导体晶体组成 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”。
cm 3 cm 3
锗：
2.5 1013
+4
+4
空穴
+4
自由电子
与本征激发相反的现象——复合
+4
+4
+4
在一定温度下，本征激发和复合同时进行， 达到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。
半导体与光
与半导体有关的几组名词
杂质半导体
杂质半导体——在本征半导体中掺入某些微量元素
掺杂进入本征半导体的杂质浓度与极性皆会对半导体的导电特性产生很大的影响
P型半导体
空穴
硅原子
+4 +4 +4
电 子 空 穴 对
P型半导体 － － － － － － － － －
－ －
+4
+3
+4
－
硼原子
+4 +4 +4
多数载流子—— 空穴 少数载流子—— 自由电子
半导体与光
与半导体有关的几组名词
多子—空穴
P型半导体
多子—电子
－ － － － － － －
N型半导体
－ －
+ + +
一定能量范围内的许多能级，彼此相隔很近，形成条带，称为能带。
能带 能级
能带理论
能带
能带的形成——电子共有化。使原子中具有相同能量的电子能级因原子相互 作用而发生变化，使电子能级分裂，新的能级形成大小一定的一个能量范围 ΔE，这个能量范围叫做能带
能带
能级
ΔE
能带理论
能带
n——能级 n=3 n=2 n=1
本征半导体
+4
共 价 键 结 构
+4
+4
束缚电子
+4
+4
+4
+4
+4
+4
在绝对温度T=0K时，所有的价电子 都紧紧束缚在共价键中，不会成为 自由电子，因此本征半导体的 导电能力很弱，接近绝缘体。
半导体与光
与半导体有关的几组名词
本征激发
当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量增高，有的电子可以挣脱原子 核的束缚，而参与导电，成为自由电子。
能带理论
电子共有化
（1）共有化产生是由于不同原子相似轨道间的交叠 （2）原子的内层电子与原子核结合较紧，一般不是共有化电子 （3）原子的外层电子是势垒穿透概率较大，共有化运动显著
能带理论
能带
晶体中电子所能具有的能量范围，在物理学中往往形象化地用一条条水平 横线表示电子的各个能量值。 线的位置越高，能量越高。
不确定原理
量子力学简述
基本原理
能量量子化 波粒二象性
E hv
E—量子的能量
h—普朗克系数
v—辐射的频率

同一粒子，不可能同时确定其坐标和动量 2 —修正的普朗克系数 px p —动量的不确定度 x—坐标的不确定度
同一粒子，不可能同时其能量和具有此能量的时间点 —修正的普朗克系数 Et E —能量的不确定度 t—时间的不确定度
+
+
+
+
r
多个原子
能带理论
电子共有化
势阱
E2
处于低能级E1的电子在“势谷”中，电子势能<势垒 高度，穿透势垒概率很小，可认为它处于束缚态。
电子能级
E1
势垒
处于高能级E2的电子其电子势能>势垒高度，可自由 运动，原来属于某一原子的电子，可为晶体的几个原子 共有，即称这些电子是共有化电子。
电子的共有化 这种由于原子的周期性排列而使价电子不再为单个原子所有的现象
扩散运动：电中性的半导体中，载流子从浓度高的区域向 浓度较低区域的运动。 漂移运动：在电场作用下，载流子有规则的定向运动。
半导体与光
与半导体有关的几组名词
本征半导体
P型半导体 正偏 势垒电容
本征激发
N型半导体 反偏 扩散电容
杂质半导体
PN结
载流子
内电场
单向导电性
结电容
击穿
禁带
半导体与光
与半导体有关的几组名词
内部电场——由空间电荷区（即PN结的交界面两侧的带有相反极性的离子电荷）将形成由N区指 向P区的电场E，这一内部电场的作用是阻挡多子的扩散，加速少子的漂移。最终 达到动态平衡。
掺杂什么？
视掺杂物与本征半导体两者的原子特性而定
受主 施主 带来空穴（需要电子） 带来多余电子
半导体与光
与半导体有关的几组名词
在半导体中，有两种载流子，电子和空穴
在半导体中，有两种衡量载流子的说法，多子和少子
载流子
载流子——可以自由移动的带有电荷的物质微粒///载运电流的带电粒子
“载流子导电”是半导体所特有的 载流子的两种运动——扩散运动和漂移运动
空间电荷区 耗尽层
半导体与光
与半导体有关的几组名词
PN结
空间电荷区 —— 在PN结的交界面附近，由于扩散运动使电子与空穴复合，多子的浓度下降，则 在P区和N区分别出现了由不能移动的带电离子构成的区域，这就是空间电荷 区，又称为阻挡层，耗尽层，垫垒区。
耗尽层——在无外电场或外激发因素时，PN结处于动态平衡没有电流，内部电场E为恒定值，这 时空间电荷区内没有载流子，故称为耗尽层。
导带底，导带最低能量层
价带顶，价带最高能量层
价带电子激发成为导带电子的过程——本征激发
半导体物理与光电效应
