半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理不同于其它物質(zhì)，所以它具有不同于其它物質(zhì)的特點(diǎn)。例如：當(dāng)受外界熱和光的作用時(shí)，它的導(dǎo)電能力明顯變化。往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會(huì)使它的導(dǎo)電能力明顯改變。5.3半導(dǎo)體與p-n結(jié)一、本征半導(dǎo)體GeSi通過一定的工藝過程，可以將半導(dǎo)體制成晶體?，F(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層電子（價(jià)電子）都是四個(gè)。在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點(diǎn)陣，每個(gè)原子都處在正四面體的中心，而四個(gè)其它原子位于四面體的頂點(diǎn)，每個(gè)原子與其相臨的原子之間形成共價(jià)鍵，共用一對(duì)價(jià)電子。硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)：1、本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體。制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99.9999999%，常稱為“九個(gè)9”。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵共用電子對(duì)+4+4+4+4+4表示除去價(jià)電子后的原子共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛在共價(jià)鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價(jià)鍵成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。形成共價(jià)鍵后，每個(gè)原子的最外層電子是八個(gè)，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。共價(jià)鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。+4+4+4+42、本征激發(fā)在絕對(duì)0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時(shí),價(jià)電子完全被共價(jià)鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可以運(yùn)動(dòng)的帶電粒子（即載流子），它的導(dǎo)電能力為0，相當(dāng)于絕緣體。在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價(jià)電子獲得足夠的能量而脫離共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子，同時(shí)共價(jià)鍵上留下一個(gè)空位，稱為空穴。(1)載流子、自由電子和空穴+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子在外電場(chǎng)的作用下，空穴和電子會(huì)產(chǎn)生移動(dòng)，即不斷有共價(jià)鍵中的電子擺脫束縛，填充到原有的空穴中，即象是空穴在移動(dòng)，形成的電流方向就是空穴移動(dòng)的方向

+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子E＋－(2)導(dǎo)電機(jī)制溫度越高，載流子的濃度越高,因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)。溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個(gè)重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點(diǎn)。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成：

(a)自由電子移動(dòng)產(chǎn)生的電流。(b)空穴移動(dòng)產(chǎn)生的電流。思考：還有什么外因可以引起本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生變化？有沒有利用本征半導(dǎo)體制備的器件？光照探測(cè)器

