第5章 半导体中的辐射和吸收-1
《激光原理》5-4半导体激光器
图(5-25) 费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度关系
③在重掺杂P型半导体中，费米能级向下移到价带中，低于费米能级的能带被电子 填满，高于费米能级的能态都是空的，价带中出现空穴——P型简并半导体 (图c);
④在重掺杂N型半导体中，费米能级向上移到导带中，低于费米能级的能带被电子填 满，高于费米能级的能态都是空的，导带中也有自由电子——N型简并半导体 (图e);
满带：若能带中各个能级全部被电子填满，则称为满带。 非满带：若能带中只有一部分能级填入电子，则称为非满带。 空带：若能带中各个能级都没有电子填充，则称为空带。 价带：价电子的能级所分裂而形成的能带称为价带。 导带：空带和未被价电子填满的价带称为导带。
二、绝缘体、导体和半导体
1、绝缘体
导带（空带）
能带的特征：（1）只有满带和空带；（2）满 带和空带之间有较宽的禁带，禁带宽度一般大 于3eV。（约3～6 eV）
Si Si Si Si
Si Si
+ B
Si
N型半导体（电子型）：
四价元素Si，Ge，掺五价元 素P，Sb，Td
导带 施主能级
价带
五价原子将在代替四价元素的原子，多出的一个价电子只在杂质离子的电场
范围内运动。杂质原子称为施主原子，相应的杂质能级称为施主能级。量子
力学表明，这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠空带处, 极易形成电子
对于重掺杂的 GaAs P－N 结，在P－N 结的附近，导带中有电子而价带中有空穴， 这一小段区域称为“作用区”。如果电子从导带中向价带中跃迁，则将释放光子，并 在谐振腔的反馈作用下，产生受激辐射。当然，价带中的电子也可能在光子的激发下 跃迁到导带中，即所谓受激吸收，而要产生激光输出自然要求受激发射光子的速率大 于受激吸收光子的速率。
通信光电子基础第四讲半导体激光器件基础知识
.
Free Electron Si
P型半导体（C）
将3价原子（硼、镍、铟等 ）掺入本征半导体中， 则 将多余出空穴数目，形成p 型半导体。空穴为主要载流 子，电子为次要载流子。 因为3价原子可以提供接纳 电子的空穴，故称为受主杂 质（Acceptor impurity). 它的费米能级EF下降到价带 之中，因此价带顶部与导带 都是空穴、EF之下的价带才 充满电子。
(5.2 10)
111 mr mv mc
(5.2 11)
mr 减小的有效质量
d k dk,
mr
1
k
(
Eg
)
1 2
2mr 2
2
由 (15.1 5)式
(k )dk
k 2V 2
dk
可得，
(k)dk ＝ V
k2 2
dk＝
mr
k
d ,
(0
)＝
0
(
E
g
)
1 2
2mr 2
1
2
mr20 T2 fc () fv () 24n2 1＋ 0 2 T22
本征半导体（A）
本征半导体的能级图。上园弧线表示 导带—上能级(EC) 、下弧线表示价带 —下能级(EV)。当本征本导体温度为0 K时，其费米能级EF处在导带与价带的 中间。这意味着EF以下的价带被电子 占满故也称为满带，而EF以上的导带 都是空的没有被电子填充。本征半导 体内部电子密度与空穴密度相等。 最理想的本征半导体是由一种物质的 原子组成的纯净物，如硅、锗等。化 合物GaAs也属于本征半导体。
被B asov、B ernard、Duraf f oug首次发现。
图5 6 在某一确定的抽运强度 N下， 典型的增益 (0 )频率关系曲线
第五章半导体中的光辐射和光吸收
