第3章半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)3.1晶體3.2能帶理論3.3半導(dǎo)體的特性3.4半導(dǎo)體中載流子的費米統(tǒng)計3.5半導(dǎo)體的導(dǎo)電性3.6非平衡載流子3.7PN結(jié)3.8半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)§3.2.1原子能級及能帶理論硅太陽電池生產(chǎn)中常用的硅（Si），磷（P），硼（B）元素的原子結(jié)構(gòu)模型如圖所示每個殼層里運動的電子具有一定的能量狀態(tài)，所以一個殼層相當(dāng)于一個能量等級，稱為能級§3.2

能帶理論第三層4個電子第二層8個電子第一層2個電子Si+14P+15B+5最外層5個電子最外層3個電子siPB內(nèi)層上的電子離原子核近，受到的束縛作用強(qiáng)，能級低。越往外層，電子受到的束縛越弱，能級越高。對于原子中的電子，能級由低到高可分為E1、E2、E3、E4…等，分別對應(yīng)于1s；2s﹑2p；3s…等一系列殼層原子內(nèi)層被填滿的電子殼，與原子核較近，結(jié)合也較牢固，稱為內(nèi)電子。原子最外層的電子數(shù)決定這一元素的化學(xué)性質(zhì)，稱為價電子，有幾個價電子就稱它為幾族元素。價電子所處的基態(tài)能級叫做價級（價電子能級）。§3.2.1

原子能級及能帶理論價電子激發(fā)后，可以躍遷到價級以上的空能級中去，這些空能級稱作激發(fā)能級。若原子失去一個電子，稱這個原子為正離子，若原子得到一個電子，則成為一個帶負(fù)電的負(fù)離子。原子變成離子的過程稱為電離。§3.2.1

原子能級及能帶理論當(dāng)原子接近形成晶體時，不同原子的內(nèi)外電子殼層之間都有一定程度的交疊，而相鄰原子的最外殼層重疊最多。在晶體中，由于電子殼層的交疊，電子不再完全局限于一個原子，可以由一個原子轉(zhuǎn)移到相鄰的原子上去，因此，電子在整個晶體中運動，這種運動稱為電子的共有化運動。但是，由于原子的每個電子殼層有不同的能級，電子只能在相似殼層間轉(zhuǎn)移。且原子的每個電子殼層的交疊程度很不同，只有最外殼層的共有化特征是顯著的，內(nèi)層電子與單獨原子中差別很小§3.2.1

原子能級及能帶理論當(dāng)兩個原子互相靠近時，每個原子中的電子除受到本身原子的勢場作用外，還要受到另一個原子勢場的作用，結(jié)果每個能級分裂為二個彼此相聚很近的能級。由N個原子組成的晶體，每個電子都受到周圍原子勢場的作用，每個能級分裂成N個彼此相近的能級，形成一個能帶。§3.2.1

原子能級及能帶理論實際晶體每立方厘米體積內(nèi)有1022個~1023個原子，所以N是個很大的數(shù)值，分裂的能級靠得很近，所以每一個能帶中的能級基本上可視為連續(xù)的。能級分裂形成的每一個能帶都稱為允帶，允帶之間不存在能級，稱為禁帶。§3.2.1

原子能級及能帶理論能帶禁帶能帶禁帶能帶內(nèi)殼層能級低，共有化運動很弱，其能級分裂的很小，能帶很窄；外殼層能級高，特別是最外殼層的價電子，共有化運動很顯著，其能級分裂得很厲害，能帶很寬。§3.2.1

原子能級及能帶理論由于電子的共有化運動，當(dāng)N個原子相接近形成晶體時，原來單個原子中每個能級分裂成N個與原來能級很接近的新能級。在實際晶體中，原子的數(shù)目N非常大，而且新能級與原來的能級非常接近，兩個相鄰的新能級之間的能量差非常小，其數(shù)量級為10-22eV。能級分裂形成能帶有兩個特點：能帶內(nèi)電子的能量是連續(xù)變化的，或者說電子的能態(tài)是連續(xù)分布的原來的一個能級，分裂成一個能帶；不同的能級分裂成不同的能帶§3.2.1

原子能級及能帶理論半導(dǎo)體硅、鍺它們的原子都有四個價電子，兩個s電子和兩個p電子。N個原子結(jié)合成的晶體，共有4N個價電子，形成兩個能帶，中間隔一禁帶。但是，兩個能帶并不相對應(yīng)與s能級和p能級，而是上下兩個能帶中都包含2N個狀態(tài)，各可容納4N個電子。根據(jù)能量最小原理和泡利不相容原理，先占滿低能量的能帶，然后再占據(jù)更高能量的能帶。4N個價電子正好填滿下面低能量的能帶，而上面高能量的能帶是空的，沒有電子。§3.2.1

原子能級及能帶理論價電子的共有化運動形成一個能帶，使其處于價級分裂后的能級上，叫做價帶價帶的寬度約為幾個電子伏特（eV）。如果能帶中（包括價帶）所有的能級都按泡里不相容原理填滿了電子，則稱為滿帶。對于滿帶，其中的能級已為電子所占滿，在外電場作用下，滿帶中的電子并不能形成電流。§3.2.1

原子能級及能帶理論隨波矢k的連續(xù)變化自由電子能量是連續(xù)的。1.自由電子狀態(tài)由粒子性有又由德布羅意關(guān)系因此P為粒子的動量；k是平面波的波數(shù)，等于波長λ的倒數(shù)。為能同時描述平面波的傳輸方向，通常規(guī)定k為矢量，稱為波數(shù)矢量，簡稱波矢，記為k§3.2.2

晶體中電子的狀態(tài)h為普朗克常數(shù)，h=6.626×10-34J·s為狄拉克（Dirac）常數(shù)2.晶體中電子的狀態(tài)為了表示晶體中的電子狀態(tài)，討論一維晶格。晶格中的電子在晶格同周期的周期性勢場中運動，遵守薛定諤方程布洛赫波函數(shù)uk(x)是一個與晶格同周期的周期性函數(shù)自由電子的波函數(shù)：§3.2.2

晶體中電子的狀態(tài)2.晶體中電子的狀態(tài)晶體中的電子在周期性勢場中運動的波函數(shù)，與自由電子的波函數(shù)形式相似，代表一個波矢為k的平面波。但波的振幅uk(x)為周期函數(shù)，其周期與晶格周期相同，若令uk(x)為常數(shù)，則變?yōu)樽杂呻娮拥牟ê瘮?shù)。根據(jù)波函數(shù)的意義，在空間某一點找到電子的概率與波函數(shù)在該點的強(qiáng)度成正比。對于自由電子，，即在空間任一點波函數(shù)的強(qiáng)度相等，電子所處某一點的概率相等，反映了電子在空間中的自由運動。§3.2.2

