半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識簡介1.半導(dǎo)體的特性2.半導(dǎo)體能帶理論3.半導(dǎo)體的導(dǎo)電機構(gòu)4.PN結(jié)5.半導(dǎo)體對光的吸收

半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識簡介自然存在的各種物質(zhì)，分為氣體、液體、固體。按照固體原子排列來說，可分為晶體與非晶體兩類：晶體：原子排列長程有序，如NaCl,AgNO3,石墨，冰等。非晶體：排列沒有長程周期性，如玻璃，瀝青，橡膠等。固體按導(dǎo)電能力可分為：導(dǎo)體、絕緣體和介于兩者之間的半導(dǎo)體。電阻率<10-3歐姆?厘米——導(dǎo)體：金屬電阻率>1012歐姆?厘米——絕緣體：玻璃電阻率介于導(dǎo)體和絕緣體之間——半導(dǎo)體：硫化鎘CTR1、半導(dǎo)體的特性①半導(dǎo)體電阻對溫度變化非常敏感。根據(jù)這一特性，熱電探測器件。NTC：負溫度系數(shù)，半導(dǎo)體熱敏電阻PTC：正溫度系數(shù)，鉑熱電阻CTR：臨界溫度熱敏電阻，具有負電阻突變特性，在某一溫度下，電阻值隨溫度的增加急劇減小，具有很大的負溫度系數(shù)．構(gòu)成材料是釩、鋇、鍶、磷等元素氧化物的混合燒結(jié)體電阻率隨溫度變化曲線②導(dǎo)電性受極微量雜質(zhì)的影響而發(fā)生十分顯著的變化。（例如純凈Si在室溫下電導(dǎo)率為5*10-6/(歐姆?厘米)，摻入硅原子數(shù)百萬分之一的雜質(zhì)時，電導(dǎo)率為2/(歐姆?厘米)）。且隨摻入的雜質(zhì)類型不同，可以得到相反導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體，在硅中摻入硼，可得到P型半導(dǎo)體，摻入銻可得到N型半導(dǎo)體。P型摻雜或N型摻雜均是增加了半導(dǎo)體中的自由載流子，從而增強導(dǎo)電性。③半導(dǎo)體導(dǎo)電能力及性質(zhì)會受熱、光、電、磁等作用的影響，而發(fā)生非常重要的變化。例如沉積在絕緣基板上的硫化鎘層不受光照時阻抗可達幾十甚至幾百兆歐，但是一旦受到光照，電阻就會下降到幾十千歐，甚至更小。1、原子中電子運動的特征：①電子繞核運動，具有完全確定的能級，這種穩(wěn)定的運動狀態(tài)稱為量子態(tài)。②由于微觀粒子具有粒子和波動的兩重性，因此嚴格說原子中的電子沒有完全確定的軌道。通常所提的軌道所代表的是電子出現(xiàn)幾率最大的一部分區(qū)域。2、能帶理論電子沿軌道運動鈉原子核外電子按能級依次排列(最多2n2)③遵循泡利不相容原理：在一個原子或原子組成的系統(tǒng)中，不能有兩個電子同屬于一個量子態(tài)，即在每一個能級中，最多只能容納兩個自旋方向相反的電子。④電子首先填滿最低能級，而后依次向上填，直到所有電子填完位置。2、晶體中電子的能帶A、電子的共有化現(xiàn)象：電子不束縛于單個原子，在整個固體內(nèi)運動。構(gòu)成晶體的原子間距離很近，故不同原子之間的電子軌道將發(fā)生不同程度的交迭，使電子可以從一個原子轉(zhuǎn)移到另一個原子中去，結(jié)果是原來隸屬某一個原子的電子，可以在整個晶體中運動，為整個晶體所共有。晶體中電子因為共有化特征，可以在原子間轉(zhuǎn)移，但是它只能在能量相同的量子態(tài)之間發(fā)生轉(zhuǎn)移，所以，共有化的量子態(tài)與原子的能級之間存在著直接的對應(yīng)關(guān)系。只有最外層的電子的共有化特征最明顯。B、能帶：能量近乎相同的能級相互靠的很近，組成一定的能量區(qū)域，我們將這些能量區(qū)域中密集的能級形象的稱為能帶。愈低的能帶愈窄：能量最低的能帶對應(yīng)于最內(nèi)層的電子，它們的電子軌道很小，在不同原子間很少相互重疊；能量較高的外層電子軌道在不同的原子間有較多的重疊，故形成的能帶較寬。根據(jù)電子分布情況可分為：滿帶：各個能級都被電子填滿的能帶。禁帶：兩個能帶之間的區(qū)域。價帶：由最外層價電子能級分裂后形成的能帶?？諑В核心芗壎紱]有電子填充的能帶。價帶以上的能帶基本上是空的，其中最低的帶稱為導(dǎo)帶。禁帶的寬度稱為帶隙。滿帶電子不導(dǎo)電，價帶電子導(dǎo)電。導(dǎo)體，絕緣體及半導(dǎo)體的能帶電子分布：3、