可見本征激發(fā)同時(shí)產(chǎn)生電子空穴對(duì)。

外加能量越高（溫度越高），產(chǎn)生的電子空穴對(duì)越多。

與本征激發(fā)相反的現(xiàn)象——復(fù)合在一定溫度下，本征激發(fā)和復(fù)合同時(shí)進(jìn)行，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。電子空穴對(duì)的濃度一定。常溫300K時(shí)：電子空穴對(duì)的濃度硅：鍺：自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴電子空穴對(duì)在一定的溫度下，半導(dǎo)體中的電子處于一種熱平衡狀態(tài)激發(fā)：價(jià)帶電子吸收晶格振動(dòng)的熱能后，從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶的過程（使載流子增多）復(fù)合：電子從導(dǎo)帶躍遷到價(jià)帶，與價(jià)帶中空穴復(fù)合（導(dǎo)致載流子減少）熱平衡狀態(tài)下的導(dǎo)電電子和空穴稱為熱平衡載流子當(dāng)溫度發(fā)生改變時(shí)，破壞了原來的平衡狀態(tài)，又重新建立了新的平衡狀態(tài)熱平衡載流子的濃度也發(fā)生變化，達(dá)到另一個(gè)穩(wěn)定值半導(dǎo)體中載流子的濃度是隨溫度變化的半導(dǎo)體的導(dǎo)電性也是隨溫度變化的態(tài)密度g(E)能量E附近單位能量間隔內(nèi)電子的量子狀態(tài)數(shù)要計(jì)算半導(dǎo)體中的導(dǎo)帶電子濃度，必須先要知道導(dǎo)帶中能量間隔內(nèi)有多少個(gè)量子態(tài)。又因?yàn)檫@些量子態(tài)上并不是全部被電子占據(jù)，因此還要知道能量為E的量子態(tài)被電子占據(jù)的幾率是多少。將兩者相乘后除以體積就得到區(qū)間的電子濃度，然后再由導(dǎo)帶底至導(dǎo)帶頂積分就得到了導(dǎo)帶的電子濃度。導(dǎo)帶電子濃度與價(jià)帶空穴濃度態(tài)密度g(E)能量E附近單位能量間隔內(nèi)電子的量子狀態(tài)數(shù)導(dǎo)帶的電子濃度在室溫下（300K），對(duì)硅而言NC是2.86×1019cm－3；對(duì)砷化鎵則為4.7×1017cm-3。本征載流子濃度及其溫度特性價(jià)帶中的空穴濃度在室溫下，對(duì)硅而言NV是2.66×1019cm-3；對(duì)砷化鎵則為7.0×1018cm-3。本征載流子濃度及其溫度特性Fermi能級(jí)在熱平衡狀態(tài)下，電子按能量大小具有一定的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律根據(jù)量子統(tǒng)計(jì)理論，能量為E的一個(gè)量子態(tài)被一個(gè)電子占據(jù)的概率f(E)為電子的Fermi-Dirac分布Fermi能級(jí)EF是系統(tǒng)的化學(xué)勢(shì)，處于熱平衡狀態(tài)的系統(tǒng)有統(tǒng)一的化學(xué)勢(shì)，即有統(tǒng)一的Fermi能級(jí)（是溫度的函數(shù)）Fermi能級(jí)的意義E<EF，f(E)=1E>EF，f(E)=0E=EF，f(E)=1/2T=0KFermi能級(jí)EF可以看成是量子態(tài)是否被電子占據(jù)的一個(gè)界限EF之下的能級(jí)幾乎被電子填滿EF之上的能級(jí)幾乎為空E-EF<5kBT，f(E)>0.993E-EF>5kBT，f(E)<0.007T>0K,ex:Fermi能級(jí)EF可以看成是量子態(tài)是否被電子占據(jù)的一個(gè)界限EF之下的能級(jí)幾乎被電子填滿EF之上的能級(jí)幾乎為空常溫下，1kBT=0.026evEF與半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型、摻雜的雜質(zhì)濃度等有關(guān)，此外它還是溫度的函數(shù)Fermi能級(jí)含義本征載流子濃度ni:對(duì)本征半導(dǎo)體而言，導(dǎo)帶中每單位體積的電子數(shù)與價(jià)帶每單位體積的空穴數(shù)相同,即濃度相同，稱為本征載流子濃度，可表示為n＝p＝ni本征費(fèi)米能級(jí)Ei：本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)。

則：在室溫下，第二項(xiàng)比禁帶寬度小得多。因此，本征半導(dǎo)體的本征半導(dǎo)體的本征費(fèi)米能級(jí)Ei相當(dāng)靠近禁帶的中央。

本征載流子濃度及其溫度特性所以：即：其中Eg=EC-EV。室溫時(shí)，硅的ni為9.65×109cm-3；砷化鎵的ni為2.25×106cm－3。上圖給出了硅及砷化鎵的ni對(duì)于溫度的變化情形。正如所預(yù)期的，禁帶寬度越大，本征載流子濃度越小。最終：本征載流子濃度ni/cm-3

SiGaAs該式對(duì)對(duì)非本征半導(dǎo)體同樣成立，稱為質(zhì)量作用定律。本征載流子濃度及其溫度特性鍺比硅容易提純，所以最初發(fā)明的半導(dǎo)體三極管是鍺制成的。但是，鍺的禁帶寬度（0.67eV）只有硅的禁帶寬度（1.11eV）的大約一半，所以硅的電阻率比鍺大，而且在較寬的禁帶中能夠更加有效地設(shè)置雜質(zhì)能級(jí)，所以后來硅半導(dǎo)體逐漸取代了鍺半導(dǎo)體。硅取代鍺的另一個(gè)主要原因是在硅的表面能夠形成一層極薄的SiO2絕緣膜，從而能夠制備MOS型三極管。除了硅和鍺以外，還出現(xiàn)了像砷化鎵（GaAs）這樣由Ⅲ族元素和Ⅴ族元素組成的化合物半導(dǎo)體。在化合物半導(dǎo)體中，載流子的移動(dòng)速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于硅和鍺，所以能夠制備更加高速的大規(guī)模集成電路。由于溫度會(huì)影響本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性，所以很難嚴(yán)格控制本征半導(dǎo)體的性能。但是，如果在半導(dǎo)體材料中加入雜質(zhì)，可以得到非本征半導(dǎo)體。非本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性主要取決于添加的雜質(zhì)原子的數(shù)量，而在一定溫度范圍內(nèi)與溫度關(guān)系不大。二、雜質(zhì)半導(dǎo)體