晶體中電子的狀態(tài)2.晶體中電子的狀態(tài)對于晶體中的電子，，在晶體中波函數(shù)的強(qiáng)度是隨晶格周期性變化的，所以在晶體中電子出現(xiàn)在各點的概率也具有周期性。這反映了晶體中的電子不完全局限在某一個原子上，可以在整個晶體中運動，這就是電子在晶體內(nèi)的共有化運動。原子的外層電子共有化運動較強(qiáng)，其行為與自由電子相似，常稱為準(zhǔn)自由電子。而內(nèi)層電子的共有化運動較弱，其行為與孤立原子中的電子相似。§3.2.2

晶體中電子的狀態(tài)2.晶體中電子的狀態(tài)求解薛定諤方程可得具有拋物線形式的E(k)和k的關(guān)系曲線能級在n/2a處斷開分裂為一系列的能帶，每一個能帶中波矢k的取值范圍全長是1/a。§3.2.2

晶體中電子的狀態(tài)2.晶體中電子的狀態(tài)第一布里淵區(qū)－π/a<k<π/a第二布里淵區(qū)－2π/a<k<-π/a，π/a<k<π/a第三布里淵區(qū)－3π/a<k<-2π/a，2π/a<k<3π/a……第一布里淵區(qū)稱為簡約布里淵區(qū)，相應(yīng)的波矢稱為簡約波矢，用表示簡約波矢是對應(yīng)于平移操作本征值的量子數(shù)，它的物理意義是表示原胞之間電子波函數(shù)位相的變化。§3.2.2

晶體中電子的狀態(tài)3.導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體的能帶論解釋滿帶電子不導(dǎo)電：因為在k和-k態(tài)能量函數(shù)E(k)具有大小相等而方向相反的斜率，因此k和-k態(tài)具有相反的速度在一個完全為電子充滿的能帶中，盡管就每一個電子來講，都荷帶一定的電流-qv但是k和-k態(tài)的電子電流正好相抵消，所以總的電流等于0。§3.2.2

晶體中電子的狀態(tài)3.導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體的能帶論解釋對于被電子部分占滿的能帶，在外電場作用下，電子可從外電場中吸收能量躍遷到未被電子占據(jù)的能級去，形成電流，這種能帶稱為導(dǎo)帶。激發(fā)能級也能分裂成能帶，一般激發(fā)能帶中沒有電子，常稱作空帶。但是，價電子有可能被激發(fā)后躍遷到空帶中而參與導(dǎo)電，所以空帶也稱為導(dǎo)帶或自由帶。§3.2.1

原子能級及能帶理論3.導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體的能帶論解釋能量比價帶低的各能帶一般都是滿帶，而價帶可以是滿帶，也可以是導(dǎo)帶，在金屬中是導(dǎo)帶，所以金屬能導(dǎo)電，在絕緣體中和半導(dǎo)體中是滿帶，所以它們不能導(dǎo)電。§3.2.1

原子能級及能帶理論3.導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體的能帶論解釋導(dǎo)體、半導(dǎo)體，絕緣體導(dǎo)電性質(zhì)的差異可以用它們的能帶圖的不同來加以說明。絕緣體半導(dǎo)體導(dǎo)體EcEvEgEg導(dǎo)帶禁帶滿帶§3.2.1

原子能級及能帶理論3.導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體的能帶論解釋絕緣體和半導(dǎo)體的能帶類似，下面是已被價電子占滿的滿帶。因此，在外電場作用下并不導(dǎo)電，但是，這只是熱力學(xué)溫度為零時的情況。當(dāng)溫度升高或有光照時，滿帶中少量電子可能被激發(fā)到上面的空帶中區(qū)，參與導(dǎo)電；同時，滿帶中由于少了一些電子，變成了部分占滿的能帶，在外電場的作用下，留在滿帶中的電子起導(dǎo)電作用滿帶中激發(fā)而成的空的量子狀態(tài)形成的導(dǎo)電作用等效于帶正電荷的準(zhǔn)粒子的導(dǎo)電，這些空的量子狀態(tài)稱為空穴§3.2.1

原子能級及能帶理論3.導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體的能帶論解釋半導(dǎo)體的禁帶寬度一般比較窄，Eg約為0.1～2eV半導(dǎo)體鍺（Ge）的禁帶寬度Eg為0.67eV半導(dǎo)體硅（Si）的禁帶寬度Eg為1.12eV其他純凈的半導(dǎo)體的禁帶寬度也都在1eV左右絕緣體的禁帶寬度Eg約為3～10eV§3.2.1

原子能級及能帶理論§3.2.1本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)熱力學(xué)溫度為零時，本征半導(dǎo)體的價帶被價電子填滿，導(dǎo)帶是空的。在室溫下，價帶頂部附近有少量電子被激發(fā)到導(dǎo)帶底部附近，在外電場作用下，導(dǎo)帶中電子便參與導(dǎo)電。因為這些電子在導(dǎo)帶底部附近，它們的有效質(zhì)量是正值。同時，價帶缺少了一些電子后也呈不滿的狀態(tài)，因而價帶電子也具有導(dǎo)電性，它們的導(dǎo)電常用空穴導(dǎo)電來描述。§3.3

半導(dǎo)體的特性§3.2.1本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)當(dāng)價帶k狀態(tài)空出時，價帶電子的總電流，就如同一個帶正電荷的粒子以k狀態(tài)電子速度運動時所產(chǎn)生的電流。通常把價帶中空著的狀態(tài)看成是帶正電荷的粒子，稱為空穴。空穴帶有正電荷+q，且具有正的有效質(zhì)量。有效質(zhì)量：價帶頂部附近電子的有效質(zhì)量是負(fù)值價帶頂部附近電子的加速度為空穴運動的加速度為§3.3

半導(dǎo)體的特性§3.2.1本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)半導(dǎo)體中除了導(dǎo)帶上電子的導(dǎo)電作用外，還有價帶中空穴的導(dǎo)電作用。對本征半導(dǎo)體，導(dǎo)帶中出現(xiàn)多少電子，價帶中相應(yīng)地就出現(xiàn)多少空穴，導(dǎo)帶上電子參與導(dǎo)電，價帶上空穴也參與導(dǎo)電，這就是本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)。這一點是半導(dǎo)體同金屬的最大差異，金屬中只有電子一中荷載電流的粒子（稱為載流子），而半導(dǎo)體中有電子和空穴兩種載流子。正是由于這兩種載流子的作用，使半導(dǎo)體表現(xiàn)出許多奇異的特性，可用來形形色色的器件。§3.3

半導(dǎo)體的特性導(dǎo)帶底附近價帶頂附近導(dǎo)帶底能量導(dǎo)帶底電子有效質(zhì)量價帶頂能量價帶頂空穴有效質(zhì)量理想半導(dǎo)體的能帶模型1.理想半導(dǎo)體的能帶模型§3.3

