2.1 半导体物理基础
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一．本征半导体
我们将第IV族（最外层轨道有四个电子）的元素（Si、Ge等），以及和第IV族 等价的化合物（GaAs、GaN等），且掺杂极少杂质的半导体的结晶，称之为本 征半导体（intrinsic semiconductor )
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3
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二．杂质半导体
（Extrinsic semiconductor）
·2. 在热激发条件下，少数价电子获得足够激发能，进入导带，产生_________。 A. 负离子 B. 空穴 C. 正离子 D. 电子-空穴对
·3. 半导体中的载流子为_________。 A. 电子 B. 空穴 C. 正离子 D. 电子和空穴
·4. N型半导体中的多子是_________。 A. 电子 B. 空穴 C. 正离子 D. 负离子
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1.内光电效应
（1）光电导效应 光辐射－载流子－电导率变化
光电导效应可分为本征光电导效应与非本征（杂质） 光电导效应两种：
➢本征半导体价带中的电子吸收光子能量跃入导带产 生本征吸收，导带中产生光生自由电子，价带中产生 光生自由空穴，从而使半导体的电导率发生变化。这 种在光的作用下由本征吸收引起的半导体电导率的变 化现象称为本征光电导效应。
IL I0(e kT 1) I p
式中， I0为PN结反向饱和电流。
ID
Ip
P
N
qU
ID I0(e kT 1)
ID为光生电压下PN结的正向电流。
IL ＋ RL -
v
零偏工作原理
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（3) 光子牵引效应
当入射光子的频率不够高，不足以引起本征吸收或形成 激子时，半导体的自由载流子可以吸收光子从低能态跃迁到 较高的能态，这种跃迁与本征跃迁不同，是在同一能带内发 生，这种自由载流子在同一能带内的跃迁所对应的光辐射的 吸收称为自由载流子吸收。当光子与半导体中的自由载流子 作用时，光子把动量传递给自由载流子，自由载流子将顺着 光线的传播方向(玻印廷矢量方向)做相对于晶格的运动，就 好像光子牵引着自由载流子运动，从而在半导体内部将产生 电场，这个现象被称为光子牵引效应。
光生伏特效应
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有光照射时，若PN结电路接负载电阻RL，如图，在PN结内出现两种相反 的电流：
➢光激发产生的电子－空穴对，在内建电场作用下形成的光生电流Ip，它与
光照有关，其方向与PN结反向饱和电流I0相同；
➢光生电流流过负载产生电压降，相当于在PN结施加正向偏置电压，从而产 生电流ID。
流过负载的电流IL为： qU
·5. P型半导体中的多子是_________。 A. 电子 B. 空穴 C. 正离子 D. 负离子
·6. 在杂质半导体中，多数载流子的浓度主要取决于_________。 A. 温度 B. 掺杂工艺 C. 杂质浓度 D. 晶体缺陷
·7. 在杂质半导体中，少数载流子的浓度主要取决于_________。 A. 温度 B. 掺杂工艺 C. 杂质浓度 D. 晶体缺陷
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BDDABCABAAB
答案
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2. 2 光电效应和热电效应
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一．光电效应
光子直接与物质中的电子作用，引起电子运 动状态的改变，从而使物体的电学性质改变。
内光电效应：
被光激发所产生的载流子（自由电子或空 穴）仍在物质内部运动，使物质的电导率发生 变化或产生光生伏特的现象。 外光电效应
被光激发产生的电子逸出物质表面，形成 真空中的电子的现象.
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在半导体中，电子获取势能后从价带跃迁到导带，导带中出现自由电子， 价带中出现自由空穴。
本征半导体
N型半导体
半导体能带图
P型半导体
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EC
EC
EFi
EFi
EFp
EFp
EV
Ea
EV
Ea
（a）p型重掺杂
（a）p型轻掺杂
Ed
EC
Ed
EFn
EC EFn
EFi
EFi
EV （a）n型轻掺杂
EV （a）n型重掺杂
路时就有电流流过。 C. PN结方程可以描述PN结的正向特性和反向特性，也可以描述PN结的反向击穿特性。
·10.当PN结外加正向电压时，扩散电流_________漂移电流。 A. 大于 B. 小于 C. 等与 ·
11.当PN结外加反向电压时，扩散电流_________漂移电流。 A. 大于 B. 小于 C. 等于
非本征光电导的长波限（截止波长）
0 hc / Ei 或
Ei 为杂质电离能 通常，Ei<< Eg
0 (m) 1.24 / Ei (eV )
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（2）光生伏特效应
光生伏特效应是基于半导体PN结基础上的一种将光能转换成电能的效应。
扩散：由PN结两边多子浓度差所形成的运动。
漂移：当入射辐射作用在半导体PN结上产生本征吸收时，价带中的光生空穴 与导带中的光生电子在PN结内建电场的作用下分开，并分别向如图所示的方 向进行漂移，形成光生伏特电压或光生电流。
➢非本征半导体中杂质能级上的束缚态电子（n型）
或空穴（p型）吸收光子能量而产生光生载流子，从
而使半导体的电导率发生变化。这种现象称为非本征
光电导效应。
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光电导效应
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本征光电导的长波限（截止波长）
0 hc / Eg 或 00((mm))11..2244//EEgg((eeVV))
Eg 为本征半导体的禁带宽度
不同掺杂情况下费米能级的位置
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三．PN结的形成及特性
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（drift） （diffusion）
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(depletion layer＆potential barrier) 16
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（avalanche） （Zener）
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思考题
·1. 在绝对零度（0K）时，本征半导体中_________ 载流子。 A. 有 B. 没有 C. 少数 D. 多数
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(donor )
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（acceptor）
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二．能带（涉及“半导体光电子学”知识）
能带：一定能量范围内的许多能级（彼此相隔很近）形成一条 带，称为能带 允许带：允许被电子占据的能带。允许带之间的范围是不允许 电子占据的。这一范围称为禁带。 价带：价电子所占据能带。价带可能被填满，也可能不被填满。 填满的能带称为满带． 导带：部分被电子占据的能带。
·8. 在下列说法中只有_________说法是正确的。 A. P型半导体可通过在纯净半导体中掺入五价磷元素而获得。 B. 在N型半导体中，掺入高浓度的三价杂质可以改型 为P型半导体。 C. P型半导体带正电，N型半导体带负电。 D. PN结内的扩散电流是载流子在电场作用下形成的。
·9. 在下列说法中只有_________说法是正确的。 A. 漂移电流是少数载流子在内电场作用下形成的。 B. 由于PN结交界面两边存在电位差，所以，当把PN结两端短