半導體物理基礎一、半導體的特性電阻溫度系數是負的，對溫度變化敏感。導電性能受微量雜質的影響而發生十分敏感的變化。導電能力和性質受外界作用發生重要的變化。

二、半導體的能帶能帶理論：晶體中的電子只能處于能帶的能級上，且每一個能帶中都有與原子總數相適應的能級數。

泡利原理：在每一個能級上最多只能容納兩個自旋方向相反的電子。半導體晶體能帶圖：導帶價帶滿帶禁帶禁帶

根據能量最小原理，電子填充能帶時，總是從最低的能帶、最小能量的能級開始填充。滿帶：任何時間都填滿電子數。價帶：絕對零度時，價帶為價電子占滿。而導帶中沒有電子。導帶：價帶中電子獲得足夠的熱能或輻射能后，就會越過禁帶進入導帶。三、半導體的類型

1、I型半導體（本征半導體）：

I型半導體是完全純凈或結構完整的半導體，是完全由基質原子組成的晶體。在絕對零度時，不受外界影響的情況下，導帶沒有電子，價帶也沒有空穴，因此不能導電。在熱運動或外界的影響下，價電子躍遷到導帶，產生自由電子和空穴，構成導電載流子。2、N型半導體對N型半導體，施主雜質中的電子只要獲得很小的能量，就能脫離原子而參加導電，由于導帶中的電子在導電中起主要作用，因此也稱為“電子型半導體”。由能級圖可見，施主能級處于禁帶內導帶底的下面。電子從施主能級躍遷到導帶所需的能量。在常溫下，電子所具有的平均熱能就足以使施主原子電離。因此，對N型半導體具有較高的電導率。3、P型半導體

P型半導體是以空穴為主導電的半導體，這樣的半導體也稱為“空穴型半導體”。由能級圖可見，受主能級處于禁帶內價帶頂的上方，價帶電子躍遷到受主能級所需的電離能。這時由于電子填充了共價鍵中的空位而出現空穴。在常溫下，電子所具有的平均熱能就足以使受主原子電離。因此，對P型半導體具有較高的電導率。說明：從半導體載流子的濃度考慮，若在無輻射時電子和空穴的濃度分別為n和p，則當n＜＜p時，這種半導體稱為P本征半導體；當n＞＞p時，稱為N型半導體；當n＝p時，稱為I型半導體。

四、熱平衡載流子費米-狄拉克分布函數禁帶寬度半導體費米能級五、非平衡載流子非平衡載流子定義壽命復合陷阱效應六、載流子的運動擴散運動

漂移運動愛因斯坦關系：描述擴散運動與遷徙率的關系七、光輻射與半導體的相互作用

當光輻射作用在半導體上時，半導體吸收光輻射能量，價帶的電子獲得輻射能后將躍遷到導帶，產生新的電子空穴對，形成非平衡載流子，從而提高材料的電導率。半導體對光輻射的吸收分為本征吸收、雜質吸收、載流子吸收、激子和晶格吸收五種光吸收效應。⒈本征吸收

本征吸收是指電子在輻射作用下，從價帶躍遷到導帶的吸收。研究本征吸收時應考慮半導體的能帶結構。如前所述，對直接帶隙材料，電子所需的能量應大于或等于能隙Eg；而對間接帶隙材料，電子除需要大于或等于能隙的能量外，還需要聲子的能量。

⒉雜質吸收在半導體禁帶內存在雜質能級時，在小于能隙能量的光子作用下，雜質能級和相應的能帶間出現電子躍遷而形成的非平衡載流子－電子或空穴。雜質吸收的光譜區位于本征吸收的長波方向，其光子能量應大于或等于所需的電離能。⒊載流子吸收載流子濃度很大（~）時，導帶中的電子和價帶中的空穴產生帶內能級間躍遷而出現的非選擇性吸收⒋激子和晶格吸收

指所吸收輻射的能量轉變為晶格原子的振動能量，或由庫侖力相互作用形成電子和空穴的能量。這種吸收對光電導沒有貢獻，甚至會降低光電轉換效率。第五節光電效應光電效應的定義光電效應的分類光電效應的物理現象一、光電效應