半導(dǎo)體的特性h為普朗克常數(shù)，h=6.626×10-34J·s為狄拉克（Dirac）常數(shù)2.Si的能帶結(jié)構(gòu)(1)導(dǎo)帶多極值的能帶結(jié)構(gòu)Eg=1.12ev§3.2.2

半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)(2)價帶由三個子帶構(gòu)成a－重空穴帶b－輕空穴帶c－分裂帶(3)間接帶隙半導(dǎo)體導(dǎo)帶底和價帶頂處于不同k值§3.2.2

半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)3.Ge的能帶結(jié)構(gòu)(1)導(dǎo)帶多極值能帶結(jié)構(gòu)Eg=0.67ev(2)價帶與Si相同(3)間接帶隙半導(dǎo)體§3.2.2

半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)4.GaAs的能帶結(jié)構(gòu)Eg=1.43ev價帶基本與Si、Ge相同直接帶隙半導(dǎo)體導(dǎo)帶底和價帶頂位于同一k值§3.2.2

半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)§3.2.2半導(dǎo)體中雜質(zhì)和雜質(zhì)能級半導(dǎo)體之所以得到廣泛的應(yīng)用，是因為它存在著一些導(dǎo)體和絕緣體所沒有的獨特性能：導(dǎo)電能力隨溫度靈敏變化導(dǎo)體，絕緣體的電阻率隨溫度變化很小，（導(dǎo)體溫度每升高一度，電阻率大約升高0.4%）。而半導(dǎo)體則不一樣，溫度每升高或降低1度，其電阻就變化百分之幾，甚至幾十，當(dāng)溫度變化幾十度時，電阻變化幾十，幾萬倍，而溫度為絕對零度（-273℃）時，則成為絕緣體。§3.2

能帶理論導(dǎo)電能力隨光照顯著改變當(dāng)光線照射到某些半導(dǎo)體上時，它們的導(dǎo)電能力就會變得很強(qiáng)，沒有光線時，它的導(dǎo)電能力又會變得很弱。雜質(zhì)的顯著影響在純凈的半導(dǎo)體材料中，適當(dāng)摻入微量雜質(zhì)，導(dǎo)電能力會有上百萬的增加。這是最特殊的獨特性能。其他特性溫差電效應(yīng)，霍爾效應(yīng)，發(fā)光效應(yīng)，光伏效應(yīng)，激光性能等。§3.2.2

半導(dǎo)體中雜質(zhì)和雜質(zhì)能級1.本征半導(dǎo)體：純凈的半導(dǎo)體，在不受外界作用時，導(dǎo)電能力很差。而在一定的溫度或光照等作用下，晶體中的價電子有一部分可能會沖破共價鍵的束縛而成為一個自由電子。同時形成一個電子空位，稱之為“空穴”。從能帶圖上看，就是電子離開了價帶躍遷到導(dǎo)帶，從而在價帶中留下了空穴，產(chǎn)生了一對電子和空穴。§3.2.2

半導(dǎo)體中雜質(zhì)和雜質(zhì)能級通常將這種只含有“電子空穴對”的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。“本征”指只涉及半導(dǎo)體本身的特性。半導(dǎo)體是靠電子和空穴的移動來導(dǎo)電的，因此，電子和空穴被統(tǒng)稱為載流子。Eg導(dǎo)帶(禁帶寬)價帶§3.2.2

半導(dǎo)體中雜質(zhì)和雜質(zhì)能級2.產(chǎn)生和復(fù)合：由于熱或光激發(fā)而成對地產(chǎn)生電子空穴對，這種過程稱為“產(chǎn)生”。空穴是共價鍵上的空位，自由電子在運動中與空穴相遇時，自由電子就可能回到價鍵的空位上來，而同時消失了一對電子和空穴，這就是“復(fù)合”。在一定溫度下，又沒有光照射等外界影響時，產(chǎn)生和復(fù)合的載流子數(shù)相等，半導(dǎo)體中將在產(chǎn)生和復(fù)合的基礎(chǔ)上形成熱平衡。此時，電子和空穴的濃度保持穩(wěn)定不變，但是產(chǎn)生和復(fù)合仍在持續(xù)的發(fā)生。§3.2.2

半導(dǎo)體中雜質(zhì)和雜質(zhì)能級3.雜質(zhì)和雜質(zhì)半導(dǎo)體：純凈的半導(dǎo)體材料中若含有其它元素的原子，那么，這些其它元素的原子就稱為半導(dǎo)體材料中的雜質(zhì)原子。對硅的導(dǎo)電性能有決定影響的主要是三族和五族元素原子還有些雜質(zhì)如金、銅、鎳、錳、鐵等，在硅中起著復(fù)合中心的作用，影響壽命，產(chǎn)生缺陷，有著許多有害的作用。§3.2.2

半導(dǎo)體中雜質(zhì)和雜質(zhì)能級3.1N型半導(dǎo)體：磷（P)，銻（Sb)等五族元素原子的最外層有五個價電子，它在硅中是處于替位式狀態(tài)，占據(jù)了一個原來應(yīng)是硅原子所處的晶格位置。磷原子最外層五個電子中只有四個參加共價鍵，另一個不在價鍵上，成為自由電子，失去電子的磷原子是一個帶正電的正離子，沒有產(chǎn)生相應(yīng)的空穴。磷所提供的自由電子起導(dǎo)電作用，這種依靠電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱為電子型半導(dǎo)體，簡稱N型半導(dǎo)體。而為半導(dǎo)體材料提供一個自由電子的v族雜質(zhì)原子，通常稱為施主雜質(zhì)。§3.2.2

半導(dǎo)體中雜質(zhì)和雜質(zhì)能級磷原子的多余的1個價電子的能級將在禁帶中，而靠近導(dǎo)帶的邊緣，稱為局部能級。在局部能級中并不參與導(dǎo)電，但是在受到激發(fā)時，很容易躍遷到導(dǎo)帶上去，這些局部能級稱為施主能級，用ED表示磷在硅中的電離能ΔED比硅的禁帶寬度小很多，只有0.044eV多余電子施主能級§3.2.2

半導(dǎo)體中雜質(zhì)和雜質(zhì)能級3.2P型半導(dǎo)體：硼（B）鋁（Al）鎵（Ga）等三族元素原子的最外層有三個價電子，它在硅中也是處于替位式狀態(tài)。硼原子最外層只有三個電子參加共價鍵，從鄰近價鍵上奪來一個價電子，這個鄰近價鍵上形成了一個空位，這就是“空穴”。硼原子在接受了鄰近價鍵的價電子而成為一個帶負(fù)電的負(fù)離子，它不能移動，不是載流子。依靠空穴導(dǎo)電，稱為空穴型半導(dǎo)體，簡稱P型半導(dǎo)體。為半導(dǎo)體材料提供一個空穴的Ⅲ族雜質(zhì)原子，通常稱之為受主雜質(zhì)。§3.2.2

