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1、2.1半导体器件基础知识2.2光电效应 外光电效应 光电导效应 光生伏特效应 光热效应（1）热释电效应 （）辐射热计效应 （）温差电效应2.3光电检测器件的特性参数 光电检测器件的类型 光电器件的基本特性参数,第二章光电检测器件的工作原理及特性,2.1半导体器件基础知识 一 原子中电子的能级 二 晶体中原子的能带 三 本征半导体、杂质半导体、PN结2.2光电效应 外光电效应 光电导效应 光生伏特效应 光热效应2.3光电检测器件的特性参数,2.1 半导体器件的基础知识,一 原子中电子的能级,二 晶体中原子的能带,1.能带,电子的共有化：当原子之间距离很近的时候，不同的原子之间的电子轨道将发生不同
2、程度的重叠，最外层电子的轨道重叠最多。轨道的重叠使原来属于某一个原子的电子成为整个晶体共有。,价带 ：能量最高的被价电子填满的能带导带：价带以上的能带，基本上是空的禁带：价带与导带之间的区域,2.泡利不相容原理,泡利不相容原理限制能占有某个原子能级的电子数，同样也限制一个晶格的能带内所容纳的电子数。 一般的原子中，内层电子的能级以及其相应的能带都是被电子填满的。 而硅等共价键结合的晶体中，其内层电子到最外层的价电子都正好填满相应的能带。举例：考虑钠原子中3S原子能级的能带,3.导体中的能带,考虑一种如图所示能带结构的金属，这种能带结构可能相当于钠(Z=11)的能级。,结论：具有如图所示那样能带
3、结构的物质应为良导体， 换句话说，良导体(也称金属)是那些最高能带未 被完全填满的固体。,又如:Li(1S22S1);Al(1S22S22P63S23P1)Mg(1S22S22P63S2),疑问：如上面的分析，那么Mg(镁)是否属于良导体呢？,结论：实际上由于最高能带可能发生重叠，镁的3S电子可分布在 3S和3P能带中，因此镁应为良导体。对有些物质，它们的原子具有满充壳层，但是在固体时由于最上面的满带和一个空带重叠的话，便成为导体，常称这些物质为半金属。,4.绝缘体的能带,现在考虑这样一种物质，该物质中的最高能带即价带是满的，而且不与下一个全空的能带重叠,如图所示。,结论：绝缘体最上面的价带是
4、满的，同时和下一个空 带之间有几个电子伏特能隙的固体。,5.半导体的能带,注意：半导体的能带与绝缘体的能带很相似，只不过价带和导带之间的能隙比绝缘体的要小得多。因此，半导体是一种绝缘体，但它们的价带和导带之间的能隙约为1eV或更小。,现在考虑这样一种物质，该物质的最高能带是满的，而且不与下一个全空的能带重叠。,n 型半导体的能带示意图,假定取代半导体的原子的另一种物质的原子比半导体的原子具有较多的价带电子。,相反地，杂质原子可以比半导体原子具有较少的价带电子。,p 型半导体的能带示意图,总结：为了使半导体的电导率发生大的变化，对于每一 百万个半导体原子，大约有一个杂质原子就足够 了，因为杂质的
5、电离能比禁带宽度要小得多，所 以杂质的种类和数量对半导体的导电性能影响很大。,导体、半导体和绝缘体,自然存在的各种物质，分为气体、液体、固体。固体按导电能力可分为：导体、绝缘体和介于两者之间的半导体。电阻率10-6 10-3欧姆厘米范围内导体电阻率1012欧姆厘米以上绝缘体电阻率介于导体和绝缘体之间半导体,半导体的特性,半导体电阻温度系数一般是负的，而且对温度变化非常敏感。根据这一特性，热电探测器件。导电性受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化。（纯净Si在室温下电导率为5*10-6/(欧姆厘米)。掺入硅原子数百万分之一的杂质时，电导率为2 /(欧姆厘米)半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用
6、的影响。,本征和杂质半导体,本征半导体就是没有杂质和缺陷的半导体。在绝对零度时，价带中的全部量子态都被电子占据，而导带中的量子态全部空着。在纯净的半导体中掺入一定的杂质，可以显著地控制半导体的导电性质。掺入的杂质可以分为施主杂质和受主杂质。施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子，同时向导带提供电子，使半导体成为电子导电的n型半导体。受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子，同时向价带提供空穴，使半导体成为空穴导电的p型半导体。,在物理学中。根据材料的导电能力，可以将他们划分导体、绝缘体和半导体。 典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。,硅原子,锗原子,硅和锗最外层轨道上的四
7、个电子称为价电子。,三 本征半导体、杂质半导体、PN结,本征半导体的共价键结构,束缚电子,在绝对温度T=0K时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。,1. 本征半导体,本征半导体化学成分纯净的半导体晶体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。,这一现象称为本征激发，也称热激发。,当温度升高或受到光的照射时，价电子会获得足够的随机热振动能量而挣脱共价键的束缚，而参与导电，成为自由电子。,自由电子,空穴,自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，称为空穴。,可见本征激发同时产生
8、电子空穴对。外加能量越高（温度越高），产生的电子空穴对越多。,与本征激发相反的现象复合,在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到动态平衡，电子空穴对的浓度一定。,常温300K时：,电子空穴对,在外电场的作用下，空穴和电子会产生移动，即不断有共价键中的电子摆脱束缚，填充到原有的空穴中，即象是空穴在移动，形成的电流方向就是空穴移动的方向 。,本征半导体的导电性取决于外加能量：温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。,导电机制,2. 杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为杂质半导体。,（1）. N型半导体,在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，称为N型半导体。,N