1、N型半導(dǎo)體多余電子磷原子硅原子多數(shù)載流子——自由電子少數(shù)載流子——空穴++++++++++++N型半導(dǎo)體施主離子自由電子電子空穴對(duì)

在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵等。空穴硼原子硅原子多數(shù)載流子——空穴少數(shù)載流子——自由電子－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體受主離子空穴電子空穴對(duì)2、

P型半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子濃度一、電子占據(jù)施主能級(jí)的幾率

雜質(zhì)半導(dǎo)體中，施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)要么處于未離化的中性態(tài)，要么電離成為離化態(tài)。以施主雜質(zhì)為例，電子占據(jù)施主能級(jí)時(shí)是中性態(tài)，離化后成為正電中心。因?yàn)橘M(fèi)米分布函數(shù)中一個(gè)能級(jí)可以容納自旋方向相反的兩個(gè)電子，而施主雜質(zhì)能級(jí)上要么被一個(gè)任意自旋方向的電子占據(jù)(中性態(tài))，要么沒有被電子占據(jù)(離化態(tài))，這種情況下電子占據(jù)施主能級(jí)的幾率為如果施主雜質(zhì)濃度為ND，那么施主能級(jí)上的電子濃度為而電離施主雜質(zhì)濃度為上式表明施主雜質(zhì)的離化情況與雜質(zhì)能級(jí)ED和費(fèi)米能級(jí)EF的相對(duì)位置有關(guān)：如果ED-EF>>k0T，則未電離施主濃度nD≈0，而電離施主濃度nD+

≈ND，雜質(zhì)幾乎全部電離。如果費(fèi)米能級(jí)EF與施主能級(jí)ED重合時(shí)，施主雜質(zhì)有1/3電離，還有2/3沒有電離。二、雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子濃度（n型）

n型半導(dǎo)體中存在著帶負(fù)電的導(dǎo)帶電子(濃度為n0)、帶正電的價(jià)帶空穴(濃度為p0)和離化的施主雜質(zhì)(濃度為nD+)，因此電中性條件為即將n0、p0、nD+各表達(dá)式代入可得到一般求解此式是有困難的。

實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)滿足Si中摻雜濃度不太高并且所處的溫度高于100K左右的條件時(shí)，那么雜質(zhì)一般是全部離化的，這樣電中性條件可以寫成與n0p0＝ni2聯(lián)立求解，雜質(zhì)全部離化時(shí)的導(dǎo)帶電子濃度n0

一般Si平面三極管中摻雜濃度不低于5×1014cm-3，而室溫下Si的本征載流子濃度ni為1.5×1010cm-3，也就是說在一個(gè)相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)，本征激發(fā)產(chǎn)生的ni與全部電離的施主濃度ND相比是可以忽略的。這一溫度范圍約為100～450K，稱為強(qiáng)電離區(qū)或飽和區(qū)，對(duì)應(yīng)的電子濃度為

強(qiáng)電離區(qū)導(dǎo)帶電子濃度n0＝ND，與溫度幾乎無關(guān)。通過變形也可以得到一般n型半導(dǎo)體的EF位于Ei之上Ec之下的禁帶中。EF既與溫度有關(guān)，也與雜質(zhì)濃度ND有關(guān)：一定溫度下?lián)诫s濃度越高，費(fèi)米能級(jí)EF距導(dǎo)帶底Ec越近；如果摻雜一定，溫度越高EF距Ec越遠(yuǎn)，也就是越趨向Ei。

下圖是不同雜質(zhì)濃度條件下Si中的EF與溫度關(guān)系曲線。圖3.1Si中不同摻雜濃度條件下費(fèi)米能級(jí)與溫度的關(guān)系

n型半導(dǎo)體中電離施主濃度和總施主雜質(zhì)濃度兩者之比為將強(qiáng)電離區(qū)的式代入上式得到

可見越小，雜質(zhì)電離越多。所以摻雜濃度ND低、溫度高、雜質(zhì)電離能ΔED低，雜質(zhì)離化程度就高，也容易達(dá)到強(qiáng)電離，通常以I+=nD+/ND=90%作為強(qiáng)電離標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)常所說的室溫下雜質(zhì)全部電離其實(shí)忽略了摻雜濃度的限制。