半導(dǎo)體中雜質(zhì)和雜質(zhì)能級空穴形成的能級稱為受主能級，用EA表示。在能帶圖中，這種雜質(zhì)局部能級接近于價帶頂Ev，EA與Ev能級之間的能量差值ΔEA一般也不到0.1eV硼原子帶著一個很容易電離的空穴，電離能為0.045eV接受電子受主能級§3.2.2

半導(dǎo)體中雜質(zhì)和雜質(zhì)能級§3.3.1費米能級在一定溫度下，半導(dǎo)體中載流子（電子、空穴）的來源：電子從價帶直接激發(fā)到導(dǎo)帶，在價帶留下空穴的本征激發(fā)；施主或受主雜質(zhì)的電離激發(fā)，與載流子的熱激發(fā)過程相對應(yīng)，還會伴隨有電子與空穴的復(fù)合過程。在一定溫度下，半導(dǎo)體材料內(nèi)載流子的產(chǎn)生和復(fù)合達(dá)到熱力學(xué)平衡，稱此動態(tài)平衡下的載流子為熱平衡載流子。§3.3

費米統(tǒng)計電子作為費米子，服從費米-狄拉克統(tǒng)計分布費米分布函數(shù)代表能量為E的量子態(tài)被電子占據(jù)的可能，或表示被電子填充的量子態(tài)占中量子態(tài)的比率，具體公式如下：式中：EF為費米能級，k為波爾茲曼常數(shù)§3.3.1

費米能級T=0K時：E＜EF，f(E)=1，量子態(tài)完全被占

E＞EF，f(E)=0，量子態(tài)被占的概率為零T＞0K時：電子獲得多余能量進(jìn)入高能級，此時高于EF的能量狀態(tài)被電子占據(jù)的幾率不為零。能量為EF的量子態(tài)被占據(jù)的概率為1/2，f(E)=1/2。§3.3.1

費米能級空穴狀態(tài)概率：(1-f(E))與f(E)函數(shù)關(guān)于費米能級EF對稱。§3.3.1

費米能級本征半導(dǎo)體的費米能級Ei:NC稱為導(dǎo)帶的有效狀態(tài)密度，NV稱為價帶的有效狀態(tài)密度

h=6.626×10-34J·s§3.3.2

本征費米能級對于硅、鍺，的值分別為0.55和0.66，而砷化鎵約為7.0因此這三種半導(dǎo)體材料的在2以下而室溫下eV本征半導(dǎo)體的費米能級Ei基本上在禁帶中線處§3.3.2

本征費米能級1.N型半導(dǎo)體的費米能級（弱電離區(qū)）：施主濃度為ND，施主能級為ED當(dāng)溫度T為0K時，NC趨于0，費米能級EF位于導(dǎo)帶底和施主能級間的中線處。溫度從0K上升時，費米能級EF也上升，隨著NC的增大，達(dá)到

時，EF達(dá)到極值。當(dāng)溫度再上升時，EF開始下降，2NC=ND時，EF又下降至導(dǎo)帶底和施主能級間的中線處。§3.3.3

雜質(zhì)費米能級1.N型半導(dǎo)體的費米能級（中間電離區(qū)和強(qiáng)電離區(qū)）：溫度繼續(xù)升高，EF接近ED的區(qū)域為中間電離區(qū)。當(dāng)EF=ED時，施主雜質(zhì)有1/3電離。當(dāng)溫度升高至大部分雜質(zhì)都電離時稱為強(qiáng)電離。在強(qiáng)電離區(qū)，費米能級由溫度及施主雜質(zhì)濃度所決定。由于一般摻雜濃度下NC

>ND，EF隨溫度T近似有線性下降的關(guān)系，直至接近Ei，向本征情形過度。在施主雜質(zhì)全部電離時，載流子濃度

，與溫度無關(guān)，這一溫度范圍稱為飽和區(qū)。§3.3.3

雜質(zhì)費米能級1.N型半導(dǎo)體的費米能級（摻雜濃度上限）：雜質(zhì)達(dá)到全部電離的溫度不僅決定于電離能，而且也和雜志濃度有關(guān)。雜志濃度越高達(dá)到全部電離的溫度就越高。要使雜質(zhì)半導(dǎo)體在室溫下保持以雜質(zhì)電離為主，雜質(zhì)濃度不能過高，當(dāng)超過某一雜質(zhì)濃度時，將進(jìn)入本征過渡區(qū)，就無法保持雜質(zhì)電離為主。若施主雜質(zhì)全部電離的大約標(biāo)準(zhǔn)為90%，那么未電離的施主濃度約為10%ND。§3.3.3

雜質(zhì)費米能級1.N型半導(dǎo)體的費米能級（摻雜濃度上限）：例如摻磷的N型硅，室溫時則磷雜質(zhì)在室溫下全部電離的濃度上限為§3.3.3

雜質(zhì)費米能級1.N型半導(dǎo)體的費米能級（摻雜濃度上限）：在室溫時，硅的本征載流子濃度為當(dāng)雜志濃度比它至少大一個數(shù)量級時，才保持以雜質(zhì)電離為主。所以對于摻磷的硅，磷濃度在~范圍內(nèi)，才能認(rèn)為硅半導(dǎo)體在室溫下是以雜質(zhì)電離為主，且處于雜質(zhì)全部電離的飽和區(qū)。§3.3.3

雜質(zhì)費米能級2.P型半導(dǎo)體的費米能級：§3.3.3

雜質(zhì)費米能級本征半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體§3.4.1載流子的散射及漂移運動在一定溫度下，晶體中的載流子永不停息地作著無規(guī)則的熱運動，晶格本身也在不停地進(jìn)行著熱振動。再加上晶體中的各種晶格缺陷及雜質(zhì)，相當(dāng)于在嚴(yán)格的周期勢場上疊加了附加的微擾勢，作用于載流子，改變載流子的運動狀態(tài)。用波的概念，就是說載流子在晶體中傳播時遭到了散射。在實際晶體中，載流子和各種晶格缺陷之間的散射進(jìn)行得十分頻繁，每秒可發(fā)生大約1012~1014次。正是這種散射導(dǎo)致載流子平衡分布，在平衡分布下，載流子的總動量為零，在晶體中不存在電流。§3.4

半導(dǎo)體特性§3.4.1載流子的散射及漂移運動當(dāng)外電場作用時，載流子受到電場的作用，由電場獲得動量，沿電場方向（空穴）或反電場方向（電子）定向運動，形成電流。電子在電場力作用下的這種定向運動稱為漂移運動。但同時，載流子仍不斷地受到散射，使載流子的方向不斷地改變，失去動量，最終載流子保持確定的動量。這時載流子由電場獲得動量的速率與通過碰撞失去動量的速率保持平衡。§3.4

