1、第第 一一 章章光電檢測應用中的基礎知識光電檢測應用中的基礎知識第一章 光電檢測應用中的基礎知識輻射度學和光度學基本概念光電效應 光電探測器的噪聲和特性下 頁返 回半導體基礎知識基本定律第第 一一 章章光電檢測應用中的基礎知識光電檢測應用中的基礎知識本征半導體熱熱平平衡衡下下載載流流子子濃濃度度 第 3 節 半導體基礎知識非非平平衡衡下下載載流流子子濃濃度度載載流流子子的的擴擴散散與與漂漂移移N型半導體 摻雜半導體P型半導體載流子能帶結構能帶的形成能帶的形成 能帶理論晶體晶體第第 一一 章章光電檢測應用中的基礎知識光電檢測應用中的基礎知識1.2 半導體的基礎知識半導體的基礎知識1.電子的共有化

2、運動電子的共有化運動2.能帶的形成能帶的形成能級能級3s2p1.2.1 固體的能帶結構固體的能帶結構允帶允帶禁帶禁帶允帶允帶允帶允帶禁帶禁帶第第 一一 章章光電檢測應用中的基礎知識光電檢測應用中的基礎知識3.能帶的結構能帶的結構價價帶帶導導帶帶禁帶禁帶物質的導電性：物質的導電性：價價帶帶導導帶帶禁帶禁帶價帶中的空穴價帶中的空穴導帶中的電子導帶中的電子價帶價帶導帶導帶內層內層能帶能帶禁帶禁帶禁帶禁帶內層內層能帶能帶禁帶禁帶滿帶：滿帶：被電子填滿的能帶被電子填滿的能帶; ;空帶：沒有空帶：沒有電子占據的能帶電子占據的能帶; ;允帶：允許允帶：允許電子占據的能帶電子占據的能帶; ;禁帶：不允許禁帶：

3、不允許電子占據電子占據-;-;第第 一一 章章光電檢測應用中的基礎知識光電檢測應用中的基礎知識價帶價帶導帶導帶禁帶禁帶低低溫溫下下低溫下低溫下:硅晶體中的價帶中所有的硅晶體中的價帶中所有的能級都被電子占據，即被填滿，能級都被電子占據，即被填滿，價帶以下的能帶被內層電子填滿，價帶以下的能帶被內層電子填滿，而導帶的能級是空的，所以不導而導帶的能級是空的，所以不導電。電。價帶價帶導帶導帶禁帶禁帶本征激發本征激發常常溫溫下下被激發到共價鍵之外被激發到共價鍵之外不不導導電電弱弱導導電電性性1）本征半導體）本征半導體4. N型半導體和型半導體和P型半導體型半導體第第 一一 章章光電檢測應用中的基礎知識光電

4、檢測應用中的基礎知識摻雜半導體（非本征半導體）半導體中人為地摻入少量雜質形成摻雜半導體。摻雜半導體分為施主能級和受主能級施主能級：釋放電子，能級靠近導帶低部，電子濃度高。受主能級：接受電子，能級靠近價帶頂部，空穴濃度高。據此又分為N型半導體和P型半導體雜質成分與含量對半導體導電性能影響很大。在技術上通常用控制雜質含量（即摻雜）來控制半導體導電特性。為什么要摻雜?第第 一一 章章光電檢測應用中的基礎知識光電檢測應用中的基礎知識2）摻摻5族元素時族元素時-N型半導體型半導體處于共價鍵之外處于共價鍵之外低低溫溫下下價帶價帶導帶導帶禁帶禁帶雜質能級雜質能級EdEc第第 一一 章章光電檢測應用中的基礎知

5、識光電檢測應用中的基礎知識價帶價帶導帶導帶禁帶禁帶施主施主能級能級本征激發本征激發+雜質激發雜質激發價帶價帶導帶導帶禁帶禁帶雜質能級雜質能級低低溫溫下下常常溫溫下下被激發至導帶被激發至導帶第第 一一 章章光電檢測應用中的基礎知識光電檢測應用中的基礎知識N型半導體N型半導體由施主控制材料導電性; N型半導體中主要載流子是電子,也有少量的空穴;電子:多數載流子(多子)空穴:少數載流子(少子)第第 一一 章章光電檢測應用中的基礎知識光電檢測應用中的基礎知識3）摻）摻3族元素時族元素時-P型半導體型半導體低低溫溫下下B價帶價帶導帶導帶雜質能級雜質能級第第 一一 章章光電檢測應用中的基礎知識光電檢測應用