雜質(zhì)強(qiáng)電離后，如果溫度繼續(xù)升高，本征激發(fā)也進(jìn)一步增強(qiáng)，當(dāng)ni可以與ND比擬時(shí)，本征載流子濃度就不能忽略了，這樣的溫度區(qū)間稱為過渡區(qū)。就可求出過渡區(qū)以本征費(fèi)米能級(jí)Ei為參考的費(fèi)米能級(jí)EF處在過渡區(qū)的半導(dǎo)體如果溫度再升高，本征激發(fā)產(chǎn)生的ni就會(huì)遠(yuǎn)大于雜質(zhì)電離所提供的載流子濃度，此時(shí)，n0>>ND，p0>>ND，電中性條件是n0=p0，稱雜質(zhì)半導(dǎo)體進(jìn)入了高溫本征激發(fā)區(qū)。在高溫本征激發(fā)區(qū)，因?yàn)閚0=p0，此時(shí)的EF接近Ei?？梢妌型半導(dǎo)體的n0和EF是由溫度和摻雜情況決定的。雜質(zhì)濃度一定時(shí)，如果雜質(zhì)強(qiáng)電離后繼續(xù)升高溫度，施主雜質(zhì)對(duì)載流子的貢獻(xiàn)就基本不變了，但本征激發(fā)產(chǎn)生的ni隨溫度的升高逐漸變得不可忽視，甚至起主導(dǎo)作用，而EF則隨溫度升高逐漸趨近Ei。半導(dǎo)體器件和集成電路就正常工作在雜質(zhì)全部離化而本征激發(fā)產(chǎn)生的ni遠(yuǎn)小于離化雜質(zhì)濃度的強(qiáng)電離溫度區(qū)間。在一定溫度條件下，EF位置由雜質(zhì)濃度ND決定，隨著ND的增加，EF由本征時(shí)的Ei逐漸向?qū)У譋c移動(dòng)。n型半導(dǎo)體的EF位于Ei之上，EF位置不僅反映了半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型，也反映了半導(dǎo)體的摻雜水平。

下圖是施主濃度為5×1014cm-3的n型Si中隨溫度的關(guān)系曲線。低溫段(100K以下)由于雜質(zhì)不完全電離，n0隨著溫度的上升而增加；然后就達(dá)到了強(qiáng)電離區(qū)間，該區(qū)間n0=ND基本維持不變；溫度再升高，進(jìn)入過渡區(qū)，ni不可忽視；如果溫度過高，本征載流子濃度開始占據(jù)主導(dǎo)地位，雜質(zhì)半導(dǎo)體呈現(xiàn)出本征半導(dǎo)體的特性。圖n型Si中導(dǎo)帶電子濃度和溫度的關(guān)系曲線如果用nn0表示n型半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子電子濃度，而pn0表示n型半導(dǎo)體中少數(shù)載流子空穴濃度，那么n型半導(dǎo)體中在器件正常工作的強(qiáng)電離溫度區(qū)間，多子濃度nn0=ND基本不變，而少子濃度正比于ni2，而，也就是說在器件正常工作的較寬溫度范圍內(nèi)，隨溫度變化少子濃度發(fā)生顯著變化，因此依靠少子工作的半導(dǎo)體器件的溫度性能就會(huì)受到影響。對(duì)p型半導(dǎo)體的討論與上述類似。可見，施主濃度越高，能量差(EC-EV)越小，即費(fèi)米能級(jí)往導(dǎo)帶底部移近。同樣地，受主濃度越高，費(fèi)米能級(jí)往價(jià)帶頂端移近。同樣，對(duì)如圖所示的淺層受主能級(jí)，假使完全電離，則空穴濃度為p=NA

