半导体光电子器.pptx

第十一章半导体光电子器件

原子核电子高能级低能级围绕原子核旋转的电子能量不能任意取值，只能取特定的离散值(离散轨道)，这种现象称为电子能量的量子化。电子优先抢占低能级孤立原子的能级

半导体的能带在大量原子相互靠近形成半导体晶体时，由于半导体晶体内部电子的共有化运动，使孤立原子中离散能级变成能带。在晶体物理中，通常把这种形成共价键的价电子所占据的能带称为价带，而把价带上面邻近的空带（自由电子占据的能带）称为导带。

N个原子构成晶体时的能级分裂N=4N=9当N很大时能级分裂成近似连续的能带

01.满带：各个能级都被电子填满的能带02.禁带：两个能带之间的区域——其宽度直接决定导电性03.空带：所有能级都没有电子填充的能带04.价带：由最外层价电子能级分裂后形成的能带05.未被电子占满的价带称为导带06.禁带的宽度称为带隙能带的分类

导体：(导)价带电子绝缘体：无价带电子禁带太宽半导体：价带充满电子禁带较窄外界能量激励满带电子激励成为导带电子满带留下空穴导体、绝缘体和半导体

半导体的能带结构在图中，半导体内部自由运动的电子(简称自由电子)所填充的能带称为导带；价电子所填充的能带称为价带；导带和价带之间不允许电子填充，所以称为禁带，其宽度称为禁带宽度，用Eg表示，单位为电子伏特(eV)。

直接带隙与间接带隙

A.电子占据能量为E的状态的几率Ef：Fermi能级。它与物质特性有关，它并不是物质的实体能级，而是描述电子能量分布所用的假想能级。对一个电子而言，它具有的能量时大时小，处在经常变化中。但是对于大量电子群体，在热平衡状态下，电子能量大小服从Fermi-Dirac统计分布规律。费米能级

费米分布函数变化曲线

热平衡状态下的系统导带和价带具有统一的Fermi能级。准热平衡状态

在非热平衡时，导带和价带之间不存在统一的Fermi能级。然而，如果向能带注入的载流子速率不太大时，则每个能带中的载流子仍处在准平衡状态，可以用各自的Fermi能级来描述导带和价带的载流子分布，亦称准Fermi能级。0102

：导带中的Fermi能级。导带中能级被电子占据的几率。：价带中的Fermi能级。导带中能级被电子占据的几率。0102

1本征半导体N型半导体P型半导体2半导体的能带和电子分布PN结的能带和电子分布

式中，k为波兹曼常数，T为热力学温度。Ef称为费米能级，用来描述半导体中各能级被电子占据的状态。在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。02根据量子统计理论，在热平衡状态下，能量为E的能级被电子占据的概率为费米分布01

01一般状态下，本征半导体的电子和空穴是成对出现的，用Ef位于禁带中央来表示，见图(a)。在本征半导体中掺入施主杂质，称为N型半导体，见图(b)。在本征半导体中，掺入受主杂质，称为P型半导体，见图(c)。0203

硅的晶格结构硅的晶格结构(平面图)本征半导体材料Si电子和空穴是成对出现的受热时，Si电子受到热激励跃迁到导带，导致电子和空穴成对出现。此时外加电场，发生电子/空穴移动导电。

本征半导体的能带图导带EC价带EV电子跃迁带隙Eg=1.1eV电子态数量空穴态数量电子浓度分布空穴浓度分布空穴电子电子向导带跃迁相当于空穴向价带反向跃迁Ef

本征载流子浓度电子或空隙的浓度为:其中为材料的特征常数T为绝对温度kB为玻耳兹曼常数,h为普朗克常数me电子的有效质量mh空穴的有效质量Eg带隙能量例：在300K时，GaAs的电子静止质量为m=9.11×10-31kg，me=0.068m=6.19×10-32kgmh=0.56m=5.1×10-31kgEg=1.42eV可根据上式得到本征载流子浓度为2.62×1012m-3

非本征半导体材料：n型第V族元素(如磷P,砷As,锑Sb)掺入Si晶体后，产生的多余电子受到的束缚很弱，只要很少的能量DED(0.04~0.05eV)就能让它挣脱束缚成为自由电子。这个电离过程称为杂质电离。As除了用4个价电子和周围的Si建立共价键之外，还剩余一个电子As+

N型材料，施主能级导带EC价带EV施主能级电子能量电子浓度分布空穴浓度分布施主能级施主杂质电离使导带电子浓度增加第V族元素称为施主杂质，被它束缚住的多余电子所处的能级称为施主能级。由于施主能级上的电子吸收少量的能量DED后可以跃迁到导带，因此施主能级位于离导带很近的禁带。Ef

非