物質在光的作用下，不經升溫而直接引起物質中電子運動狀態發生變化，因而產生物質的光電導效應、光生伏特效應和光電子發射等現象。在理解上述定義時，必須掌握以下三個要點：原因：是輻射，而不是升溫；現象：電子運動狀態發生變化；結果：電導率變化、光生伏特、光電子發射。簡單記為：輻射→電子運動狀態發生變化→光電導效應、光生伏特效應、光電子發射。光對電子的直接作用是物質產生光電效應的起因光電效應的起因：在光的作用下，當光敏物質中的電子直接吸收光子的能量足以克服原子核的束縛時，電子就會從基態被激發到高能態，脫離原子核的束縛，在外電場作用下參與導電，因而產生了光電效應。這里需要說明的是，如果光子不是直接與電子起作用，而是能量被固體晶格振動吸收，引起固體的溫度升高，導致固體電學性質的改變，這種情況就不是光電效應，而是熱電效應。二、光電效應分類

光與物質的作用實質是光子與電子的作用，電子吸收光子的能量后，改變了電子的運動規律。由于物質的結構和物理性能不同，以及光和物質的作用條件不同，在光子作用下產生的載流子就有不同的規律，因而導致了不同的光電效應。外光電效應光電子發射光電效應光電導效應內光電效應光生伏特效應丹倍效應光磁效應外光電效應，是指物質受光照后而激發的電子逸出物質的表面，在外電場作用下形成真空中的光電子流。這種效應多發生于金屬和金屬氧化物。內光電效應,是指受光照而激發的電子在物質內部參與導電，電子并不逸出光敏物質表面。這種效應多發生于半導體內。內光電效應又可分為光電導效應、光生伏特效應、丹倍效應和光磁電效應等。外光電效應和內光電效應的主要區別在于：受光照而激發的電子，前者逸出物質表面形成光電子流，而后者則在物質內部參與導電。三、光電效應的物理現象（一）光電導效應（1873年）半導體材料受光照時，由于對光子的吸收引起載流子濃度的增大，因而導致材料電導率增大（電阻減小）,這種現象稱為光電導效應。（1）光電導率：假設在輻射作用下，由于吸收光子能量而產生的自由電子及空穴的濃度增量分別為Δn及Δp，則在光照穩定情況下光電導體的電導率變為（2）本征半導體的光電導效應光照時，處在價帶中的電子吸收入射光子的能量，若光子能量大于禁帶寬度時，價帶中的電子被激發到導帶成為自由電子，同時在原來的價帶中留下空穴，外電場作用時，光激發的電子空穴對將同時參加導電。從而使電導率增加。光照激發電子由價帶躍過禁帶進入導帶的條件是

能夠激發電子的光輻射長波限為

（3）雜質半導體的光電導效應N型光電導體，主要是光子激發施主能級中的電子躍遷到導帶中去，電子為主要載流子，增加了自由電子的濃度。P型光電導體，主要是光子激發價帶中的電子躍遷到受主能級，與受主能級中的空穴復合，而在價帶中留有空穴，作為主要載流子參加導電。增加了空穴的濃度。只要光子能量滿足就能激發出光生載流子。相應的雜質光電導體的長波限為

（4）光電導體的靈敏度靈敏度指一定條件下，單位照度引起的光電流。光電導體的靈敏度指一定光強下光電導的強弱。可用光電增益G表示。（4）：量子產額，即吸收一個光子所產生的電子空穴數。：光生載流子壽命，非平衡載流子復合快慢或平均存在時間。（5）將（5）代入（4）得（5）光電導的弛豫光電導是一種非平衡載流子效應，因此有弛豫現象。光照到物體后，光電導逐漸增加，最后達到定態。光照停止后，光電導在一段時間內逐漸消失，這種現象表現了光電導對光強變化反應的快慢，光電導上升或下降的時間就是弛豫時間，或稱為響應時間（惰性）。從實際應用將講，其決定了在迅速變化光強下，能否有效工作。從光電導的機理看，弛豫表現為在光強變化時，光生載流子的積累和消失過程。光電導弛豫現象有兩種典型的形式。（6）光電導的光譜分布光譜分布首先是光生載流子的激發問題，即某種波長的光能否激發非平衡載流子及其效率如何的問題。對于本征半導體，當波長增加時，光電導隨之增加，經過一個最大值后，有陡峭的下降，由于不存在一個明顯的長波限，莫斯提出把光電導的數值降到最大值一半處的波長定為長波限。對于雜質半導體，吸收光子要將雜質能級上的電子或空穴激發為自由的光生載流子，要求而，所以，由于很小，很長。（二）光生伏特效應光生伏特效應是光照使不均勻半導體或均勻半導體中光生電子和空穴，并在空間分開而產生電位差的現象。即將光能轉化成電能。不均勻半導體：由于半導體對光的吸收，內建電場使載流子定向運動而產生電位差。（像PN結、異質結、肖特基結）均勻半導體：無內建電場，半導體對光的吸收后，由于載流子的擴散速度不同，導致電荷分開，產生的光生電勢。如丹倍效應和光磁電效應。⒈PN結的光生伏特效應PN結受到光照時：光線足以透過P型半導體入射到PN結，對于能量大于材料禁帶寬度的光子，由于本征吸收，就可激發出電子空穴對。內建電場把N中的空穴拉向P區，把P中的電子拉向N區。大量的積累產生一個與內建電場相反的光生電場，即形成一個光生電勢差。表示電子表示空穴光照度越強，光生電動勢也就越大。當PN結兩端通過負載構成閉合回路時，就會有電流沿著由經外電路到的方向流動。只要輻射光不停止，這個電流就不會消失。這就是PN結被光照射時產生光生電動勢和光電流的機理。注意：