受主離子非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體及其載流子濃度本征半導(dǎo)體中的電子載流子和空穴載流子的數(shù)量相等，而非本征半導(dǎo)體中的電子載流子和空穴載流子的數(shù)量是不相等的。非本征半導(dǎo)體中的由于雜質(zhì)原子而形成的載流子稱為多數(shù)載流子，雖然摻入的雜質(zhì)原子的數(shù)量與半導(dǎo)體原子數(shù)量相比只是少數(shù)。而本征半導(dǎo)體中由于熱激發(fā)等產(chǎn)生的載流子稱為少數(shù)載流子。本征半導(dǎo)體和非本征半導(dǎo)體的主要區(qū)別化合物半導(dǎo)體通常具有與硅和鍺相似的能帶結(jié)構(gòu)。周期表的Ⅲ族元素和Ⅴ族元素是典型的例子。Ⅲ族元素鎵（Ga）和Ⅴ族元素砷（As）結(jié)合在一起形成化合物砷化鎵。在砷化鎵中，每個(gè)原子平均有4個(gè)價(jià)電子。鎵的4s24p1能級(jí)與砷的4s24p3的能級(jí)形成2個(gè)雜化能帶。每個(gè)能帶能夠容納4N個(gè)電子。價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的禁帶寬度為1.35eV。砷化鎵半導(dǎo)體摻雜后也可以形成p型半導(dǎo)體或n型半導(dǎo)體?；衔锇雽?dǎo)體的禁帶較大，所以耗盡區(qū)平臺(tái)也較寬。而且化合物半導(dǎo)體中載流子的移動(dòng)速率較大，所以它的導(dǎo)電性比較好。半導(dǎo)體熱電儀。半導(dǎo)體的導(dǎo)電性與溫度有關(guān)。利用這一特性可以制成半導(dǎo)體熱電儀，用于火災(zāi)報(bào)警器。壓力傳感器。能帶結(jié)構(gòu)和禁帶結(jié)構(gòu)與材料中的原子之間的距離有關(guān)。處于高壓下的半導(dǎo)體材料，其原子間距離變小，禁帶也隨之變小，電導(dǎo)率增大。所以通過測(cè)量電導(dǎo)率的變化，就可以測(cè)量壓力。半導(dǎo)體的應(yīng)用

內(nèi)電場(chǎng)E因多子濃度差形成內(nèi)電場(chǎng)多子的擴(kuò)散空間電荷區(qū)

阻止多子擴(kuò)散，促使少子漂移。PN結(jié)合空間電荷區(qū)多子擴(kuò)散電流少子漂移電流耗盡層三.PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?/p>

1.PN結(jié)的形成

少子飄移補(bǔ)充耗盡層失去的多子，耗盡層窄，E多子擴(kuò)散又失去多子，耗盡層寬，E內(nèi)電場(chǎng)E多子擴(kuò)散電流少子漂移電流耗盡層動(dòng)態(tài)平衡：擴(kuò)散電流＝漂移電流總電流＝0能帶圖(banddiagram)：熱平衡狀態(tài)下的p-n結(jié)內(nèi)建電勢(shì)(built-inprotential)Vbi：熱平衡狀態(tài)下的p-n結(jié)p型中性區(qū)相對(duì)于費(fèi)米能級(jí)的靜電電勢(shì)n型中性區(qū)相對(duì)于費(fèi)米能級(jí)的靜電勢(shì)在熱平衡時(shí)，p型和n型中性區(qū)的總靜電勢(shì)差即為內(nèi)建電勢(shì)Vbi2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1)加正向電壓（正偏）——電源正極接P區(qū)，負(fù)極接N區(qū)

外電場(chǎng)的方向與內(nèi)電場(chǎng)方向相反。

外電場(chǎng)削弱內(nèi)電場(chǎng)→耗盡層變窄→擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)＞漂移運(yùn)動(dòng)→多子擴(kuò)散形成正向電流IF正向電流

(2)加反向電壓——電源正極接N區(qū)，負(fù)極接P區(qū)

外電場(chǎng)的方向與內(nèi)電場(chǎng)方向相同。

外電場(chǎng)加強(qiáng)內(nèi)電場(chǎng)→耗盡層變寬→漂移運(yùn)動(dòng)＞擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)→少子漂移形成反向電流IRPN

在一定的溫度下，由本征激發(fā)產(chǎn)生的少子濃度是一定的，故IR基本上與外加反壓的大小無關(guān)，所以稱為反向飽和電流。但I(xiàn)R與溫度有關(guān)。

PN結(jié)加正向電壓時(shí)，具有較大的正向擴(kuò)散電流，呈現(xiàn)低電阻，PN結(jié)導(dǎo)通；

PN結(jié)加反向電壓時(shí)，具有很小的反向漂移電流，呈現(xiàn)高電阻，PN結(jié)截止。

由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。耗盡區(qū)圖p-n結(jié)的整流效應(yīng)

當(dāng)一足夠大的反向電壓加在p-n結(jié)時(shí)，結(jié)會(huì)擊穿而導(dǎo)通一非常大的電流．兩種重要的擊穿機(jī)制為隧道效應(yīng)和雪崩倍增．對(duì)大部分的二極管而言，雪崩擊穿限制反向偏壓的上限，也限制了雙極型晶體管的集電極電壓