半導(dǎo)體的導(dǎo)電機構(gòu)1、本征半導(dǎo)體：完全純凈的，結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理價電子在獲得一定能量(溫度升高或受光照)后，即可掙脫原子核的束縛，成為自由電子(帶負電)，同時共價鍵中留下一個空位，即為空穴(帶正電)。這一現(xiàn)象即為半導(dǎo)體的本征激發(fā)。溫度愈高，晶體中產(chǎn)生的自由電子愈多。在半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流：

(1)自由電子作定向運動：電子電流。

(2)價電子遞補空穴：空穴電流。自由電子和空穴都稱為載流子。在外電場的作用下，空穴吸引相鄰原子的價電子來填補，出現(xiàn)了一個新的空穴，其結(jié)果相當于空穴的運動(相當于正電荷的移動)。導(dǎo)電過程(2)溫度愈高(光照愈強)，載流子的數(shù)目愈多,半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能也就愈好。

自由電子和空穴成對地產(chǎn)生的同時，又不斷復(fù)合。在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和復(fù)合達到動態(tài)平衡，半導(dǎo)體中載流子便維持一定的數(shù)目。注意：(1)本征半導(dǎo)體中載流子數(shù)目極少,其導(dǎo)電性能很差；溫度(或光照)對半導(dǎo)體器件性能影響很大。2、摻雜半導(dǎo)體(雜質(zhì)半導(dǎo)體)在本征半導(dǎo)體中摻入微量的雜質(zhì)，形成雜質(zhì)半導(dǎo)體。處于熱平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體，在一定溫度下，載流子濃度一定。這種處于熱平衡狀態(tài)下的載流子濃度，稱為平衡載流子濃度。半導(dǎo)體的熱平衡狀態(tài)是相對的，有條件的。如果對半導(dǎo)體施加外界作用，破壞了熱平衡的條件，這就迫使它處于與熱平衡狀態(tài)相偏離的狀態(tài)，稱為非平衡狀態(tài)。平衡和非平衡載流子非平衡載流子產(chǎn)生方法：光注入，電注入，高能粒子輻照等。在N型半導(dǎo)體中，把非平衡電子稱為非平衡多數(shù)載流子，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。在半導(dǎo)體器件中，非平衡少數(shù)載流子往往起著重要的作用。處于非平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體，其載流子濃度也不再是平衡載流子濃度，比它們多出一部分。比平衡狀態(tài)多出來的這部分載流子稱為非平衡載流子。

22導(dǎo)電機理：載流子的輸運過程載流子的基本運動形式：擴散運動和漂移運動，二者都是定向運動，分別與擴散電流和漂移電流相聯(lián)系。1、擴散運動擴散運動是在載流子濃度不均勻的情況下，載流子無規(guī)則熱運動造成的由高濃度向低濃度處的遷移運動。雜質(zhì)分布均勻的半導(dǎo)體，只考慮非平衡載流子的擴散；對于雜質(zhì)分布不均勻的半導(dǎo)體，則要同時考慮平衡載流子和非平衡載流子的擴散。擴散電流的方向與濃度梯度成正比。2、漂移運動載流子在電場的加速作用下，除熱運動之外獲得的附加運動稱為漂移運動。載流子的漂移運動速度與外加電場強度成正比。①沿著電場的方向運動---定向運動；②是疊加在熱運動基礎(chǔ)之上的一種定向運動；③在漂移過程中將不斷受到受到散射（否則漂移速度將變成∞），在半導(dǎo)體中對載流子起散射作用的散射中心主要是聲子(晶格振動)和電離雜質(zhì)中心。在高溫下，聲子散射起主要作用；在低溫下電離雜質(zhì)中心散射起主要作用。3、擴散運動和漂移運動同時存在

