半导体光谱和光学性质2版(沈学础)思维导图

例子：影子、日（月）食、小孔成像
光速：3.0x108m/s（真空、空气中）
光的反射
条件：不同介质的分界面
三线共面
反射规律 法线居中
反射角等于入射角
分类：镜面反射和漫反射
应用（例子）：潜望镜、后视镜等
原理：光的反射
凸
透
镜
平面镜成像
成
像
规
律
物距(u) 像距(v) 正倒 u>2f 2f>v>f 倒立 u=2f v=2f 倒立
光的反射大小虚实应用特点的位置关系u2f2fvf倒立缩小实像照相机摄像机u2fv2f倒立实像测焦距成像大2fufv2f倒立放大实像幻灯机电影放不成像强光聚焦手电放大虚像放大镜虚像在物体同侧虚像在物体之后物像同条件
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光源
光的 直线 传播
条件：透明均匀物质中
2f>u>f v>2f 倒立
u=f -
-
f>u v>u 正立
大小 缩小 等大 放大 -
放大
物，像
虚实 应用 特点 的位置
关系
实像 照摄相像机机、-
物像异 侧
实像
测焦距
成像大 小的分 界点
物像异 侧
幻灯机、
实像电影放 映机、- Nhomakorabea物像异 侧
投影仪
不成像
强光聚 焦手电
成像虚 实的分
-
筒 界点
虚像在
虚像
放大镜
物体同 侧虚像 在物体
物像同 侧
之后
条件：不均匀物质或不同种介质
光 的 折射规律 折射
三线共面
法线居中

第四页，共74页。
2.表面(biǎomiàn)势与表面(biǎomiàn)耗尽区
下图给出了P型半导体MOS结构在栅极电压UG>>0情况下更 为(ɡènɡ wéi)详细的能带图。
第五页，共74页。
在下面(xià mian)的讨论中，定义与费米能级相对应的费
米势为
F
(Ei
EF )体内 q
因此(yīncǐ)，对于P型半 导体，
MOS 电容(diànróng)等效示意图 第十页，共74页。
在平带条件(tiáojiàn)下对应的总电容称为MOS 结构的平带 电容CFB
C FB
t OX
OX 0
1 2
OX S
LD
右图表示(biǎoshì)了 P型半导体MOS结构 的理想C-U曲线
线
第十一页，共74页。
MOS电容-电压(diànyā)曲
UDS较小时(xiǎoshí)，导电沟道随UGS的变化
a) UGS< UT 没有沟道 b) UGS> UT 出现沟道 c) UGS>>UT 沟道增厚
第二十四页，共74页。
2. 饱和(bǎohé)工作区
此时的电流-电压特性(tèxìng)对应与特性(tèxìng)图中UGS=5V曲线的 AB段。
导电沟道(ɡōu dào)随UDS的变化
ns
ni
exp
q(
s
T
F
ps
ni
exp
q(
F T
s
第七页，共74页。
通过以上讨论，以下各区间的表面电势可以区分为： Ψs<0空穴积累（能带向上弯曲）； Ψs=0平带情况； ΨF>Ψs>0空穴耗尽（能带向下弯曲）； ΨF=Ψs 表面上正好(zhènghǎo)是本征的ns=ps=ni ΨF<Ψs 反型情况（反型层中电子积累，能带向下弯曲）。

在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼
（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质
取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的
半导体原子形成共价键时， 空穴
产生一个空穴。这个空穴
可能吸引束缚电子来填补，
+4
+4
使得硼原子成为不能移动
的带负电的离子。由于硼
+3
+4
原子接受电子，所以称为
受主原子。
硼原子
P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。
多余 电子
磷原子
+4 +4 +5 +4
N 型半导体中 的载流子是什 么？
1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。 2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。
掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自 由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流 子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。
二、P 型半导体
2.1.1 PN 结的形成
在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导 体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的 交界面处就形成了PN 结。
内电场越强，就使漂移 运动越强，而漂移使空 间电荷区变薄。
漂移运动
P型半导体
内电场E N型半导体
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
半导体基础知识幻灯片
半导体基础知识
第一章 半导体器件
§ 1.1 半导体的基本知识 § 1.2 PN 结及半导体二极管 § 1.3 特殊二极管 § 1.4 半导体三极管 § 1.5 场效应晶体管
§1.1 半导体的基本知识
1.1.1 导体、半导体和绝缘体
导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属 一般都是导体。