當(dāng)一反向強(qiáng)電場(chǎng)加在p-n結(jié)時(shí)，價(jià)電子可以由價(jià)帶移動(dòng)到導(dǎo)帶，如圖所示．這種電子穿過禁帶的過程稱為隧穿．隧穿只發(fā)生在電場(chǎng)很高的時(shí)候．對(duì)硅和砷化鎵，其典型電場(chǎng)大約為106V/cm或更高．為了得到如此高的電場(chǎng)，p區(qū)和n區(qū)的摻雜濃度必須相當(dāng)高(＞5×1017cm-3)．隧道效應(yīng)(tunnelingeffect)：結(jié)擊穿

雪崩倍增的過程如圖所示．在反向偏壓下，在耗盡區(qū)因熱產(chǎn)生的電子(標(biāo)示1)，由電場(chǎng)得到動(dòng)能．

如果電場(chǎng)足夠大，電子可以獲得足夠的動(dòng)能，以致于當(dāng)和原子產(chǎn)生撞擊時(shí)，可以破壞鍵而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)(2和2’)．這些新產(chǎn)生的電子和空穴，可由電場(chǎng)獲得動(dòng)能，并產(chǎn)生額外的電子-空穴對(duì)(譬如3和3’)．這些過程生生不息，連續(xù)產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì)．這種過程稱為雪崩倍增．

雪崩倍增(avalanchemultiplication)結(jié)擊穿5.4.2半導(dǎo)體的物理效應(yīng)5.4.2.1余輝效應(yīng)5.4.2.1發(fā)光二極管5.4.2.1激光二極管5.4.2.1光伏特效應(yīng)5.4.2.1余輝效應(yīng)價(jià)帶的電子受到入射光子的激發(fā)后，會(huì)躍過禁帶進(jìn)入導(dǎo)帶。如果導(dǎo)帶上的這些被激發(fā)的電子又躍遷回到價(jià)帶時(shí)，會(huì)以放出光子的形式來釋放能量，這就是光致發(fā)光效應(yīng)，也稱為熒光效應(yīng)。光致發(fā)光效應(yīng)圖5.18熒光產(chǎn)生原理(a)沒有禁帶的金屬;(b)有禁帶的半導(dǎo)體光致發(fā)光現(xiàn)象不會(huì)在金屬中產(chǎn)生。因?yàn)樵诮饘僦?，價(jià)帶沒有充滿電子，低能級(jí)的電子只會(huì)激發(fā)到同一價(jià)帶的高能級(jí)。在同一價(jià)帶內(nèi)，電子從高能級(jí)躍遷回到低能級(jí)，所釋放的能量太小，產(chǎn)生的光子的波長(zhǎng)太長(zhǎng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過可見光的波長(zhǎng)。在某些陶瓷和半導(dǎo)體中，價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的禁帶寬度不大不小，所以被激發(fā)的電子從導(dǎo)帶躍過禁帶回到價(jià)帶時(shí)釋放的光子波長(zhǎng)剛好在可見光波段。這樣的材料稱為熒光材料。日光燈燈管的內(nèi)壁涂有熒光物質(zhì)。管內(nèi)的汞蒸氣在電場(chǎng)作用下發(fā)出紫外線，這些紫外線轟擊在熒光物質(zhì)上使其發(fā)光。關(guān)掉電源后熒光物質(zhì)便不再發(fā)光。圖5.19余輝產(chǎn)生原理余輝現(xiàn)象如果熒光材料中含有一些微量雜質(zhì)，且這些雜質(zhì)的能級(jí)位于禁帶內(nèi)，相當(dāng)于陷阱能級(jí)(Ed)，從價(jià)帶被激發(fā)的電子進(jìn)入導(dǎo)帶后，又會(huì)掉入這些陷阱能級(jí)。因?yàn)檫@些被陷阱能級(jí)所捕獲的激發(fā)電子必須首先脫離陷阱能級(jí)進(jìn)入導(dǎo)帶后才能躍遷回到價(jià)帶，所以它們被入射光子激發(fā)后，需要延遲一段時(shí)間才會(huì)發(fā)光，出現(xiàn)了所謂的余輝現(xiàn)象。余輝時(shí)間取決于這些陷阱能級(jí)與導(dǎo)帶之間的能級(jí)差，即陷阱能級(jí)深度。因?yàn)樵谝欢囟认?，處于較深的陷阱能級(jí)上的電子被熱重新激發(fā)到導(dǎo)帶的幾率較小，或者電子進(jìn)入導(dǎo)帶后又落入其他陷阱能級(jí)（發(fā)生多次捕獲），這些情況都使余輝時(shí)間變長(zhǎng)，也就是使發(fā)光的衰減很慢。余輝時(shí)間5.4.2.2發(fā)光二極管余輝效應(yīng)是入射光引起的半導(dǎo)體發(fā)光現(xiàn)象，而發(fā)光二極管則是電場(chǎng)引起的半導(dǎo)體發(fā)光現(xiàn)象。圖5.21注入發(fā)光能帶圖(a)平衡p-n結(jié);