⑴PN結產生光生伏特的條件是，與照射光的強度無關；⑵光生伏特的大小與照射光的強度成正比。開路光電壓、短路光電流與入射光功率之間的關系

若入射光作用下，產生光生電壓為U、光生電流為Ip，入射光功率為P。在PN結兩端通過負載RL構成的回路及等效電路為在PN結兩端通過負載RL構成的回路中，外電流I與光生電流Ip和PN結結電流IJ之間的關系為

由PN結電流特性知，結電流所以

光生電壓為⒉異質結的光生伏特效應同質結是用同一本征半導體摻以不同雜質形成的結。異質結是采用外延技術在一種半導體晶體上生長不同半導體材料形成的結。由于兩種不同半導體材料具有不同的禁帶寬度。只有當入射光子到達結區時，小于寬禁帶寬度而大于窄禁帶寬度的光子被吸收，而且吸收光子和激發光生載流子的地方和結區相重合，從而排除了表面載流子的復合損失，提高了光電轉換效率，得到快速響應的特性。⒊肖特基結的光生伏特效應當在半導體基底上沉積一層金屬形成的“金屬－半導體”接觸時，在接觸區附近也會形成空間電荷區和勢壘，這種勢壘稱為肖特基結或肖特基勢壘。在肖特基結中，載流子的激發有二種途徑：一種是，光子被半導體吸收，形成電子空穴對，在內建電場的作用下，電子向半導體漂移，空穴向金屬漂移；另一種是，光子被金屬吸收，激發的光電子向半導體移動。⒋丹倍效應由于光生載流子的擴散在光的傳播方向產生電位差的現象稱為光電擴散效應或丹倍效應。當：用光照射均勻半導體的表面時，在近表面層發生強烈地吸收，產生高濃度的電子和空穴。在半導體近表面層至體內形成載流子濃度的梯度分布，因而發生電子和空穴都從照射表面向半導體內部的擴散運動。電子與空穴相比具有較大的遷移率和擴散系數，因此電子會擴散到半導體的更深處。在短期內導致被光照表面帶正電，另一面帶負電，建立起光生電場。即在照射表面和未照射表面間產生一定電位差。⒌光磁電效應放在磁場內的均勻半導體材料受到光照射時，如果磁場的方向垂直于xoy平面，洛倫茲力把擴散電子和空穴偏轉到相反方向，導致電子和空在垂直于光照方向和磁場方向的半導體的兩端面分別積累，產生光磁電場，對應的電動勢被稱為光磁電電動勢。(三）光電發射效應1、光電發射原理

具有能量hν的光子，被物質（金屬或半導體）吸收后激發出自由電子，當自由電子的能量足以克服物質表面勢壘并逸出物質的表面時，就會產生光電子發射，逸出電子在外電場作用下形成光電子流。這就是物質的光電發射現象。光電發射現象又叫做外光電效應。可以發射電子的物質稱為光電發射體。2、光電發射的基本定律（1）愛因斯坦定律（光電發射第二定律）發射體發射的光電子的最大動能，隨入射光頻率的增加而線性的增加，而與入射光