半导体光电子学第二章第四章

温度升高使半导体导电能力增强，电阻率下降
如室温附近的纯硅(Si)，温度每增加8℃，电阻
率相应地降低50%左右
反之，纯净半导体在低温下的电阻率很高，呈
现出绝缘性
几种材料电阻率与温度的关系：
绝 缘 体
R
半导体
T
微量杂质含量可以显著改变半导体的导电能力 以纯硅中每100万个硅原子掺进一个Ⅴ族杂质（比 如磷）为例，这时 硅的纯度仍高达99.9999%，但电 阻率在室温下却由大约214,000Ωcm降至0.2Ωcm以下 适当波长的光照可以改变半导体的导电能力 如在绝缘衬底上制备的硫化镉(CdS)薄膜，无光照 时的暗电阻为几十MΩ，当受光照后电阻值可以下 降为几十KΩ 此外，半导体的导电能力还随电场、磁场等的作用而 改变即半导体的导电能力可以由外界控制
电离受主 B 价带空穴
使空穴摆脱受主束缚的能 量就是受主的电离能 受主杂质B的电离能很小， 只有0.045eV，因此受主 上的空穴几乎都能全部电 离，形成自由导电的空穴。
3.有机半导体
有机半导体通常分为有机分子晶体、有机分子络 合物和高分子聚合物。 酞菁类及一些多环、稠环化合物，聚乙炔和环化 脱聚丙烯腈等导电高分子，他们都具有大π键结 构。
2.2 半导体中的载流子
2.2.1 半导体的能带
量子态和能级
电子的微观运动服从不同于一般力学的量子力学规律， 其基本的特点包含以下两种运动形式： （1）电子做稳恒的运动，具有完全确定的能量。这种恒 稳的运动状态称为量子态，相应的能量称为能级。 （2）一定条件下（原子间相互碰撞，或者吸收光能量 等），电子可以发生从一个量子态转移到另一个量子态 的突变，这种突变叫做量子跃迁。 **量子态的最根本的特点是只能取某些特定的值，而不能 取随意值。

同，增强了内电场的作用!
_ _ -
P R
Uφ
-
U
+ + + +
+ + + +
N + + + +
+ + + +
+ +
iR
反向偏置：外电场与内电场 方向一致→PN结增宽(阻挡 层变宽）→漂移占优势→扩 散减弱→漂移电流iR很小。 由于反向漂移电流是少数 载流子漂移形成的电流，
U
而少数载流子浓度很低，
UФ UФ +U 故反向电流远小于正向电
O
U
稳压管反向击穿 IZ 后，电流变化很大， IZ 但其两端电压变化 U Z IZM 很小，利用此特性， 稳压管在电路中可 使用时要加限流电阻 起稳压作用。
稳压二极管主要参数
(1) 稳定电压VZ 在规定的稳压管反向工作电
流IZ下，所对应的反向工作电压。
(2)稳定电流IZ ：在稳压状态时
流过的电流。
＋4 ＋4 ＋4 共 ＋4 ＋4 ＋4
电子的运动
电子电流 空穴电流
载流子
空穴的运动
载流子电性相反，运动方向相反，因而形成的电流方向相同，
总电流为两者之和。
本征半导体中电子－空穴对不断产生，而自由电子又不断填补 空穴（称复合）。在一定温度下，载流子的这种产生和复合达 到动态平衡，载流子的数目维持一定；当温度升高（或受光 照），电子－空穴对数目增多，导电能力增强。－－光敏器件
＋4
图 1 硅或锗简化 原子结构模型
＋4
＋4
＋4
图 2 本征半导体共价键晶体结构示意图
2.热运动－－形成自由电子和空穴对

自由电子能量和动量的关系：E=P2/2m0 （m0为自由电子质量）
E=P2/2mn （p为动量 ， mn为电子有效质量）
抛物线 表示：
E
P
注意：电子有效质量由半导体特性决定，但可以由E对P的二次
微分算出：mn=（d2E/dp2）-1
由此得：曲率越小，二次微分越大，有效质量越小
18
第十八页，本课件共有49页
间隙式杂质：杂质原子位于晶格原子间的间隙位置；一般原子比较 小。 替位式杂质：杂质原子取代晶格原子位于晶格处。要求替位式杂质 的大小与被取代的晶格原子的大小相近。
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第三十六页，本课件共有49页
施主杂质(donor)
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V族： P, As
V族元素取代Si原子后，形成 一个正电中心和一个多余的 价电子。
数
计算值 测量值
e
0.67
0.56m0 0.37m0 1.05x1019 5.7x1018
2.0x1013 2.4x1013
1.12 1.08m0 0.59m0 2.86x1019 2.66x1019 7.8x109 9.65x109
aAs 1.42 0.068m0 0.47m0 4.7x1017 7x1018
金刚石
导电
较高
(热激发 e,h)
导电
低
(n ~1022 cm-3)
导电
金属< 半金属< 半导体
Si, Ge, GaAs
Na: 1s22s2 2p63s1
Mg: 1s22s2 2p63s2
V族 Bi, Sb, As
§2.6 本征载流子浓度
热平衡状态 本征激发与本征半导体 费米分布函数与玻尔慈曼分布函数 本征载流子浓度

光电子学与光子学的原理及应用第二章-课后答案1. 选择题1.1 题目一答案：C解析：光电效应是指物质受到光的照射后，吸收光能，将光能转化为电能的一种现象。

光电效应首先是由爱因斯坦在1905年提出的，他在描述光电效应时，引入了光子概念，假设光是由一组个别粒子组成的（即光量子），这些粒子就是后来被称为光子的电磁辐射量子。

1.2 题目二答案：A解析：光电倍增管是指通过光电效应，在光电面上光电发射物质外壳的钨丝和灯管之间加一个高达2000-3000伏的电压使其产生光电流，再对光电流进行电子倍增，最后输出检测的一种光电探测器。

光电倍增管的结构与普通的电子管相似，但是在各个电极和玻璃壳之间加入了紧密和高度真空的保护，同时在阳极和阳极网之间还添加了一个用直流电压加电的光电体。

当阳极对外加正电压使阳极电流开始增大时，就成为光电倍增管。

1.3 题目三答案：D解析：光电二极管是一种能够将光信号转化为电信号的器件。

光电二极管的基本原理是利用半导体材料的PN结在光照射下产生光电效应，使得PN结两端产生电荷，从而产生电压信号。

光电二极管的结构和普通二极管类似，主要由P型和N型的半导体材料组成，当光照射到光电二极管上时，光子能量被半导体材料所吸收，产生的热力激发电子，从而引起半导体PN结的载流子的复合和流动，产生感光电流。

光电二极管应用广泛，如光通信、光电测量、光谱分析等领域。

1.4 题目四答案：B解析：光导纤维是一种能够传输光信号的特殊纤维材料。

光导纤维的核心部分是由高折射率的材料构成，而外部由低折射率的材料构成。

当光线传输到光导纤维中时，会发生全反射现象，使得光线能够沿着光导纤维进行传输，最终到达目标地点。

光导纤维具有传输距离远、损耗小、带宽大、抗电磁干扰等优点，在通信、医疗、传感等领域得到广泛应用。

2. 填空题2.1 题目一答案：钠解析：钠具有低电离电势，激发电子的能量比较低，是光电电子极容易脱离的材料之一。

2.2 题目二答案：光电效应解析：光电效应是指物质受到光的照射后，吸收光能，将光能转化为电能的一种现象。