第五章半导体中的光辐射和光吸收1. 名词解释：带间复合、杂质能级复合、激子复合、等电子陷阱复合、表面复合。
带间复合：在直接带隙的半导体材料中，位于导带底的一个电子向下跃迁，同位于价带顶的一个空穴复合，产生一个光子，其能量大小正好等于半导体材料E。
的禁带宽度g浅杂质能级复合：杂质能级有深有浅，那些位置距离导带底或价带顶很近的浅杂质能级，能与价带之间和导带之间的载流子复合为边缘发射，其光子能量总E小。
比禁带宽度g激子复合：在某些情况下，晶体中的电子和空穴可以稳定地结合在一起，形成一个中性的“准粒子”，作为一个整体存在，即“激子”。
在一定条件下，这些激子中的电子和空穴复合发光，而且效率可以相当高，其复合产生的光子能量小E。
于禁带宽度g等电子陷阱复合：由于等电子杂质的电负性和原子半径与基质原子不同，产生了一个势场，产生由核心力引起的短程作用势，从而形成载流子的束缚态，即陷阱能级，可以俘获电子或空穴，形成等电子陷阱上的束缚激子。
由于它们是局域化的，根据测不准关系，它们在动量空间的波函数相当弥散，电子和空穴的波函数有大量交叠，因而能实现准直接跃迁，从而使辐射复合几率显著提高。
表面复合：晶体表面的晶格中断，产生悬链，能够产生高浓度的深的或浅的能级，它们可以充当复合中心。
通过表面的跃迁连续进行表面复合，不会产生光子，因而是非辐射复合。
2. . 什么叫俄歇复合，俄歇复合速率与哪些因素有关？为什么长波长的InGaAsP 等材料的俄歇复合比短波长材料严重？为什么俄歇复合影响器件的J th 、温度稳定性和可靠性？ 解析：● 俄歇效应是一个有三粒子参与、涉及四个能级的非辐射复合的效应。
在半导体中，电子与空穴复合时，把能量或者动量通过碰撞转移给第三个粒子跃迁到更高能态，并与晶格反复碰撞后失去能量。
这种复合过程叫俄歇复合.整个过程中能量守恒，动量也守恒。
●半导体材料中带间俄歇复合有很多种，我们主要考虑CCHC 过程（两个导带电子与一个重空穴）和CHHS 过程（一个导带电子和两个重空穴）。
第5章MOS反相器(半导体集成电路共14章)讲解
2018/10/12
三、 E/E MOS反相 器
介绍饱和MOS负载反相器
只要开通，则工作在饱和区
n
out in n
Vds=Vgs>Vgs-Vth
VIN 0 驱动管截止 OH
V
VDD V = VV -V THL
OUT DD
THL
I DSL
I DSI nCox
2018/10/12
IN DD
当VGS=VDD-(VDD-VTHL)=VTHL时 负载管关断
2
2
GSL
THL
n
ox
L
DD
OUT
THL
E/E MOS反相器电压传输特性
Vout VDD-VT
n
Vin Vout n
gmL/gmI减小
Vin
VIN
2018/10/12
三、 E/D MOS反相 器
采用耗尽型，VGS=0时,一直工作处于导通状态 n MD out
R
输入
负载
输出
在驱动管开关闭合时，负载电阻相对于开关的电阻足够大
驱动
OUTPUT
MOS晶体管的导通电阻随管子的尺寸不同 而不同，通常在K欧数量级，假设它为3K 欧，负载电阻取它的10倍为30K欧，用多晶 硅作负载电阻时，如多晶硅的线宽为2微米 的话，线长需为2mm。
INPUT
占面积很大，因此通常 用MOS管做负载
=V VOH V VDD
OUT
VIN 0 驱动管截止 VIN VDD
n ox D
DD
in
n
ME
I DSD
I DSE nCox (
W 1 2 2 ) E [(VGSE VTE )VDS VDS ] C ( ) [( V V ) V V ] n ox I DD TE OUT OUT W L 2 C ( ) L 2 n ox E 有比电路