半導(dǎo)體特性§3.4.1載流子的散射及漂移運動在一定電場下，載流子可獲得的一個和其平均動量相對應(yīng)的平均速度稱為漂移速度若載流子濃度為n，通過晶體的電流密度J為由歐姆定律的微分形式，電流密度正比于電場強(qiáng)度|E|表示電場強(qiáng)度，單位為V/m或V/cm；σ為電導(dǎo)率，是電阻率的倒數(shù)，單位為S/m（西/米）或S/cm。§3.4

半導(dǎo)體特性§3.4.1載流子的散射及漂移運動因此，漂移速度的大小也正比于電場強(qiáng)度μ稱為載流子的遷移率，表示單位場強(qiáng)下載流子的平均漂移速度，單位是

或電導(dǎo)率和遷移率的關(guān)系電導(dǎo)率取決于載流子的濃度和遷移率。§3.4

半導(dǎo)體特性§3.4.1載流子的散射及漂移運動半導(dǎo)體的遷移率一般高于金屬，在室溫下，銅的電子遷移率30硅為1350銻化銦則為78000而金屬的電導(dǎo)率比半導(dǎo)體要高出幾個數(shù)量級是因為載流子濃度的差別。§3.4

半導(dǎo)體特性§3.4.1載流子的散射及漂移運動在金屬中，價電子全部解離參加導(dǎo)電，載流子濃度高，比半導(dǎo)體相差可達(dá)十幾個數(shù)量級。銅的載流子濃度為而半導(dǎo)體硅的載流子濃度為鍺為銻化銦為§3.4

半導(dǎo)體特性§3.4.2半導(dǎo)體的遷移率在電場強(qiáng)度不太大的情況下，半導(dǎo)體中的載流子在電場作用下的運動仍遵守歐姆定律。但是，半導(dǎo)體中存在著兩種載流子，即帶正電的空穴和帶負(fù)電的電子。Jn、Jp分別代表電子和空穴電流密度；n、p分別代表電子和空穴濃度；μn、μp分別代表電子和空穴遷移率§3.4

半導(dǎo)體特性材料SiGeInSbGaAsGaN

μn13503900780008800~400

μp5001900750400~100§3.4.2半導(dǎo)體的遷移率對于N型半導(dǎo)體，

，空穴對電流的貢獻(xiàn)可以忽略，電導(dǎo)率為對于P型半導(dǎo)體，，電導(dǎo)率為對于本征半導(dǎo)體，，電導(dǎo)率為§3.4

半導(dǎo)體特性在一定溫度下，半導(dǎo)體中的載流子濃度是一定的，處于熱平衡狀態(tài)，此時載流子濃度稱為平衡載流子濃度。如果對半導(dǎo)體施加外界作用，例如光照、電場或其它能量時，將破壞原有的熱平衡狀態(tài)其載流子濃度不再是n0和p0，有可能增加（或減少）半導(dǎo)體中少數(shù)載流子的數(shù)目。這種比平衡狀態(tài)多出來的載流子稱為非平衡載流子，這種狀態(tài)稱為非平衡狀態(tài)。§3.5

非平衡載流子當(dāng)光照射在N型半導(dǎo)體時，光子就有幾率將價電子激發(fā)到導(dǎo)帶上去，產(chǎn)生電子-空穴對，使導(dǎo)帶比平衡時多出電子?n，價帶多出空穴?p，而?n=?p。這時把非平衡電子稱為非平衡多數(shù)載流子，而把非平衡空穴稱為非平衡少數(shù)載流子，對P型半導(dǎo)體則相反。用光照使得半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生非平衡載流子的方法稱為非平衡載流子的光注入或光激發(fā)。由熱運動引起熱注入或熱激發(fā)，電場引起電注入或電激發(fā)§3.5

非平衡載流子在一般情況下，注入的非平衡載流子濃度比平衡時的多數(shù)載流子濃度小得多，稱為小注入。當(dāng)光照停止時，非平衡載流子不能一直存在下去，它們會逐漸消失也就是被小注入激發(fā)到導(dǎo)帶的電子回到價帶，電子和空穴成對地消失最后，載流子濃度恢復(fù)到平衡時的值，處于平衡狀態(tài)。當(dāng)產(chǎn)生非平衡載流子的外部作用撤除以后，非平衡載流子逐漸消失，由非平衡狀態(tài)恢復(fù)到平衡狀態(tài)，這一過程稱為非平衡載流子的復(fù)合。§3.5

非平衡載流子§3.5.1非平衡載流子的復(fù)合非平衡載流子的復(fù)合過程大致可以分為直接復(fù)合和間接復(fù)合。電子在導(dǎo)帶和價帶之間的直接躍遷，引起電子和空穴的直接復(fù)合；而電子和空穴通過禁帶的能級（復(fù)合中心）進(jìn)行復(fù)合為間接復(fù)合。根據(jù)復(fù)合過程發(fā)生的位置可以分為體內(nèi)復(fù)合和表面復(fù)合。載流子復(fù)合時，一定要放出多余的能量，放出能量的方法有發(fā)射光子、發(fā)射聲子或?qū)⒛芰拷o予其它載流子。§3.5