在電場作用下，任何載流子都做漂移運動，但是漂移電流主要是多數(shù)載流子的貢獻，而擴散情況下，只有光照產(chǎn)生的少數(shù)載流子存在較大的濃度梯度，故對擴散電流的貢獻主要是少數(shù)載流子。4、PN結(jié)在一塊單晶半導(dǎo)體中，一部分摻有受主雜質(zhì)是P型半導(dǎo)體，另一部分摻有施主雜質(zhì)是N型半導(dǎo)體時，P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的交界面附近的過渡區(qū)稱為PN結(jié)。制造PN結(jié)的方法有合金法、擴散法、離子注入法和外延生長法等。制造異質(zhì)結(jié)通常采用外延生長法。異質(zhì)結(jié)：由禁帶寬度不同的兩種半導(dǎo)體材料（如GaAl/GaAs、InGaAsP/InP等）制成的PN結(jié)。同質(zhì)結(jié)：用同一種半導(dǎo)體材料制成的PN結(jié)；5、半導(dǎo)體對光的吸收32本征吸收是強吸收，吸收系數(shù)為105/cm，實際吸收發(fā)生在10-6cm的薄層內(nèi)，受表面狀態(tài)的影響。處于雜質(zhì)能級中的電子與空穴，電子吸收光子，會從雜質(zhì)能級躍遷到導(dǎo)帶，而價帶中的電子吸收光子會躍入雜質(zhì)能帶，在價帶中留下空穴。引起雜質(zhì)吸收的光子的最小能量應(yīng)等于雜質(zhì)的電離能。雜質(zhì)電離能比禁帶寬度小，其長波吸收限為：

λ=hc/ΔEd(ΔEa)1、雜質(zhì)吸收2、自由載流子吸收在半導(dǎo)體材料的紅外吸收光譜中發(fā)現(xiàn)，在本征吸收限長波側(cè)還存在著強度隨入射波長而增加的吸收，這種吸收是由于自由載流子在同一能帶內(nèi)不同能級之間的躍遷引起的，因此稱為自由載流子吸收。①它可以擴展到整個紅外波段和微波波段；②吸收系數(shù)大小與載流子濃度有關(guān)；③滿足動量守恒，在自由載流子吸收光子的同時，伴隨有聲子的散射和電離雜質(zhì)的散射。吸收系數(shù)隨波長發(fā)生變化；電阻率越小，載流子濃度越高，吸收系數(shù)越大。363、激子吸收在某些情況下，電子在價帶中空穴庫侖場的束縛下運動，形成可動的電子-空穴對，稱為激子。是固體電子系統(tǒng)中的一種激發(fā)態(tài)。瓦尼爾激子：又稱弱束縛激子，電子與空穴間的束縛比較弱，表現(xiàn)在束縛能小，電子與空穴之間的平均距離遠大于原子間距；半導(dǎo)體材料中的激子屬于弱束縛激子。弗倫克爾激子：又稱緊束縛激子，電子和空穴之間的束縛比較強。離子晶體中的激子多屬于緊束縛激子。①激子的能量小于自由電子的能量，因此能級處于禁帶中；②激子作為一個整體可以在晶格內(nèi)自由運動；③它是電中性的，不產(chǎn)生電流；④若價帶中的電子吸收光子而形成激子時，所吸收的光子的波長比長波限更大。能量超過7.8eV是可以觀察到光電導(dǎo)現(xiàn)象；在6.8eV和7.4eV的兩個吸收峰是激子吸收線。384、晶格吸收在晶格吸收過程中，光子直接轉(zhuǎn)變成晶格原子的振動。由于晶體中晶格的振動也是量子化的，即能量的改變只能取某一些能量值的整數(shù)倍。晶格振動和光的相互作用包含紅外吸收、Raman散射以及布里淵散射。一個設(shè)想的半導(dǎo)體吸收光