半导体物理知识点总结
一、半导体物理知识大纲➢核心知识单元A：半导体电子状态与能级〔课程根底——掌握物理概念与物理过程、是后面知识的根底〕→半导体中的电子状态〔第1章〕→半导体中的杂质和缺陷能级〔第2章〕➢核心知识单元B：半导体载流子统计分布与输运〔课程重点——掌握物理概念、掌握物理过程的分析方法、相关参数的计算方法〕→半导体中载流子的统计分布〔第3章〕→半导体的导电性〔第4章〕→非平衡载流子〔第5章〕➢核心知识单元C：半导体的根本效应〔物理效应与应用——掌握各种半导体物理效应、分析其产生的物理机理、掌握具体的应用〕→半导体光学性质〔第10章〕→半导体热电性质〔第11章〕→半导体磁和压阻效应〔第12章〕二、半导体物理知识点和考点总结第一章半导体中的电子状态本章各节内容提要：本章主要讨论半导体中电子的运动状态。
主要介绍了半导体的几种常见晶体结构，半导体中能带的形成，半导体中电子的状态和能带特点，在讲解半导体中电子的运动时，引入了有效质量的概念。
阐述本征半导体的导电机构，引入了空穴散射的概念。
最后，介绍了Si、Ge和GaAs的能带结构。
在1.1节，半导体的几种常见晶体结构及结合性质。
〔重点掌握〕在1.2节，为了深入理解能带的形成，介绍了电子的共有化运动。
介绍半导体中电子的状态和能带特点，并对导体、半导体和绝缘体的能带进行比较，在此根底上引入本征激发的概念。
〔重点掌握〕在1.3节，引入有效质量的概念。
讨论半导体中电子的平均速度和加速度。
〔重点掌握〕在1.4节，阐述本征半导体的导电机构，由此引入了空穴散射的概念，得到空穴的特点。
〔重点掌握〕在1.5节，介绍盘旋共振测试有效质量的原理和方法。
〔理解即可〕在1.6节，介绍Si、Ge的能带结构。
〔掌握能带结构特征〕在1.7节，介绍Ⅲ-Ⅴ族化合物的能带结构，主要了解GaAs的能带结构。
〔掌握能带结构特征〕本章重难点：重点：1、半导体硅、锗的晶体结构〔金刚石型结构〕及其特点；三五族化合物半导体的闪锌矿型结构及其特点。
半导体物理导论课后习题答案5章
高上升；
CD：本征激发为主。晶格振动散射导致迁移率下降，但载流子浓
度升高很快，故电阻率ρ随温度T升高而下降；
第5章
10.对于电阻率为1Ω•cm的P型Si样品，少子寿命τn=10μs，室温下光均 匀照射，电子-空穴对的产生率是1020cm-3•s-1。已知，μp=417cm2/V•s， ni=1.5×1010cm-3。计算
[(31013) 3800 (1.151013) 1800] 1.61019
0.02( cm) 所以J E 0.02 2 0.04 A/ cm2
子寿命为τ。假设小注入条件成立，试推导因光照而形成的电流增
加值为
GnqVA
L
。
解：因光照而形成的电流增加值 I A J ，光照产生的过剩载流
子浓度n G
在小注入下， J
n
E
(n
q
n
)
V L
G
q n V
L
所以，I
A
J
GqnVA
L
第5章
3.证明非简并的非均匀n型半导体中的电子电流形式为 J
p0 p(0)
179mV
（1分）
(2分)
第5章
7.导出非简并载流子满足的爱因斯坦关系。
证明：假设为非简并n型半导体的一维情况，当系统达到热平衡时，半
导体电中性，其电流方程
Jn
n(x)qn E(x)
qDn
dn( x) dx
可得
第5章
8.光均匀照在6Ω•cm的n型样品上，电子-空穴对的产生率为1×1020cm-3s-1， 样品寿命为6μs。试计算光照前后样品的电导率。
(1)此时的电子浓度和空穴浓度； (2)电子和空穴准费米能级EFn , EFp 与平衡费米能级EF的距离。
半导体的光学性质和光电与发光现象
束缚在杂质能级上的电子或空穴也可以引起光的吸收。
