Physics 版 (精华区)

发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Physics
标  题: 光电器件的物理基础
发信站: 哈工大紫丁香 (2003年06月01日09:20:42 星期天), 站内信件


半导体光电器件的物理基础，如能带理论、PN结理论、半导体光电导效应和光电发射过
程等。
能带理论
1．原子能级与晶体能带
    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。为简明起见，在表示能量高低的图上，用一条条高低不同的水平线表示电子的能级
，此图称为电子能级图。
    能带（Enegy Band）：晶体中大量的原子集合在一起，而且原子之间距离很近，以
硅为例，每立方厘米的体积内有5×1022个原子，原子之间的最短距离为0.235nm。致使
离原子核较远的壳层发生交叠，壳层交叠使电子不再局限于某个原子上，有可能转移到
相邻原子的相似壳层上去，也可能从相邻原子运动到更远的原子壳层上去，这种现象称
为电子的共有化。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。
    禁带（Forbidden Band）：允许被电子占据的能带称为允许带，允许带之间的范围
是不允许电子占据的，此范围称为禁带。原子壳层中的内层允许带总是被电子先占满，
然后再占据能量更高的外面一层的允许带。被电子占满的允许带称为满带，每一个能级
上都没有电子的能带称为空带。
    价带（Valence Band）：原子中最外层的电子称为价电子，与价电子能级相对应的
能带称为价带。
    导带（Conduction Band）：价带以上能量最低的允许带称为导带。
    导带的底能级表示为Ec，价带的顶能级表示为Ev，Ec与Ev之间的能量间隔称为禁带
Eg。
    导体或半导体的导电作用是通过带电粒子的运动（形成电流）来实现的，这种电流
的载体称为载流子。导体中的载流子是自由电子，半导体中的载流子则是带负电的电子
和带正电的空穴。对于不同的材料，禁带宽度不同，导带中电子的数目也不同，从而有
不同的导电性。例如，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。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。金属的导带与价带有一定程度的重合，Eg
=0，价电子可以在金属中自由运动，所以导电性好，电阻率为10-6—10-3Ω·cm。

2．本征半导体与杂质半导体
    现代固体电子与光电子器件大多由半导体材料制备，半导体材料大多为晶体（晶体
中原子有序排列，非晶体中原子无序排列。）晶体分为单晶与多晶：
    单晶——在一块材料中，原子全部作有规则的周期排列。
    多晶——只在很小范围内原子作有规则的排列，形成小晶粒，而晶粒之间有无规则
排列的晶粒界隔开。
(a) 金刚石结构（Ge、Si晶体）  (b) 闪锌矿结构（GaAs晶体）
本征半导体：
    结构完整、纯净的半导体称为本征半导体。例如纯净的硅称为本征硅。本征硅中，
自由电子和空穴都是由于共价键破裂而产生的，所以电子浓度n等于空穴浓度p，并称之
为本征载流子浓度ni，ni随温度升高而增加，随禁带宽度的增加而减小，室温下硅的ni
约为1010/cm3。
杂质半导体：
    半导体中人为地掺入少量杂质形成掺杂半导体，杂质对半导体导电性能影响很大。
在技术上通常用控制杂质含量（即掺杂）来控制半导体导电特性。
N型半导体：
    在四价原子硅（Si）晶体中掺入五价原子，例如磷（P）或砷（As），形成N型半导
体。在晶格中某个硅原子被磷原子所替代，五价原子用四个价电子与周围的四价原子形
成共价键，而多余一个电子，此多余电子受原子束缚力要比共价键上电子所受束缚力小
得多，容易被五价原子释放，游离跃迁到导带上形成自由电子。易释放电子的原子称为
施主，施主束缚电子的能量状态称为施主能级ED。ED位于禁带中，较靠近材料的导带底
。ED与Ec间的能量差称为施主电离能。N型半导体由施主控制材料导电性。

a) N型半导体  b) P型半导体
P型半导体：
    在四价原子硅（Si）晶体中掺入三价原子，例如硼（B），形成P型半导体。晶体中
某个硅原子被硼原子所替代，硼原子的三个价电子和周围的硅原子中四个价电子要组成
共价键，形成八个电子的稳定结构，尚缺一个电子。于是很容易从硅晶体中获取一个电
子形成稳定结构，使硼原子外层多了一个电子变成负离子，而在硅晶体中出现空穴。容
易获取电子的原子称为受主。受主获取电子的能量状态称为受主能级EA，也位于禁带中
。在价带顶Ev附近，EA与Ev间能量差称为受主电离能。P型半导体由受主控制材料导电性
。
N型半导体与P型半导体的比较
半导体 所掺杂质 多数载流子（多子） 少数载流子（少子） 特性
N型 施主杂质 电子 空穴 电子浓度nn≥空穴浓度pn
P型 受主杂质 空穴 电子 电子浓度np≤空穴浓度pp
掺杂对半导体导电性能的影响：
    半导体中不同的掺杂或缺陷都能在禁带中产生附加的能级，价带中的电子若先跃迁
到这些能级上然后再跃迁到导带中去，要比电子直接从价带跃迁到导带容易得多。因此
虽然只有少量杂质，却会明显地改变导带中的电子和价带中的空穴数目，从而显著地影
响半导体的电导率。
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