Potential Energy, E(r)
Attraction
FA = Attractive force FN = Net force
ER = Repulsive PE E = Net PE
0
ro
0
Interatomic separation, r
Eo
ro
r
Attraction
Repulsion
FR = Repulsive force
进一步的研究显示，可以根据导电能 力的温度依赖特征更好地区分金属、
半导体、超导体
不同的电阻温 度特性，说明 不同材料之间 具有不同的导 电机制
半导体与金属
的电阻率独特
的温度特性，
Si
常被用来鉴别
半导体材料与
金属。
•真正了解半导体的性质和特征，需要从能带论出发
北北京京大大学学 微微电电子子学学研研究究所所
北北京京大大学学 微微电电子子学学研研究究所所
2.1.4 晶体的晶面（实例）
z x
(010) (010)
z
(010) (010)
(010)
y
x
(001)
y
(110)
(100)
z
z
(110)
(111)
–y
y
x
x –z
(b) Various planes in the cubic lattice
(111)
化合物半导体的闪锌矿晶体结构
S a
Zn a
a
北北京京大大学学 微微电电子子学学研研究究所所
第二章 半导体中的基本性质
半导体材料的结构和性质之间存在相似性（四面体结构），这 种相似性与什么有关？答案是：与原子之间的相互作用有关。

ni 2
因此半导体两种载流子浓度的乘积等于它的本质载流子浓度的平方.
3.本征载流子浓度与本征费米能 级 右图为 Si和GaAs中本征载流子浓 度与温度倒数间的关系
1.4 杂质半导体与杂质半导体的载流 子浓度
1.4.1 N型半导体与P型半导体


N型半导体:在纯净的本征半导体材料中掺入施主杂质 后，施主杂质电离放出大量能导电的电子，使这种半 导体的电子浓度n大于空穴浓度p，把这种主要依靠电 子导电的半导体称为N型半导体，如图a所示。 P 型半导体：在纯净的本征半导体材料中掺入受主杂 质后，受主杂质电离放出大量能导电的空穴，使这种 半导体的空穴浓度p大于电子浓度n，把这种主要依靠 空穴导电的半导体称为P 型半导体，如图b所示。
E ' FN E ' FP np n0 p0 exp T
E ' FN E ' FP n 2i exp T
N型半导体小注入前后准费米能级偏离费米能级的程度 a）小注入前 b）小注入后
1.6载流子的漂移运动
半导体导带电子和价带空穴是可以参加导电的，它 们的导电性表现在当有外加电场作用在半导体上的 时候，导带电子和价带空穴将在电场作用下作定向 运动，传导电流，我们把该运动称为载流子的漂移 运动。
本征半导体是指完全纯净的 结构完整的 不 含任何杂质和缺陷的半导体.
半导体填充能带的情况 a）T=0K b） T>0K


本征半导体导带电子和价带空穴均能在外加电场作用 下,产生定向运动形成电流,把上述两种荷载电流的粒子 称为半导体的俩种载流子. 导带电子浓度和价带空穴浓度永远相等,这是本征半导 体导电机构的一个重要特点.
vn = -