电子可以吸收光子跃迁到导带能级；光电导灵敏度一般定义为单位光照度所引起的光电导。
复合和陷阱效应对光电导的影响少数载流子陷阱作用多数载流子陷阱作用本征光电导的光谱分布指对应于不同的波长，光电导响应灵敏度的变化关系。
杂质光电导对于杂质半导体，光照使束缚于杂质能级上的电子或空穴电离，因而增加了导带或价带的载流子浓度，产生杂质光电导。
4半导体的光生伏特效应当用适当波长的光照射非均匀半导体（pn结等）时，由于内建电场的作用（不加外电场），半导体内部产生电动势（光生电压）；如将pn结短路，则会出现电流（光生电流）。
这种由内建场引起的光电效应，称为光生伏特效应。
pn结的光生伏特效应由于pn结势垒区内存在较强的内建场（自n区指向p区），结两边的光生少数载流子受该场的作用，各自向相反方向运动：p区的电子穿过pn结进入n区；n区的空穴进入p区，使p端电势升高，n端电势降低，于是pn结两端形成了光生电动势，这就是pn结的光生伏特效应。
光电池的电流电压特性5半导体发光1.处于激发态的电子可以向较低的能级跃迁，以光辐射的形式释放能量。
也就是电子从高能级向低能级跃迁，伴随着发射光子。
这就是半导体的发光现象。
2.产生光子发射的主要条件是系统必须处于非平衡状态，即在半导体内需要有某种激发过程存在，通过非平衡载流子的复合，才能形成发光。
3.发光过程：电致发光（场致发光）、光致发光和阴极发光。
其中电致发光是由电流（电场）激发载流子，是电能直接转变为光能的过程。
辐射跃迁从高能态到低能态：1.有杂质或缺陷参与的跃迁2.带与带之间的跃迁3.热载流子在带内跃迁上面提到，电子从高能级向较低能级跃迁时，必须释放一定的能量。
如跃迁过程伴随着放出光子，这种跃迁称为辐射跃迁。
《半导体器件物理》教学大纲(精)
《半导体器件物理》教学大纲（2006版）课程编码：07151022学时数：56一、课程性质、目的和要求半导体器件物理课是微电子学，半导体光电子学和电子科学与技术等专业本科生必修的主干专业基础课。
它的前修课程是固体物理学和半导体物理学，后续课程是半导体集成电路等专业课，是国家重点学科微电子学与固体电子学硕士研究生入学考试专业课。
本课程的教学目的和要求是使学生掌握半导体器件的基本结构、物理原理和特性，熟悉半导体器件的主要工艺技术及其对器件性能的影响，了解现代半导体器件的发展过程和发展趋势，对典型的新器件和新的工艺技术有所了解，为进一步学习相关的专业课打下坚实的理论基础。
二、教学内容、要点和课时安排第一章半导体物理基础（复习）（2学时）第二节载流子的统计分布一、能带中的电子和空穴浓度二、本征半导体三、只有一种杂质的半导体四、杂质补偿半导体第三节简并半导体一、载流子浓度二、发生简并化的条件第四节载流子的散射一、格波与声子二、载流子散射三、平均自由时间与弛豫时间四、散射机构第五节载流子的输运一、漂移运动迁移率电导率二、扩散运动和扩散电流三、流密度和电流密度四、非均匀半导体中的自建场第六节非平衡载流子一、非平衡载流子的产生与复合二、准费米能级和修正欧姆定律三、复合机制四、半导体中的基本控制方程：连续性方程和泊松方程第二章PN结（12学时）第一节热平衡PN结一、PN结的概念：同质结、异质结、同型结、异型结、金属－半导体结突变结、缓变结、线性缓变结二、硅PN结平面工艺流程（多媒体演示图2.1）三、空间电荷区、内建电场与电势四、采用费米能级和载流子漂移与扩散的观点解释PN结空间电荷区形成的过程五、利用热平衡时载流子浓度分布与自建电势的关系求中性区电势及PN结空间电荷区两侧的内建电势差六、解poisson’s Eq 求突变结空间电荷区内电场分布、电势分布、内建电势差和空间电荷区宽度（利用耗尽近似）P 