(b)正偏注入發(fā)光在正向偏壓的作用下，p-n結(jié)勢(shì)壘降低，勢(shì)壘區(qū)內(nèi)建電場(chǎng)也相應(yīng)減弱，載流子也會(huì)在正向偏壓的作用下發(fā)生擴(kuò)散。n型半導(dǎo)體區(qū)內(nèi)的多數(shù)載流子電子擴(kuò)散到p型半導(dǎo)體區(qū)，同時(shí)p型半導(dǎo)體區(qū)內(nèi)的多數(shù)載流子空穴擴(kuò)散到n型半導(dǎo)體區(qū)。這些注入到p區(qū)的載流子電子和注入到n區(qū)的載流子空穴都是非平衡的少數(shù)載流子。這些非平衡的少數(shù)載流子不斷與多數(shù)載流子復(fù)合而發(fā)光，這就是半導(dǎo)體p-n結(jié)發(fā)光的原理。半導(dǎo)體p-n結(jié)發(fā)光的原理導(dǎo)致發(fā)光的能級(jí)躍遷除了可以在導(dǎo)帶與價(jià)帶這樣的帶與帶之間（稱為本征躍遷）發(fā)生外，還可以在雜質(zhì)能級(jí)與帶之間、雜質(zhì)能級(jí)之間（稱為非本征躍遷）發(fā)生。圖5.22材料發(fā)光與能級(jí)躍遷導(dǎo)帶上的電子還會(huì)以熱量的形式釋放出一部分能量后掉入雜質(zhì)能級(jí)，然后再向價(jià)帶躍遷。這種躍遷稱為間接躍遷，其能量小于禁帶寬度。間接躍遷可以有4種類型。圖5.23發(fā)光二級(jí)管的發(fā)光顏色與材料成分的關(guān)系能級(jí)躍遷所產(chǎn)生的光子并不能夠全部傳到半導(dǎo)體材料的外部來。因?yàn)閺陌l(fā)光區(qū)發(fā)出的光子不僅在通過半導(dǎo)體材料時(shí)有可能被再吸收，而且在半導(dǎo)體的表面處很可能發(fā)生全發(fā)射而返回到半導(dǎo)體材料內(nèi)部。為了避免這種現(xiàn)象，可以將半導(dǎo)體材料表面制成球面，并使發(fā)光區(qū)域處于球心位置。5.4.2.3激光二極管處于低能級(jí)的電子吸收一個(gè)入射光子后，從低能級(jí)被激發(fā)到高能級(jí)，這個(gè)過程稱為光吸收。當(dāng)電子從高能級(jí)躍遷回到低能級(jí)時(shí)，會(huì)輻射放出一個(gè)光子，這種輻射稱為自發(fā)輻射。除了自發(fā)輻射外，還有一種受激輻射。在受激輻射過程中，處于高能級(jí)的電子受到入射光子的作用，躍遷到低能級(jí)，并輻射放出一個(gè)與入射光子在頻率、位相、傳播方向、偏振狀態(tài)等各方面完全相同的光子。當(dāng)注入光子時(shí)，自發(fā)輻射與受激輻射這兩種過程究竟哪一種占主導(dǎo)地位，取決于處于高能級(jí)上和處于低能級(jí)上的電子數(shù)量之比。如果處于高能級(jí)上的電子數(shù)大于處于低能級(jí)上的電子數(shù)，受激輻射就會(huì)超過光吸收產(chǎn)生的自發(fā)輻射，就會(huì)導(dǎo)致激光的產(chǎn)生。高濃度摻雜的p-n結(jié)制成的激光二極管對(duì)于高濃度摻雜的半導(dǎo)體p-n結(jié)，由于雜質(zhì)濃度很高，n型區(qū)內(nèi)來自雜質(zhì)能級(jí)的載流子電子非常多，費(fèi)密能級(jí)位于導(dǎo)帶之中。另外，p型區(qū)的價(jià)帶中的載流子空穴也非常多，p型區(qū)的費(fèi)密能級(jí)位于價(jià)帶之中。當(dāng)加上正向偏壓時(shí)，n區(qū)向p區(qū)注入載流子電子，而p區(qū)向n區(qū)注入載流子空穴。激光二極管為高濃度摻雜半導(dǎo)體，平衡時(shí)勢(shì)壘很高，所加正向電壓不足以使勢(shì)壘消失。這些載流子電子和載流子空穴聚集在p-n結(jié)附近，形成所謂的激活區(qū)。