• 半导体激光器在新兴领域的应用拓展
半导体激光器的应用领域及市场需求
应用领域
市场需求
• 通信：光纤通信、无线通信等
• 高功率、高效率、窄线宽半导体激光器的需求持续增长
• 医疗：激光手术、激光诊断等
• VCSEL、量子阱激光器等新型激光器的市场需求不断涌
• 科研：光谱分析、光学测量等
现
• 制造：激光加工、激光打印等
半导体光子学的应用前景及挑战
应用前景
挑战
• 光通信：实现高速、高容量、长距离的光通信传输
• 半导体光子学理论体系的完善和发展
• 光计算：实现高速、低功耗的光计算处理
• 半导体光子学器件的研制和优化
• 光传感：实现高灵敏度、高分辨率的光传感检测
• 半导体光子学技术在新兴领域的应用拓展
05
半导体光通信技术与应用
• 光电晶体管：利用半导体晶体管结构实现光信号的探测
半导体光探测器的技术进展及发展趋势
技术进展
发展趋势
• 高灵敏度、高速率、宽响应范围半导体光探测器的研制
• 半导体光探测器的集成化、片上化
• PIN光电二极管、雪崩光电二极管（APD）、光电晶体管
• 半导体光探测器在新兴领域的应用拓展
等新型光探测器的应用
• 间接跃迁：电子先从价带跃迁到中间能带，再从中间能带跃迁到导带，吸收光子能量
发光过程
• 辐射复合：电子从导带跃迁回价带，释放出光子，发生辐射复合发光
• 荧光发光：电子在导带中的能量损失，通过非辐射复合过程跃迁回价带，释放出光子，发
生荧光发光
• 磷光发光：电子在导带中的能量损失，通过非辐射复合过程跃迁到中间能带，再从中间能
• 受材料的能带结构、电子浓度等因素影响

半导体的光吸收
01 本征吸收
10. 2.1 本征吸收 hw0是能够引起本征吸收的最低限度光子能量，也即，对应于本征吸收光谱， 在低频方面必然存在 一个频率界限ω0（或者说在长波方面存在一个波长界限λ0）。当角频率低于ω0或波长大于λ0时， 不可能产生本征吸收，吸收系数迅速减小。这种吸收系数显著减小的特定波长λ0（或特定角频率ω0） 称为半导体的本征吸收限。图10- 4 给出几种半导体材料的本征吸收系数和波长的关系，曲线短波 端陡峻地上升标志着本征吸收的开始。根据式(10-26 ），并应用关系式w= 2πc／λ ，可得出本征 吸收限的公式为
半导体的光学常数
01 折射率和吸收系数
10. 1. 1 折射率和吸收系数 代入式(10 -10 ） ， 得
半导体的光学常数
01 折射率和吸收系数
10. 1. 1 折射率和吸收系数 这说明，当光波在媒质中传播时， H0与§0的数值不同， 且两者之间有一相差θ＝arctan k/n，从 式（10- 14a）得知，当σ≠0 时，光波以c／n的速度沿x方向传播，其振幅按exp (-wkx/c） 的形式 减小。这里n 是通常的折射率，而是则是表征光能衰减的参量， 称为消光系数。既然光波的电矢量 和磁矢量都按指数exp (-wkx/ c） 衰减，而能流密度（ 以坡印廷矢量表示）正比于电矢量和暗矢量 振幅的乘积， 其实数部分应该是光强度I 随传播距离Z 的变化关系。因此，光强度按exp ( -2wkx/ c ） 衰减，即 用透射法测定光的衰减〈见图10 -1 ）时，发现媒质中光的衰减与光强度成正比， 引入比例系数的 得
半导体的光吸收
01 本征吸收
10. 2.1 本征吸收 根据半导体材料不同的禁带 宽度，可算出相应的本征吸 收限。例如，目的Eg=1. 12eV, λ0 ≈ 1.1μm; GaAs的 Eg=1. 43eV ， λ0≈0. 867μm，两者吸收限都在红 外区； CdS 的Eg=2. 42eV， λ0≈ 0.513μm，在可见光区。