结第二节加偏压的N一、画出热平衡和正、反偏压下PN结的能带图，定性说明PN结的单向导电性二、导出空间电荷区边界处少子的边界条件，解释PN结的正向注入和反向抽取现象P-结的直流电流-电压特性第三节理想N一、解扩散方程导出理想PN结稳态少子分布表达式，电流分布表达式，电流－电压关系二、说明理想PN结中反向电流产生的机制（扩散区内热产生载流子电流）第四节空间电荷区的复合电流和产生电流一、复合电流二、产生电流第五节隧道电流一、隧道电流产生的条件二、隧道二极管的基本性质（多媒体演示Fig2.12）I-特性的温度依赖关系第六节V一、反向饱和电流和温度的关系I-特性的温度依赖关系二、V第七节耗尽层电容，求杂质分布和变容二极管一、PN结C-V特性二、过渡电容的概念及相关公式推导求杂质分布的程序（多媒体演示Fig2.19）三、变容二极管第八节小讯号交流分析一、交流小信号条件下求解连续性方程，导出少子分布，电流分布和总电流公式二、扩散电容与交流导纳三、交流小信号等效电路第九节电荷贮存和反响瞬变一、反向瞬变及电荷贮存效应二、利用电荷控制方程求解s三、阶跃恢复二极管基本理论第十节P-Ｎ结击穿一、PN结击穿二、两种击穿机制，PN结雪崩击穿基本理论的推导三、计算机辅助计算例题2－3及相关习题第三章双极结型晶体管（10学时）第一节双极结型晶体管的结构一、了解晶体管发展的历史过程二、BJT的基本结构和工艺过程（多媒体图3.1）概述第二节基本工作原理一、理想BJT的基本工作原理二、四种工作模式三、放大作用（多媒体Fig3.6）四、电流分量（多媒体Fig3.7）五、电流增益（多媒体Fig3.8 3.9）第三节理想双极结型晶体管中的电流传输一、理想BJT中的电流传输：解扩散方程求各区少子分布和电流分布二、正向有源模式三、电流增益～集电极电流关系Ebers-）方程第四节爱拜耳斯-莫尔（Moll一、四种工作模式下少子浓度边界条件及少子分布二、E-M模型等效电路三、E-M方程推导第五节缓变基区晶体管一、基区杂质浓度梯度引起的内建电场及对载流子的漂移作用二、少子浓度推导三、电流推导四、基区输运因子推导第六节基区扩展电阻和电流集聚一、基区扩展电阻二、电流集聚效应第七节基区宽度调变效应一、基区宽度调变效应（EARLY效应）二、h FE和I CE0的改变第八节晶体管的频率响应一、基本概念：小信号共基极与共射极电流增益（α，h fe），共基极截止频率和共射极截止频率（Wɑ,Wß）,增益－频率带宽或称为特征频率（W T），二、公式（3－36）、（3－65）和（3－66）的推导三、影响截止频率的四个主要因素：τB 、τE 、τC 、τD及相关推导四、Kirk效应第九节混接 型等效电路一、参数：g m、g be 、C D的推导二、等效电路图（图3－23）三、证明公式（3－85）、（3－86）第十节晶体管的开关特性一、开关作用二、影响开关时间的四个主要因素：t d、t r、t f、t s三、解电荷控制方程求贮存时间t s第十一节击穿电压一、两种击穿机制二、计算机辅助计算：习题阅读§3.12 、§3.13 、§3.14第四章金属—半导体结（4学时）第一节肖特基势垒一、肖特基势垒的形成二、加偏压的肖特基势垒三、M－S结构的C-V特性及其应用第二节界面态对势垒高度的影响一、界面态二、被界面态钳制的费米能级第三节镜像力对势垒高度的影响一、镜像力二、肖特基势垒高度降低第四节肖特基势垒二极管的电流电压特性一、热电子发射二、理查德-杜师曼方程第五节肖特基势垒二极管的结构一、简单结构二、金属搭接结构三、保护环结构第六节金属-绝缘体-半导体肖特基势垒二极管一、基本结构二、工作原理第七节肖特基势垒二极管和PN结二极管之间的比较一、开启电压二、反向电流三、温度特性第八节肖特基势垒二极管的应用一、肖特基势垒检波器或混频器二、肖特基势垒钳位晶体管第九节欧姆接触一、欧姆接触的定义和应用二、形成欧姆接触的两种方法第五章结型场效应晶体管和金属-半导体场效应晶体管（4学时）第一节JFET的基本结构和工作过程一、两种N沟道JFET二、工作原理第二节理想JFET的I-V特性一、基本假设二、夹断电压三、I-V特性第三节静态特性一、线性区二、饱和区第四节小信号参数和等效电路一、参数：g