圖5.24半導(dǎo)體激光產(chǎn)生原理5.4.2.4光伏特效應(yīng)光激發(fā)伏特效應(yīng)是另一個(gè)重要的半導(dǎo)體物理效應(yīng)，是太陽能電池的理論基礎(chǔ)。硅太陽能電池就是利用p-n結(jié)制成圖5.25光伏特效應(yīng)原理當(dāng)禁帶寬度相等的p型半導(dǎo)體與n型半導(dǎo)體結(jié)合（即為同質(zhì)結(jié)）時(shí)，由于二者的母體可以采用同種材料（如硅），二者的結(jié)合面的共格性能很好，很少產(chǎn)生缺陷，而這些缺陷作為電子捕獲中心，會(huì)降低太陽能電池的性能。p-n結(jié)太陽能電池的特點(diǎn)是對(duì)半導(dǎo)體材料的純度要求很高。如果不控制好雜質(zhì)原子，就得不到所需的p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體。另外，激發(fā)產(chǎn)生的空穴和電子對(duì)很容易相互結(jié)合而消失，從而降低了電池效率。所以p-n結(jié)太陽能電池始終難以得到大規(guī)模應(yīng)用。近年來，TiO2半導(dǎo)體的光催化性能引起人們的重視。本田-藤島（Honda-Fijishima）在1972年發(fā)現(xiàn)，水溶液中的TiO2電極被光照射后，在二氧化鈦電極上會(huì)產(chǎn)生氧氣，在對(duì)極的鉑電極上會(huì)產(chǎn)生氫氣。光激發(fā)的電子進(jìn)入半導(dǎo)體電極內(nèi)部，空穴到達(dá)半導(dǎo)體表面。此空穴與水里的氧離子相互作用，電子則通過鉑電極與氫離子相互作用。這一效應(yīng)又稱為Honda-Fijishima效應(yīng)。Honda-Fijishima效應(yīng)給了人們一種利用太陽能將水分解成氫氣和氧氣的可能性。電解水最少需1.23eV的電壓，所以半導(dǎo)體禁帶至少要1.23eV以上，實(shí)際需要2eV以上。二氧化鈦的禁帶有3eV，滿足此條件，SnO2也滿足此條件。由于TiO2半導(dǎo)體的禁帶寬度比較大，如果制成太陽能電池，則只有波長(zhǎng)很短的紫外線能夠?qū)iO2的價(jià)帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶上去，因此對(duì)太陽能的利用效率很低。可以在TiO2表面吸附染料，這些染料能夠吸收大部分太陽光線，染料中激發(fā)出來的電子又注入到TiO2的導(dǎo)帶上。同時(shí)將TiO2制成納米晶體，以增加吸附染料的面積。這樣制得所謂“納米TiO2染料敏化太陽能電池”。染料敏化太陽電池的結(jié)構(gòu)染料敏化太陽電池的工作原理染料敏化太陽電池的工作原理當(dāng)太陽光照射到電池表面時(shí)，吸附在二氧化鈦光電極表面的染料分子受到激發(fā)由基態(tài)S躍遷到激發(fā)態(tài)S*,然后將一個(gè)電子注入到二氧化鈦導(dǎo)帶內(nèi)，此時(shí)染料分子自身轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸瘧B(tài)S+.注入到二氧化鈦層的電子富集到導(dǎo)電基底，并通過外電路流向?qū)﹄姌O,形成電流.處于氧化態(tài)的染料分子氧化溶液中的電子給體(此種在電解質(zhì)溶液中的電子給體),自身恢復(fù)為還原態(tài)，使染料分子得到再生。被氧化的電子給體擴(kuò)散至對(duì)電極,在電極表面被還原,從而完成一個(gè)光電化學(xué)反應(yīng)循環(huán)。圖5.26納米TiO2染料敏化太陽能電池工作原理大面積染料敏化太陽電池

圖15cm×20cm的電池樣品中國首個(gè)染料敏化太陽電池示范電站圖建立在等離子體所內(nèi)的５００瓦規(guī)模的小型示范電站如何自己制作染料敏化太陽電池？第一步：二氧化鈦膜的制備