10.1 半导体的光吸收 10.1.1吸收系数，反射系数和透射系数
1 半导体的光吸收系数
用透射法测定光在媒质（半导体）中的 衰减时发现，光的衰减与光强成正比， 若引入正比例系数α（光吸收系数）
dI I x
dx
光强在半导体媒质中的衰减规律
IxI0exp x
I0表示在表面（x=0）处入射光的强度
α的物理意义：光入射导半导体内被吸收，使光强减小到原值的1/e时， 光波在半导体中所传播的距离即是吸收系数的倒数。
电子 空穴对的产生率 G bI b为量子产额b 1
（1）小注入（直线性光电导）
复合率为 U n t，由连续性方程得
dn dt
bI
n
t
光照后非平衡载流子的 变化过程
设t 0时，n0 0，则有
nt bIt 1 et t
t >> t时，n 稳定值，ns bIt
停止光照后
所以
s
光照
10.1.3 其它吸收过程
比本征吸收限波长还长的光子也能被吸收：激子吸收、自由 载流子吸收和杂质吸收。
1. 激子吸收
某些半导体掺有某些杂质，其能带结构在禁带中存在一系列的 类氢的受激状态，价带中的电子吸收光子的能量之后被激发到这 些类氢的受激状态中去，形成所谓激子的光吸收过程。
实验证明，在低温下某些晶体在本征连续吸收光谱出现之前， 即hν0<Eg时，已出现一系列光谱线，便是激子吸收谱线
1.本征吸收：电子由价带向导带的跃迁所引起的光吸收。它
是最重要的吸收，又叫基本吸收。
本征吸收产生电子-空穴对，从而引起光电导。
2.本征吸收限
h h0 Eg，0，0为本征吸收限。
0 :引起本征吸收的最低率频限； 0：本征吸收长波限

• 掺入的杂质的数量是非常少的， 极少的杂质会极大地影响半导体 的导电性能
纯净硅
不含杂质
1B/50000000Si 电阻率
1B/7143Si
电阻率
纯度99.99999999999% 10 Ωcm 0.01 Ωcm
演示课件
硅材料事业部
杂质半导体
第21頁
极少量的杂质能极大地改变半 导体的导电性能
警告！
演示课件
关于砷
如果吞下砷，砷会很快进入人的身体 如果通过呼吸吸进空气中的粉尘，砷的 颗粒会通过肺部的血管进入身体 至于皮肤接触，不会有大量的砷进入身 体，所以不应该有什么问题。
演示课件
关于砷
人每天通过饮水，食物和空气中的灰尘， 会有.05mg的砷进入人的身体 其中0.0035mg是无机砷 有机砷和无机砷都会以尿的形式排出体 外 大部分的砷会在几天内排出体外，少量 的砷会在体内停留几个月或更长。
集电极
第28頁
Ｐ
基
Ｎ
极
Ｐ
ＰＮ结
发射极
演示课件
硅材料事业部
半导体三极管
三极管的结构（ＮＰＮ型）
集电极
第29頁
Ｎ
基
Ｐ
极
Ｎ
ＰＮ结
发射极
演示课件
硅材料事业部
集成电路
第30頁
集成电路
• 1947年发明第一个锗晶体管
• 1958年诞生第一块集成电路
• 1969年在米粒大小的面积上可以集 成1000多个晶体管
• 1999年奔腾4芯片的集成度达到在 一个指甲大小的面积上集成了4000 多万个晶体管
硅材料事业部
演示课件
上海申和热磁电子有限公司
硅材料事业部

稳压值受温度变化影响的的系数。
（3）动态电阻
r UZ
Z
I Z
（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。
（5）最大允许功耗 PZMUZIZmax
稳压二极管的应用举例
i
iL
稳压管的技术参数:
UzW10V,Izmax20mA, ui
R
DZ
iZRL uo
Izmin5mA
二、本征半导体的导电机理 1.载流子、自由电子和空穴
在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价 电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有 可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电 能力为 0，相当于绝缘体。
在常温下，由于热激发，使一些价电子获 得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电 子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。
面接触型
N
1.2.2 伏安特性
I
死区电压 硅管 0.6V,锗管0.2V。
反向击穿 电压UBR
导通压降: 硅管0.6~0.7V, 锗管0.2~0.3V。
U
1.2.3 主要参数 1. 最大整流电流 IOM
二极管长期使用时，允许流过二极管的最大 正向平均电流。
2. 反向击穿电压UBR
二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电 流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至 过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电 压UWRM一般是UBR的一半。
3. 反向电流 IR
指二极管加反向峰值工作电压时的反向电 流。反向电流大，说明管子的单向导电性 差，因此反向电流越小越好。反向电流受 温度的影响，温度越高反向电流越大。硅 管的反向电流较小，锗管的反向电流要比 硅管大几十到几百倍。
以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是 主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、 保护等等。下面介绍两个交流参数。