那么电子在吸收了光子后将由价带跃迁到导带,
而在
价带上留下一个空穴,
这种现象称为光吸收。
半导体材料吸收光子能量转换成电能是光电器
件的工作基础。光垂直入射到半导体表面时,进入到半导体内的光强遵照吸收定律:
0
1
x
x
I
I
r
e
式中,
x
I
表示距离表面
x
远处的光强;
0
I
为入射光强;
r
为材料表面的反射率;
为材料
吸收系数,与材料、入射光波长等因素有关。
1
本征吸收
半导体吸收光子的能量使价带中的电子激发到导带,
在价带中留下空穴,
产生等量的电
子与空穴,这种吸收过程叫本征吸收。
要发生本征光吸收必须满足能量守恒定律,也就是被吸收光子的能量要大于禁带宽度
g
E
,即
g
h
E
,从而有:
0
0
1.24
g
g
g
E
h
hc
E
m
eV
E
其中
h
是普朗克常量,
ν
是光的频率.
c
是光速,
ν0
:材料的频率阈值,
λ0
:材料的波长阈
值,下表列出了常见半导体材料的波长阀值。
几种重要半导体材料的波长阈值
电子被光激发到导带而在价带中留下一个空穴,
这种状态是不稳定的,
由此产生的电子、
空穴称为非平衡载流子。
隔了一定时间后,
电子将会从导带跃迁回价带,
同时发射出一个光
子,光子的能量也由上式决定,
这种现象称为光发射。光发射现象有许多的应用,
如半导体
发光管、
半导体激光器都是利用光发射原理制成的,
只不过其中非平衡载流子不是由光激发
产生,
而是由电注入产生的。
发光管、
激光器发射光的波长主要由所用材料的禁带宽度决定,
如半导体红色发光管是由
GaP
晶体制成,而光纤通讯用的长波长(
1.5μm
)激光器则是由
Ga
x
In
1-x
As
或
Ga
x
In
1-x
As
y
P
1-y
合金制成的。
什么是半导体呢?顾名思义:导电性能介于导体与绝缘体(insulator)之间的材料,叫做半导体(semiconductor).
物质存在的形式多种多样,固体、液体、气体、等离子体等等。我们通常把导电性和导电导热性差或不好的材料,如金刚石、人工晶体、琥珀、陶瓷等等,称为绝缘体。而把导电、导热都比较好的金属如金、银、铜、铁、锡、铝等称为导体。可以简单的把介于导体和绝缘体之间的材料称为半导体。与金属和绝缘体相比,半导体材料的发现是最晚的,直到20世纪30年代,当材料的提纯技术改进以后,半导体的存在才真正被学术界认可。
电阻率介于金属和绝缘体之间并有负的电阻温度系数的物质。半导体室温时电阻率约在10-5~107欧·米之间,温度升高时电阻率指数则减小。半导体材料很多,按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。锗和硅是最常用的元素半导体;化合物半导体包括Ⅲ-Ⅴ 族化合物(砷化镓、磷化镓等)、Ⅱ-Ⅵ族化合物( 硫化镉、硫化锌等)、氧化物(锰、铬、铁、铜的氧化物),以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体(镓铝砷、镓砷磷等)。除上述晶态半导体外,还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。
本征半导体 不含杂质且无晶格缺陷的半导体称为本征半导体。在极低温度下,半导体的价带是满带(见能带理论),受到热激发后,价带中的部分电子会越过禁带进入能量较高的空带,空带中存在电子后成为导带,价带中缺少一个电子后形成一个带正电的空位,称为空穴(图 1 )。导带中的电子和价带中的空穴合称电子 - 空穴对,均能自由移动,即载流子,它们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流,分别称为电子导电和空穴导电。这种由于电子-空穴对的产生而形成的混合型导电称为本征导电。导带中的电子会落入空穴,电子-空穴对消失,称为复合。复合时释放出的能量变成电磁辐射(发光)或晶格的热振动能量(发热)。在一定温度下,电子 - 空穴对的产生和复合同时存在并达到动态平衡,此时半导体具有一定的载流子密度,从而具有一定的电阻率。温度升高时,将产生更多的电子 - 空穴对,载流子密度增加,电阻率减小。无晶格缺陷的纯净半导体的电阻率较大,实际应用不多。
半导体中杂质 半导体中的杂质对电阻率的影响非常大。半导体中掺入微量杂质时,杂质原子附近的周期势场受到干扰并形成附加的束缚状态,在禁带中产加的杂质能级。例如四价元素锗或硅晶体中掺入五价元素磷、砷、锑等杂质原子时,杂质原子作为晶格的一分子,其五个价电子中有四个与周围的锗(或硅)原子形成共价结合,多余的一个电子被束缚于杂质原子附近,产生类氢能级。杂质能级位于禁带上方靠近导带底附近。杂质能级上的电子很易激发到导带成为电子载流子。这种能提供电子载流子的杂质称为施主,相应能级称为施主能级。施主能级上的电子跃迁到导带所需能量比从价带激发到导带所需能量小得多(图2)。在锗或硅晶体中掺入微量三价元素硼、铝、镓等杂质原子时,杂质原子与周围四个锗(或硅)原子形成共价结合时尚缺少一个电子,因而存在一个空位,与此空位相应的能量状态就是杂质能级,通常位于禁带下方靠近价带处。价带中的电子很易激发到杂质能级上填补这个空位,使杂质原子成为负离子。价带中由于缺少一个电子而形成一个空穴载流子(图3)。这种能提供空穴的杂质称为受主杂质。存在受主杂质时,在价带中形成一个空穴载流子所需能量比本征半导体情形要小得多。半导体掺杂后其电阻率大大下降。加热或光照产生的热激发或光激发都会使自由载流子数增加而导致电阻率减小,半导体热敏电阻和光敏电阻就是根据此原理制成的。对掺入施主杂质的半导体,导电载流子主要是导带中的电子,属电子型导电,称N型半导体。掺入受主杂质的半导体属空穴型导电,称P型半导体。半导体在任何温度下都能产生电子-空穴对,故N型半导体中可存在少量导电空穴,P型半导体中可存在少量导电电子,它们均称为少数载流子。在半导体器件的各种效应中,少数载流子常扮演重要角色。
PN结 P型半导体与N型半导体相互接触时,其交界区域称为PN结。P区中的自由空穴和N区中的自由电子要向对方区域扩散,造成正负电荷在 PN 结两侧的积累,形成电偶极层(图4 )。电偶极层中的电场方向正好阻止扩散的进行。当由于载流子数密度不等引起的扩散作用与电偶层中电场的作用达到平衡时,P区和N区之间形成一定的电势差,称为接触电势差。由于P 区中的空穴向N区扩散后与N区中的电子复合,而N区中的电子向P区扩散后与P 区中的空穴复合,这使电偶极层中自由载流子数减少而形成高阻层,故电偶极层也叫阻挡层,阻挡层的电阻值往往是组成PN结的半导体的原有阻值的几十倍乃至几百倍。
PN结具有单向导电性,半导体整流管就是利用PN结的这一特性制成的。PN结的另一重要性质是受到光照后能产生电动势,称光生伏打效应,可利用来制造光电池。半导体三极管、可控硅、PN结光敏器件和发光二极管等半导体器件均利用了PN结的特性。
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