9、型半导体,多余电子,磷原子,硅原子,多数载流子自由电子,少数载流子 空穴,施主离子,自由电子,电子空穴对,在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。,空穴,硼原子,硅原子,多数载流子 空穴,少数载流子自由电子,受主离子,空穴,电子空穴对,（2）. P型半导体,杂质半导体的示意图,多子电子,少子空穴,多子空穴,少子电子,少子浓度由本征激发产生，与温度有关,多子浓度与所掺杂质浓度有关，与温度无关,因多子浓度差,形成内电场,多子的扩散,空间电荷区,阻止多子扩散，促使少子漂移。,PN结合,空间电荷区,多子扩散电流,少子漂移电流,耗尽层,3. PN结及其单向导电性,（1 ）. PN结的形成,动态平衡：
10、,扩散电流 漂移电流,总电流0,（2）. PN结的单向导电性,(A) 加正向电压（正偏）电源正极接P区，负极接N区,外电场的方向与内电场方向相反。 外电场削弱内电场,耗尽层变窄,扩散运动漂移运动,多子扩散形成正向电流I F,(B) 加反向电压电源正极接N区，负极接P区,外电场的方向与内电场方向相同。 外电场加强内电场,耗尽层变宽,漂移运动扩散运动,少子漂移形成反向电流I R,在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IR基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IR与温度有关。,PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻， PN结导通； PN结加反向电压时，具有
11、很小的反向漂移电流，呈现高电阻， PN结截止。 由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,(3). PN结的伏安特性曲线及表达式,根据理论推导，PN结的伏安特性曲线如图,正偏,IF（多子扩散）,IR（少子漂移）,反偏,反向饱和电流,反向击穿电压,反向击穿,热击穿PN结电击穿后，电流很大，电压又很高，消 耗在PN结上的功率很大，容易使PN结发热超 过它的耗散功率而过度到热击穿，烧坏PN结。,电击穿雪崩击穿和齐纳击穿，可逆。,根据理论分析：,u 为PN结两端的电压降,i 为流过PN结的电流,IS 为反向饱和电流,UT =kT/q 称为温度的电压当量,其中k为玻耳兹曼常数 1.381023q 为电子
12、电荷量1.6109T 为热力学温度 对于室温（相当T=300 K）则有UT=26 mV。,当 u0 uUT时,当 u|U T |时,(4). PN结的电容效应,当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应地随之改变，即PN结中存储的电荷量要随之变化，就像电容充放电一样。,(A) 势垒电容CB,(B) 扩散电容CD,当外加正向电压不同时，PN结两侧堆积的少子的数量及浓度梯度也不同，这就相当电容的充放电过程。,电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来,极间电容（结电容）,4 半导体二极管,二极管 = PN结 + 管壳 + 引线,结构,符号,（1）半导体二极管的VA特性曲线,硅：0.5 V 锗： 0.1
13、 V,(1) 正向特性,导通压降,(2) 反向特性,死区电压,实验曲线,（2）. 二极管的主要参数,(1) 最大整流电流IF,二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大整流电流的平均值。,(2) 反向击穿电压UBR,二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压UBR。,(3) 反向电流IR,在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。,当稳压二极管工作在反向击穿状态下,工作电流IZ在Izmax和Izmin之间变化时,其两端电压近似为常数,稳定电压,（3）稳压二极管,稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管,正向同二极管,
14、反偏电压UZ 反向击穿,UZ, 半导体三极管,半导体三极管，也叫晶体三极管。由于工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，因此，还被称为双极型晶体管（Bipolar Junction Transistor,简称BJT）。 BJT是由两个PN结组成的。,BJT的结构,NPN型,PNP型,符号:,三极管的结构特点:（1）发射区的掺杂浓度集电区掺杂浓度。（2）基区要制造得很薄且浓度很低。,2.1半导体器件基础知识2.2光电效应 外光电效应 光电导效应 光生伏特效应 光热效应（1）热释电效应 （）辐射热计效应 （）温差电效应2.3光电检测器件的特性参数 光电检测器件的类型 光电器件的基本特性参数,第二
15、章光电检测器件的工作原理及特性,光电效应定义：,光电效应分类,外光电效应（金属和金属氧化物）,内光电效应（半导体）,是指物体吸收光能后转换为该物体中某些电子的能量，从而产生的电效应。,2.2 光电效应,1 外光电效应 在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫做光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。,光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：,E=hv,h普朗克常数，6.62610-34Js；光的频率（s-1）,（1）外光电效应第一定律（也叫斯托列托夫定律） 当入射光线的频谱成分不变时，光电阴极的饱和光电发射电流 IK 与被阴极所吸收的光通量K 成正比。即 IK = SK K式中SK 为表征光电发射灵敏度的系数。它是用光电探测器进行光度测量、光电转换的一个最重要的依据。,