非平衡載流子1.直接復(fù)合無論是熱平衡狀態(tài)或非平衡狀態(tài)，半導(dǎo)體一直存在著載流子的產(chǎn)生和復(fù)合兩個相反的過程。把單位時間、單位體積內(nèi)所產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)稱為產(chǎn)生率，G；而把復(fù)合掉的電子-空穴對數(shù)稱為復(fù)合率，R。n和p分別為電子濃度和空穴濃度；r為電子-空穴復(fù)合概率，是溫度的函數(shù)，與n和p無關(guān)。因此，在一定溫度下，復(fù)合率正比于n和p。§3.5.1非平衡載流子的復(fù)合1.直接復(fù)合非平衡載流子的壽命非平衡載流子的壽命τ，首先取決于復(fù)合概率r且不僅與平衡載流子濃度有關(guān)，還與非平衡載流子濃度有關(guān)。§3.5.1非平衡載流子的復(fù)合2.間接復(fù)合半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷在禁帶中形成一定的能級，它們除了影響半導(dǎo)體的電特性以外，對非平衡載流子的壽命也有很大的影響。雜質(zhì)和缺陷有促進(jìn)復(fù)合的作用，這些促進(jìn)復(fù)合過程的雜質(zhì)和缺陷稱為復(fù)合中心。間接復(fù)合指的是非平衡載流子通過復(fù)合中心的復(fù)合。非平衡載流子的壽命τ，與復(fù)合中心濃度Nt成反比。復(fù)合中心的復(fù)合率與復(fù)合中心能級Et的位置有關(guān)。當(dāng)時，復(fù)合中心的復(fù)合率U趨向極大。§3.5.1非平衡載流子的復(fù)合3.表面復(fù)合半導(dǎo)體的形狀和表面狀態(tài)影響著少數(shù)載流子的壽命。表面特有的缺陷和表面雜質(zhì)也在禁帶形成復(fù)合中心，因此表面復(fù)合也屬間接復(fù)合。比體內(nèi)復(fù)合復(fù)雜得多，至少有三種重要特點需考慮：晶格結(jié)構(gòu)在表面中斷，表面原子出現(xiàn)懸空鍵，形成表面能級，是有效的表面復(fù)合中心；半導(dǎo)體的加工過程中難免在表面留下嚴(yán)重的損傷或內(nèi)應(yīng)力，造成比體內(nèi)更多的缺陷和晶格畸變，增加更多的有效復(fù)合中心；表面層幾乎總是吸附著一些帶正、負(fù)電荷的雜質(zhì)。§3.5.1非平衡載流子的復(fù)合3.表面復(fù)合表面復(fù)合速率較高，使更多的注入的載流子在表面復(fù)合消失，以致嚴(yán)重地影響半導(dǎo)體器件的性能。對于大多數(shù)半導(dǎo)體器件，包括太陽能電池，少數(shù)載流子的壽命與整個器件的性能密切相關(guān)。因此在生產(chǎn)加工中，總是希望獲得良好而穩(wěn)定的表面，以盡量降低表面復(fù)合速率，從而改善性能。通常采用表面鈍化或增加一個窗口層，防止少數(shù)載流子到達(dá)表面層，降低表面復(fù)合速率。Si太陽能電池通過表面氧化層進(jìn)行鈍化，而GaAs太陽能電池通過表面沉積GaAlAs層，有效降低了表面復(fù)合速率。§3.5.1非平衡載流子的復(fù)合§3.5.2載流子的擴(kuò)散運動分子、原子、電子等微觀粒子在氣體、液體、固體中可以產(chǎn)生擴(kuò)散運動。微觀粒子在各處的濃度不均勻時，由于粒子的無規(guī)則熱運動，引起粒子由濃度高的地方向濃度低的地方擴(kuò)散。對于一塊均勻摻雜的半導(dǎo)體，由于電中性的要求，各處電荷密度為零，所以載流子分布也是均勻的，因而均勻材料中不會發(fā)生載流子的擴(kuò)散運動。§3.5

非平衡載流子當(dāng)這塊材料的一面有光注入，在表面薄層內(nèi)，光大部分被吸收，產(chǎn)生非平衡載流子，而內(nèi)部非平衡載流子很少，將引起非平衡載流子自表面向內(nèi)部擴(kuò)散。通常把單位時間通過單位面積的粒子數(shù)稱為擴(kuò)散流密度，與非平衡載流子濃度梯度成正比。Sp為空穴擴(kuò)散流密度；比例系數(shù)Dp稱為空穴擴(kuò)散系數(shù)，單位是cm2/s；

表示x處非平衡載流子濃度；負(fù)號表示空穴自濃度高的地方向濃度低的地方擴(kuò)散。描述了非平衡少數(shù)載流子的擴(kuò)散規(guī)律，稱為擴(kuò)散定律。§3.5.2載流子的擴(kuò)散運動非平衡少數(shù)載流子邊擴(kuò)散邊復(fù)合，其濃度變化如式

為x=0處非平衡少數(shù)載流子濃度，即注入的非平衡少數(shù)載流子濃度；Lp稱為擴(kuò)散長度，標(biāo)志著非平衡載流子深入材料的平均距離Lp表示非平衡少數(shù)載流子濃度減少至原值的1/e時所擴(kuò)散的距離。§3.5.2載流子的擴(kuò)散運動對電子來說，擴(kuò)散定律表示式為因為電子和空穴都是帶電粒子，所以它們的擴(kuò)散運動形成所謂的擴(kuò)散電流，其電流密度為§3.5.2載流子的擴(kuò)散運動§3.5.3非平衡載流子的漂移運動在外加電場作用下載流子作漂移運動，產(chǎn)生漂移電流。這時除了平衡載流子以外，非平衡載流子也作漂移運動。若外加電場為E，則漂移電流密度為若半導(dǎo)體中非平衡載流子濃度不均勻，同時又有外加電場的作用，那么非平衡載流子同時做擴(kuò)散運動和漂移運動。§3.5

非平衡載流子一塊N型均勻半導(dǎo)體，在表面處有光注入，同時沿x方向加一均勻電場Ex，則電流密度為遷移率μ是反映載流子在電場作用下運動難易程度，而擴(kuò)散系數(shù)D存在濃度梯度時載流子運動的難易程度。愛因斯坦從理論上推導(dǎo)了擴(kuò)散系數(shù)和遷移率之間的定量關(guān)系，稱為愛因斯坦關(guān)系式。§3.5.3非平衡載流子的漂移運動利用愛因斯坦關(guān)系式，由已知的遷移率數(shù)據(jù)，可以得到擴(kuò)散系數(shù)。作業(yè)：計算出Ge、InSb、GaN材料的擴(kuò)散系數(shù)§3.5.3非平衡載流子的漂移運動材料SiGeInSbGaAsGaN

