光电检测技术第二章光电检测技术基础

平衡载流子浓度随温度变化而变化
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本征半导体
本征半导体载
流子浓度强烈依赖 温度
随着温度增高，
载流子浓度显著增 加
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平衡和非平衡载流子
• 半导体的热平衡状态是相对的，有条件的。 如果对半导体施加外界作用，破坏了热平 衡的条件，这就迫使它处于与热平衡状态 相偏离的状态，称为非平衡状态。
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(二）扩散 电 流（diffusion current）
载 流 子 注 入 非 平 衡 载 流 子 → 载 流 子 浓 度 梯 度 → 扩 散 运 动 → 扩 散 电 流
光 照 的 作 用
扩 散 电 流 是 半 导 体 中 载 流 子 的 一 种 特 殊 运 动 形 式 ， 是 由 于 载 流 子 的 浓 度 差 而 引 起 的 ， 扩 散 运 动 总 是 从 浓 度 高 的 区 域 向 浓 度 小 的 区 域 进 行 ，
• 掺入的杂质可以分为施主杂质和受主杂质。 • 施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主
离子，同时向导带提供电子，使半导体成为电 子导电的n型半导体。 • 受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主 离子，同时向价带提供空穴，使半导体成为空 穴导电的p型半导体。
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N型半导体
可在金属中自由运动，导电性好，电阻率10-6—10-3Ω·cm。
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本征半导体
• 本征半导体就是没有杂质和缺陷的半导体。 • 在绝对零度时，价带中的全部量子态都被电子
占据，而导带中的量子态全部空着。
导带全空
价带全满
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杂质半导体
• 在纯净的半导体中掺入一定的杂质，可以显著 地控制半导体的导电性质。
式 中 D P 和 D n 为 空 穴 和 电 子 扩 散 系 数 （ 单 位 c m 2 /s ）p (x)
上式表示：空穴扩散中电流与x方向相同
热平衡值 热平衡值
电子扩散电流与x方向相反
x
（因为dp(x) dx
＜0，光d电nd(检xx测)技＜ 术第0基二） 础章光电检测技术
对半导体能带结构的认识？ 对半导体载流子的认识？
由于电场而引起的定向运动――漂移运动。（漂移电流）
由于载流子的浓度梯度而引起的定向运动――扩散运动（扩散电流）
（一）漂移电流（drift current）
在电子浓度为n,空穴浓度为p的半导体两端外加电压V，在电场E的作用
下，空穴将沿电场方向运动，电子将沿与电场相反方向运动：
E
空 穴 的 平 均 漂 移 速 度 ： v p = u p .E 电 子 的 平 均 漂 移 速 度 ： v n = -u n .E
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a)绝缘材料SiO2的Eg约为5.2eV，导带中电子极少，所
以导电性不好，电阻率大于1012Ω·cm。
b)半导体Si的Eg约为1.1eV，导带中有一定数目的电子，
从而有一定的导电性，电阻率为10-3—1012Ω·cm。
c)金属的导带与价带有一定程度的重合，Eg=0，价电子
若 用 dd(pxx),dd(nxx)表 示 非 平 衡 空 穴 和 电 子 的 浓 度 梯 度 ， 光 ●●●●○○○●●●●●○○N型●半导体
则 沿 X方 向 的 扩 散 电 流 密 度 分 别 为 ：
照
载流子浓度
x
Jpo=-qx)
Jno=-(-q)Dn dx =qDn dx
• 产生的非平衡电子浓度等于价带非平衡空穴浓度。 • 光注入产生非平衡载流子，导致半导体电导率增
加。
• 其它方法：电注入、高能粒子辐照等。
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漂移电流与扩散电流
半导体中有两种载流子：电子和空穴，这两种载流子的定向运动会引起导 电电流。
引起载流子定向运动的原因有两种：
• 处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度 也不再是平衡载流子浓度，比它们多出一 部分。比平衡状态多出来的这部分载流子 称为非平衡载流子。
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非平衡载流子的产生
• 光注入：用光照使得半导体内部产生非平衡载流子。 • 当光子的能量大于半导体的禁带宽度时，光子就能把
价带电子激发到导带上去，产生电子－空穴对，使导 带比平衡时多出一部分电子，价带比平衡时多出一部 分空穴。
能级（Enegy Level）
在孤立原子中，原子
核外的电子按照一定的壳 层排列，每一壳层容纳一 定数量的电子。
每个壳层上的电子具
有分立的能量值，也就是 电子按能级分布。
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硅单晶结构
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能带（Enegy Band） 晶体中大量的原子集合在一起,电子的共有化。从 而使本来处于同一能量状态的电子产生微小的能量 差异，与此相对应的能级扩展为能带。
第二章 光电检测技术基础
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• 教学目的：半导体基础知识 • 重点内容： • 1) 半导体能带结构 • 2)半导体载流子 • 3)半导体对光的吸收 • 4)光电效应
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其 中 u p 和 u n 为 空 穴 和 电 子 的 迁 移 率
（ 单 位 电 场 强 度 下 载 流 子 的 平 均 漂 移 速 度 ）
所 以 空 穴 的 电 流 密 度 ： J p t = q . p . v p = u p . q . p . E
V
电 子 的 电 流 密 度 ： J n t = - q . n . v n = u n . q . n . E 其 中 q 为 电 子 电 荷 量
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N型半导体
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P型半导体
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P型半导体
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平衡载流子
处于热平衡状态的半导体，在一定
温度下，载流子浓度一定。这种处于 热平衡状态下的载流子浓度，称为平 衡载流子浓度。