l g ml g m C G二、JFET小信号等效电路图第五节JFET的截止频率一、输入电流和输出电流二、截止频率第六节夹断后的JFET性能一、沟道长度调制效应二、漏极电阻第七节金属-半导体场效应晶体管一、基本结构二、阈值电压和夹断电压三、I-V特性第八节JFET和MESFET的类型一、N—沟增强型N—沟耗尽型二、P—沟增强型P—沟耗尽型阅读§5.8 §5.9第六章金属-氧化物-场效应晶体管（10学时）第一节理想MOS结构的表面空间电荷区一、MOSFET的基本结构（多媒体演示Fig6-1）二、半导体表面空间电荷区的形成三、利用电磁场边界条件导出电场与电荷的关系公式（6－1）四、载流子的积累、耗尽和反型五、载流子浓度表达式六、三种情况下MOS结构能带图七、反型和强反型条件，MOSFET工作的物理基础第二节理想MOS电容器一、基本假设二、C～V特性：积累区，平带情况，耗尽区，反型区三、沟道电导与阈值电压：定义公式（6－53）和（6－55）的推导第三节沟道电导与阈值电压一、定义二、公式（6－53）和（6－55）的推导第四节实际MOS的电容—电压特性一、M-S功函数差引起的能带弯曲以及相应的平带电压，考虑到M-S功函数差，MOS结构的能带图的画法二、平带电压的概念三、界面电荷与氧化层内电荷引起的能带弯曲以及相应的平带电压四、四种电荷以及特性平带电压的计算五、实际MOS的阈值电压和C～V曲线第五节MOS场效应晶体管一、基本结构和工作原理二、静态特性第六节等效电路和频率响应一、参数：g d g m r d二、等效电路三、截止频率第七节亚阈值区一、亚阈值概念二、MOSFET的亚阈值概念第九节MOS场效应晶体管的类型一、N—沟增强型N—沟耗尽型二、P—沟增强型P—沟耗尽型第十节器件尺寸比例MOSFET制造工艺一、P沟道工艺二、N沟道工艺三、硅栅工艺四、离子注入工艺第七章 太阳电池和光电二极管（6学时）第一节半导体中光吸收一、两种光吸收过程二、吸收系数三、吸收限第二节 PN 结的光生伏打效应一、利用能带分析光电转换的物理过程（多媒体演示）二、光生电动势，开路电压，短路电流，光生电流（光电流）第三节 太阳电池的I-V 特性一、理想太阳电池的等效电路二、根据等效电路写出I-V 公式，I-V 曲线图（比较：根据电流分量写出I-V 公式）三、实际太阳能电池的等效电路四、根据实际电池的等效电路写出I-V 公式五、R S 对I-V 特性的影响第四节 太阳电池的效率一、计算 V mp I mp P m 二、效率的概念%100⨯=inL OC P I FFV η 第五节 光产生电流和收集效率一、“P 在N 上”结构，光照，x O L e G αα-Φ=少子满足的扩散方程二、例1－1，求少子分布，电流分布 三、计算光子收集效率：O npt col G J J