μn13503900780008800~400

μp5001900750400~100Dn35226Dp1310§3.5.1PN結(jié)及其能帶圖在大多數(shù)情況下，物質(zhì)吸收入射光后，光子的能量使電子躍遷到高能級，但是受激電子很快地回到基態(tài)只能提高半導(dǎo)體的電導(dǎo)率-光電導(dǎo)，無法形成電勢差在太陽能電池的光伏效應(yīng)中，內(nèi)部的非對稱結(jié)構(gòu)p-n結(jié)（內(nèi)建電場），使電子在返回基態(tài)前，被輸運到外部電路受激電子得到的能量形成了電勢差§3.5PN結(jié)1.PN結(jié)在一塊N型（或P型）半導(dǎo)體上，用適當(dāng)?shù)墓に嚪椒ǎㄈ绾辖鸱āU(kuò)散法、生長法、離子注入法等）把P型雜質(zhì)參入其中，分別形成N型區(qū)和P型區(qū)，在兩者交界面處形成PN結(jié)。由于N型半導(dǎo)體中電子很多空穴很少，而P型半導(dǎo)體中空穴很多電子很少，它們之間存在著載流子濃度梯度，導(dǎo)致空穴從P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)，而電子從N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)。§3.5.1PN結(jié)及其能帶圖1.PN結(jié)對于P區(qū)，多數(shù)載流子空穴擴(kuò)散到N區(qū)后，留下了不可動的帶負(fù)電荷的電離受主，形成一個負(fù)電荷區(qū)。同理，N區(qū)一側(cè)形成由電離施主構(gòu)成的正電荷區(qū)。在PN結(jié)界面附近形成的正負(fù)電荷區(qū)稱為空間電荷區(qū)，空間電荷區(qū)兩邊為準(zhǔn)中性區(qū)。空間電荷區(qū)也稱為勢壘區(qū)、過渡區(qū)、耗盡區(qū)。在空間電荷區(qū)中的電荷產(chǎn)生了從N區(qū)到P區(qū)的電場，稱為內(nèi)建電場。§3.5.1PN結(jié)及其能帶圖1.PN結(jié)在內(nèi)建電場作用下，載流子作漂移運動，而漂移運動方向顯然與擴(kuò)散運動方向相反，因此為少數(shù)載流子的運動。§3.5.1PN結(jié)及其能帶圖1.PN結(jié)隨著擴(kuò)散運動的進(jìn)行，空間電荷逐漸增多，內(nèi)建電場逐漸增強(qiáng)，載流子的漂移運動也逐漸加強(qiáng)，載流子的擴(kuò)散與漂移最終達(dá)到動態(tài)平衡，處于穩(wěn)定狀態(tài)。這時空間電荷區(qū)不再繼續(xù)擴(kuò)展，保持一定的寬度，其中存在著一定的內(nèi)建電場。一般這種情況為熱平衡狀態(tài)下的PN結(jié)，簡稱為平衡PN結(jié)。§3.5.1PN結(jié)及其能帶圖2.PN結(jié)能帶圖：PN結(jié)ECpEVpECnEVnP型N型p-n結(jié)的能帶圖及電荷分布圖§3.5.1PN結(jié)及其能帶圖2.PN結(jié)能帶圖：N型和P型半導(dǎo)體的費米能級EFn和EFp，當(dāng)兩塊半導(dǎo)體結(jié)合形成PN結(jié)時，按照費米能級的意義，電子將從費米能級高的N區(qū)流向P區(qū)，空穴則從P區(qū)流向N區(qū)，因而，EFn不斷下降，而EFp不斷上移，直至EFn=EFp為止。此時，PN結(jié)有統(tǒng)一的費米能級EF，處于平衡狀態(tài)。由于空間電荷區(qū)之外的區(qū)域仍保持原型，即仍為N型半導(dǎo)體及P型半導(dǎo)體，因此能帶關(guān)系不變，當(dāng)EFn下降時N區(qū)能帶隨之一起下移，而P區(qū)能帶隨EFp一起上移。§3.5.1PN結(jié)及其能帶圖3.PN結(jié)內(nèi)建電勢差：能帶相對移動的原因是空間電荷區(qū)中存在內(nèi)建電場的結(jié)果。內(nèi)建電場的電勢差VD稱為內(nèi)建電勢差，相應(yīng)的電子電勢能之差qVD稱為PN結(jié)的勢壘高度。勢壘高度既為EFn和EFp之差§3.5.1PN結(jié)及其能帶圖空間電荷區(qū)內(nèi)建電場PNxpxnVDqVD勢電能勢子電帶能qVDECEVEFEi平衡PN結(jié)有統(tǒng)一的費米能級3.PN結(jié)內(nèi)建電勢差：式中，NA：P區(qū)摻雜濃度；

ND：N區(qū)摻雜濃度

ni：本征載流子濃度NA=1017cm-3，ND=1015cm-3，在室溫下Si的VD=0.70V，Ge的VD=0.32V空間電荷區(qū)內(nèi)建電場PNxpxnVDqVD勢電能勢子電帶能qVDECEVEFEi平衡PN結(jié)有統(tǒng)一的費米能級§3.5.1PN結(jié)及其能帶圖3.PN結(jié)內(nèi)建電勢差：式中，NA：P區(qū)摻雜濃度；

ND：N區(qū)摻雜濃度

ni：本征載流子濃度NA=1017cm-3，ND=1015cm-3，在室溫下Si的ni=1.5*1010Ge的ni=2.4*1013Si的VD=0.81V，Ge的VD=0.43Vk為波爾茲曼常數(shù)，q為電子電荷，常溫下：T=300KSi的VD=0.7V，Ge的VD=0.32V計算值：Si的ni=7.8*109Ge的ni=2.0*1013§3.5.1PN結(jié)及其能帶圖§3.5.2非平衡狀態(tài)下的PN結(jié)平衡PN結(jié)中擴(kuò)散運動和漂移運動互相抵消，達(dá)到平衡狀態(tài)，沒有凈電流。當(dāng)PN結(jié)兩段有外加電壓時，PN結(jié)處于非平衡狀態(tài)。1.正向偏壓：PN結(jié)加正向偏壓V，即P區(qū)接正極、N區(qū)接負(fù)極因勢壘區(qū)內(nèi)載流子濃度很小，電阻很大，而勢壘區(qū)外載流子濃度很大，電阻很小，所以外加正向偏壓基本加在勢壘區(qū)。§3.5PN結(jié)1.正向偏壓：由于正向偏壓與內(nèi)建電場方向相反，因此減弱了勢壘區(qū)的電場強(qiáng)度，空間電荷區(qū)相應(yīng)減小，勢壘區(qū)高度下降為勢壘區(qū)電場減弱，削弱了漂移運動，使擴(kuò)散流大于漂移流，產(chǎn)生了電子從N區(qū)向P區(qū)以及空穴從P區(qū)向N區(qū)的凈擴(kuò)散流。§3.5.2非平衡狀態(tài)下的PN結(jié)1.正向偏壓：N區(qū)多數(shù)載流子電子通過勢壘區(qū)擴(kuò)散入P區(qū)，邊擴(kuò)散邊與P區(qū)多數(shù)載流子空穴復(fù)合，電子電流不斷地轉(zhuǎn)化為空穴電流，直到注入的電子全部復(fù)合，這一段區(qū)域稱為擴(kuò)散區(qū)。§3.5.2非平衡狀態(tài)下的PN結(jié)1.正向偏壓：同理，N區(qū)中的空穴電流也類似。方向相反的電子流和空穴流隨擴(kuò)散方向逐漸減小，但根據(jù)電流連續(xù)性原理，總電流處處相等。外加正向偏壓增加時，勢壘降得更低，增大了流入P區(qū)的電子流和流入N區(qū)的空穴流。§3.5.2非平衡狀態(tài)下的PN結(jié)1.正向偏壓：正向偏壓時，原來平衡PN結(jié)的統(tǒng)一的費米能級又將分為電子的準(zhǔn)費米能級EFn及空穴的準(zhǔn)費米能級EFp在空穴擴(kuò)散區(qū)內(nèi)電子濃度高，故電子的費米能級EFn的變化很小，可看做不變；但空穴濃度很小，故空穴的準(zhǔn)費米能級EFp的變化很大非平衡空穴擴(kuò)散到比擴(kuò)散長度Lp大很多的地方，衰減為零§3.5.2非平衡狀態(tài)下的PN結(jié)1.正向偏壓：由于勢壘區(qū)很窄，擴(kuò)散區(qū)遠(yuǎn)大于勢壘區(qū)，勢壘區(qū)中的變化忽略不計，準(zhǔn)費米能級保持不變。因此，準(zhǔn)費米能級的變化主要發(fā)生在擴(kuò)散區(qū)。由于在正向偏壓V下，勢壘降低為§3.5.2非平衡狀態(tài)下的PN結(jié)2.反向偏壓：當(dāng)PN結(jié)外加反向偏壓V時，勢壘區(qū)的電場增強(qiáng)，漂移運動增強(qiáng)，導(dǎo)致漂移流大于擴(kuò)散流，因此勢壘區(qū)變寬，勢壘高度由qVD增高為勢壘電場作用下，擴(kuò)散而進(jìn)的少數(shù)載流子被驅(qū)走后，內(nèi)部少子來補(bǔ)充，形成了反向偏壓下的少數(shù)載流子擴(kuò)散電流。§3.5.2非平衡狀態(tài)下的PN結(jié)2.反向偏壓：因為少子濃度很低，而擴(kuò)散長度基本不變化，所以反向偏壓時少子的濃度梯度也較小。當(dāng)反向電壓足夠大時，PN結(jié)邊界處的少子可以認(rèn)為是零，擴(kuò)散流不再隨電壓變化，PN結(jié)的電流較小，并且趨于不變§3.5.2非平衡狀態(tài)下的PN結(jié)§3.5.3理想PN結(jié)電流電壓特性