量子力学简述
能带理论
半导体与光
半导体二极管简介
光电效应
半导体与光
什么是半导体？
在物理学中。根据材料的导电能力，可以划分为导体、绝缘体和半导体。 典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。
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，称为空穴。
+4
+4
+4
+4
空穴
+4
+4
自由电子
这一现象称为本征激发
+4
+4
+4
半导体与光
与半导体有关的几组名词
外加能量越高，产生的电子空穴对越多。 常温300K时： 电子空穴对的浓度
1.4 10 硅：
10
本征激发
电子空穴对
+4
+4 +4
( x, t ) —粒子的波函数
V(x) —粒子与时间无关的势函数
j —虚常数 m —粒子的质量
量子力学简述
薛定谔波动方程
( x, t ) —粒子的波函数
描述晶体中电子的状态
)t
( x, t ) ( x) (t ) ( x)e j ( E /
与时间有关 与坐标有关（与时间无关）
禁带
禁带 禁带 Eg
禁带 宽度
Eg
禁带 宽度
Eg=1eV左右 价带
价带
电子导电
价带
Eg=3~6eV
通常温度下，能激发到空带去 的电子很少，因此导电性很差
禁带宽度小，通常温度下， 已有很多电子可激发到空 带，因此具有一定导电性。 这是与绝缘体的主要区别。
能带理论
能带
导带
EC EV
禁带 Eg
价带
EC EV
半导体与光电效应
2013-9-22
光电传感器之概述
上节回顾
◆源自文库辐射的度量
◆光电传感器原理
◆光电传感器的组成 ◆光电传感器的分类
◆光电传感器的特性与参数
半导体物理与光电效应
量子力学简述
能带理论
半导体与光
半导体二极管简介
光电效应
量子力学简述
概念
量子力学是描写微观物质的一个物理学理论
主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子的结构、 性质的基础理论
原子 电子 离子
价电子
价电壳 (原子外壳) 碳原子：原子核包含相同数目的质子(+) 和中 子，6个电子 () 绕原子核外围轨道运转。
-
能带理论
原子的势能曲线
U e2 4 0 r
U
质子和电子之间库仑力形成的势函数
e——电子电量
ε0——真空介电常数 U U
+
r
+
+
r
单个原子
两个原子
能带理论
原子的势能曲线
U e2 4 0 r
U
质子和电子之间库仑力形成的势函数
e——电子电量
ε0——真空介电常数
电子只受一个离子电场的作用，其势能曲线像一个势阱
+
势阱 r 电子能级 单个原子 势垒
能带理论
原子的势能曲线 质子和电子之间库仑力形成的势函数 e2 ε0——真空介电常数 e——电子电量 U 4 0 r
h p
λ—德布罗意波长 h—普朗克系数 p—光子的动量
h
不确定原理
海森堡—1927年，粒子的坐标与动量，能量与实际的不确定性
量子力学简述
薛定谔波动方程
波动力学理论 波动方程 薛定谔—1926年，结合量子化理论和波粒二象性原理提出
2 2 ( x, t ) ( x, t ) V ( x ) ( x , t ) j 2m x 2 t
( x, t ) ( x, t ) ( x) ( x) ( x)
* *
2
与时间无关的概率密度函数
量子力学简述
薛定谔波动方程
经典力学
量子力学 粒子或物体的坐标可以被精确确定
只能确定粒子在某个坐标位置的概率
波动方程
2 2 ( x, t ) ( x, t ) V ( x ) ( x, t ) j 2 2m x t
普朗克—1900年，提出加热物体表面发出的热辐射是不连续的假设 爱因斯坦—1905年，提出光波也是由分立的粒子组成的假设
波粒二象性
不确定原理
量子力学简述
基本原理
能量量子化
E hv
E—量子的能量
h—普朗克系数
v—辐射的频率
波粒二象性

h p
λ—德布罗意波长 h—普朗克系数 p—光子的动量
德布罗意—1924年，提出既然波有粒子性，那么粒子也应该有波动性
完全未被电子占据的能带
部分被电子占据的能带
能带理论
能带
满带
价带
空带
导带
禁带 允带
满带
不导电
价带
价带之下，一般是满带 价带也常表示最高能级满带
导带
导带也常表示最低能级空带
不满带，才导电
能带理论
能带
导体
导带（不满带） Eg
禁带宽度，脱离共价键所需的最低能量
绝缘体
空带
半导体
空带
电子与空穴导电 这是与导体的主 要区别。
电子能量
越是外层电子，能带越宽，E越大； 间距越小，能带越宽，E越大； 两个能带有可能重叠。
原子间距
能带理论
能带
满带
价带
空带
导带
禁带 允带
满带 空带 导带
完全被电子占据的能带
价带 禁带 允带
价电子所占据的能带 相邻两能带间的范围， 也称为“能隙” 在能带结构中，允许电子 能量存在的能量范围