6、中的基礎知識價帶價帶導帶導帶雜質能級雜質能級常常溫溫下下B低低溫溫下下受主受主能級能級價帶價帶導帶導帶雜質激發雜質激發+本征激發本征激發第第 一一 章章光電檢測應用中的基礎知識光電檢測應用中的基礎知識P型半導體型半導體P型半導體由受主控制材料導電性; 主要載流子是空穴,也有少量的電子載流子;空穴:多數載流子(多子)電子:少數載流子(少子)第第 一一 章章光電檢測應用中的基礎知識光電檢測應用中的基礎知識1.2.2熱平衡下的載流子濃度熱平衡下的載流子濃度本征半導體中的載流子本征半導體中的載流子價帶價帶導帶導帶禁帶禁帶本征激發本征激發開始時：激發開始時：激發復合復合復復合合一段時間后：激發一段時間后

7、：激發=復合復合（載流子濃度增大）（載流子濃度增大）（載流子濃度穩定）（載流子濃度穩定）熱平衡狀態熱平衡狀態設由低溫到高溫的過程設由低溫到高溫的過程:第第 一一 章章光電檢測應用中的基礎知識光電檢測應用中的基礎知識熱平衡時半導體中自由載流子濃度與兩個參數有關：2、這些能態中每一個能態可能被電子占據的概率,在某溫度下熱平衡態，能量為E的能態被電子占據的概率由費米-狄拉克函 數給出，即 ：1、在能帶中能態（或能級）的分布。根據量子理論和泡利不相容原理，能態分布服從費米統計分布規律。f(E)：費米分布函數，能量E的概率分布函數， k：波耳茲曼常數，1.3810-23J/K, T：絕對溫度， EF：費

8、米能級。KT/)EE(Fe)E(f11第第 一一 章章光電檢測應用中的基礎知識光電檢測應用中的基礎知識1.2.3 半導體中的非平衡載流子半導體中的非平衡載流子非平衡載流子非平衡載流子-通過注入或光激發方式使載流了濃度超出熱平衡時的濃度，這些超出的載流子通常稱為非平衡載流子非平衡載流子，或過過剩載流子剩載流子。1.半導體材料的光吸收效應半導體材料的光吸收效應1）本征吸收）本征吸收價帶價帶導帶導帶常溫光照時常溫光照時價帶價帶導帶導帶常溫無光照時常溫無光照時EggEh 要發生光電導效應，必須要發生光電導效應，必須滿足：滿足：g0Ehcg0E24. 1單位是單位是m m第第 一一 章章光電檢測應用中的

9、基礎知識光電檢測應用中的基礎知識2）雜質吸收）雜質吸收N型半導體：型半導體：價帶價帶導帶導帶低溫無光照時低溫無光照時Ed價帶價帶導帶導帶低溫有光照時低溫有光照時價帶價帶導帶導帶低溫無光照時低溫無光照時Ea工作時溫度要低工作時溫度要低-防止熱激發防止熱激發價帶價帶導帶導帶低溫有光照時低溫有光照時P型半導體：型半導體：第第 一一 章章光電檢測應用中的基礎知識光電檢測應用中的基礎知識2. 非平衡載流子濃度非平衡載流子濃度光照射半導體時：光照射半導體時： 載流子的濃度增加載流子的濃度增加停止光照射后：停止光照射后：由于復合，載流子的濃度不斷的減少，由于復合，載流子的濃度不斷的減少，直到熱平衡。直到熱平

10、衡。復合方式有復合方式有直接復合直接復合-導帶中的電子直接回到價導帶中的電子直接回到價帶填充空位帶填充空位間接復合間接復合-通過通過“缺陷、錯位、缺陷、錯位、雜質雜質”等形成的復合中心復合等形成的復合中心復合價帶價帶導帶導帶價帶價帶導帶導帶電注入電注入：通過體界面把載流子注入半導體，使熱平衡受到破壞。 光注入光注入：價帶中的電子吸收了光子能量從價帶躍遷到導帶，同時在價帶中留下等量的空穴。第第 一一 章章光電檢測應用中的基礎知識光電檢測應用中的基礎知識1.2.4 載流子的擴散和漂移載流子的擴散和漂移1.擴散擴散-在某種作用下（如光照），使材料中的局部位置的光生載在某種作用下（如光照），使材料中的局部位置的光生載流子濃度高于其它地方的載流了濃度，這時載流子就從濃度高流子濃度高于其它地方的載流了濃度，這時載流子就從濃度高的地方向濃度低的地方運動，這種現象稱為擴散的地方向濃度低的地方運動，這種現象稱為擴散dxdnqDJnnD擴散形成電流的大小：擴散形成電流的大小：dxdpqDJppD2.飄移飄移-在電場做