肖克萊方程

反向飽和電流密度（J0不隨外加電壓變化）VF―外加偏置電壓

k為波爾茲曼常數(shù)，§3.5PN結(jié)與材料種類的關(guān)系：EG↑，則J0↓；

與摻雜濃度的關(guān)系：ND

、NA↑，J0↓，主要取決于低摻雜一側(cè)的雜質(zhì)濃度；與溫度

T的關(guān)系：T↑，則J0↑，因此J0具有正溫系數(shù)。這是影響PN

結(jié)熱穩(wěn)定性的重要因素。§3.1.6

p-n結(jié)Ge Eg=0.7eVSi Eg=1.1eVGaAs Eg=1.5eVp-n結(jié)的溫度特性：在理想情況下，p-n結(jié)的反向飽和電流表明：反向飽和電流隨溫度升高是增加的。鍺PN結(jié)，T↑10K，I0↑一倍；硅PN結(jié)，T↑6K，I0↑一倍。PN結(jié)正向電流§3.1.6

p-n結(jié)在電流不變的情況下，PN結(jié)上的電壓也隨溫度改變由PN結(jié)正向電流公式也可以得到正向電壓PN結(jié)的正向電流IF、正向?qū)妷篤F、反向飽和電流I0(T)都與T有關(guān)右圖顯示了硅Si二極管中電流與

電壓和溫度的關(guān)系，當(dāng)電流大小

一定時，曲線的改變規(guī)律大概

為2mV/℃§3.1.6

p-n結(jié)§3.1.4

.半導(dǎo)體的光學(xué)常數(shù)吸收系數(shù)α：光在介質(zhì)中傳播時有衰減，說明介質(zhì)對光有吸收。用透射法測定光在介質(zhì)中傳播的衰減情況時，發(fā)現(xiàn)介質(zhì)中光的衰減率與光的強(qiáng)度成正比，引入比例系數(shù)α，即：其中x是介質(zhì)的厚度，比例系數(shù)α的大小和光的強(qiáng)度無關(guān)，稱為光的吸收系數(shù)。對上式積分反映出吸收系數(shù)的物理含義是：當(dāng)光在介質(zhì)中傳播1/α距離時，其能量減弱到原來的1/e=36.8%§3.1

半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)積分得反射系數(shù)R：反射系數(shù)R是界面反射能流密度和入射能流密度之比，若以和分別代表入射波和反射波電矢量振幅，則有：在可見光波段，典型半導(dǎo)體的反射率R≈30%～40%通過減反膜和絨面等技術(shù)，可以減小反射率透射系數(shù)T：透射系數(shù)T為透射能流密度和入射能流密度之比，由于能量守恒，在界面上可以得到：T=1-R

當(dāng)光透過厚度為d，吸收系數(shù)為α的介質(zhì)時有：§3.1.4

半導(dǎo)體的光學(xué)常數(shù)折射率n：n=c/v,即光在真空中的相對速度與光在介質(zhì)中的速度之比值。折射率不但和介質(zhì)有關(guān)，還與入射光波長有關(guān)，成色散現(xiàn)象。§3.1.4

半導(dǎo)體的光學(xué)常數(shù)§3.1.5.半導(dǎo)體的光吸收孤立原子與半導(dǎo)體光吸收特性的區(qū)別：原子中能級不連續(xù)，電子的躍遷只能吸收一定能量的光子，出現(xiàn)的是吸收線；半導(dǎo)體中能級形成準(zhǔn)連續(xù)能帶，光吸收表現(xiàn)為連續(xù)吸收帶§3.1

半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體中光吸收的分類：本征吸收（光子能量大于禁帶寬度）激子吸收（光子能量略小于禁帶寬度）自由載流子吸收（帶內(nèi)躍遷）雜質(zhì)吸收（雜質(zhì)能級之間的躍遷）晶格熱振動吸收（長波段，與聲子作用）本征吸收：本征吸收的條件及波長吸收限條件：

本征吸收的光子最低能量限式中：h=6.625×10-34J·s=4.14×10-15eV·sc=2.998×108m/s=2.998×1014μm/s本征吸收的長波吸收限λ0與禁帶寬度的關(guān)系EcEvhvEg§3.1.5

半導(dǎo)體的光吸收根據(jù)半導(dǎo)體材料不同的禁帶寬度，可算出相應(yīng)的本征吸收長波限半導(dǎo)體硅Si：Eg=1.12eV，λ0≈1.1um；砷化鎵GaAs：Eg=1.43eV，λ0≈0.867um；硫化鎘CdS：Eg=2.42eV，λ0≈0.513um；§3.1.5

半導(dǎo)體的光吸收本征吸收的直接躍遷：在光照下，電子吸收光子的躍遷過程，除了能量必須守恒外，還必須滿足動量守恒，即所謂滿足選擇定則。設(shè)波矢為K的電子躍遷到波矢為K′,因此在躍遷過程中,它們必須滿足:由于一般半導(dǎo)體所吸收的光子，其動量遠(yuǎn)小于能帶中電子的動量，因此光子動量可忽略不計，可近似寫為：說明電子吸收光子產(chǎn)生躍遷時波矢保持不變(電子能量增加)，這就是電子躍遷的