Φ=η讨论：波长长短对吸收系数的影响少子扩散长度和吸收系数对收集效率的影响理解Fig7-9,Fig7-10所反映的物理意义第六节提高太阳能电池效率的考虑一、光谱考虑(多媒体演示)二、最大功率考虑三、串联电阻考虑四、表面反射的影响五、聚光作用第七节肖特基势垒和MIS太阳电池一、基本结构和能带图二、工作原理和特点阅读§7.8第九节光电二极管一、基本工作原理二、P-I-N光电二极管三、雪崩光电二极管四、金属－半导体光电二极管第十节光电二极管的特性参数一、量子效率和响应度二、响应速度三、噪声特性、信噪比、噪声等效功率（NEP）四、探测率（D）、比探测率（D*）第八章发光二极管与半导体激光器（4学时）第一节辐射复合与非辐射复合一、辐射复合：带间辐射复合，浅施主和主带之间的复合，施主－受主对（D-A 对）复合，深能级复合，激子复合，等电子陷阱复合二、非辐射复合：多声子跃迁，俄歇过程（多媒体演示），表面复合第二节LED的基本结构和工作过程一、基本结构二、工作原理（能带图）第三节LED的特性参数一、I-V特性二：量子效率：注射效率γ、辐射效率rη、内量子效率iη，逸出概率oη、外量子效率三、提高外量子效率的途径，光学窗口四、光谱分布，峰值半高宽FWHM,峰值波长，主波长，亮度第四节可见光LED一、GaP LED二、GaAs1-x P x LED三、GaN LED第五节红外LED一、性能特点二、应用光隔离器阅读§8.6 , §8.7 , §8.8 , §8.9 , §8.10(不做作业和考试要求)第九章集成器件（阅读，不做作业和考试要求）第十章电荷转移器件（4学时）第一节电荷转移一、CCD基本结构和工作过程二、电荷转移第二节深耗尽状态和表面势阱一、深耗尽状态—非热平衡状态二、公式（10-8）的导出第三节MOS电容的瞬态特性深耗尽状态的能带图一、热弛豫时间二、信号电荷的影响第四节信息电荷的输运转换效率一、电荷转移的三个因素二、转移效率、填充速率和排空率第五节电极排列和CCD制造工艺一、三相CCD二、二相CCD第六节体内（埋入）沟道CCD一、表面态对转移损耗和噪声特性的影响二、体内（埋入）沟道CCD的基本结构和工作原理第七节电荷的注入、检测和再生一、电注入与光注入二、电荷检测电荷读出法三、电荷束的周期性再生或刷新第八节集成斗链器件一、BBD的基本结构二、工作原理三、性能第九节电荷耦合图象器件一、行图象器二、面图象器三、工作原理和应用三、教学方法板书、讲授、多媒体演示四、成绩评价方式闭卷考试加平时作业、课堂讨论五、主要参考书目1、孟庆巨、刘海波、孟庆辉编著《半导体器件物理》，科学出版社，2005-6第二次印刷。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
(5.10)式为波矢三个分量的数学表达式，图5.5 为其单位立
方和它的界面示意图。)
18
可以看出：
空间中 单位立方体的体积=（2/l)3
(5.14)
可以认为：k 空间中，只要(5.10)式给出的 k 的数值是允许
的，体积为Vk的容积内能够存在的各种 k 的数 量等于边
长为 和k
k
x k
2 / l 的立方体的总个数。可通过 k 空间中 k 之间的能态数目求出态密度。假定一个薄的球
所谓黑体是指能够全部吸收入射的任何频率的电磁波的理想 物体。
平衡时物质具有一定的温度，可以用一个温度来描述光和物 质 的 相 互 作 用 ， 描 述 这 关 系 的 便 是 普 拉 克 发 布 （ Plank distribution）。在特定温度下。黑体辐射出它的最大能量。
经典理论不能够解析黑体辐射曲线。德国物理学家马克斯·普 朗克提出一个假设：这些辐射只能是一些不连续的值，即 电子振动的频率只能取一定值，而且辐射出的能量与其振 动频率成正比[7]。普朗克得出黑体辐射能量分布的公式， 并且同黑体辐射实验的结果完全符合，证明了电子的能级 是量子化，为量子力学奠定了基础。普朗克为此成为量子 力学的开创人，成为20世纪最重要的物理学家之一，他以 其对物理学的杰出贡献获得1918年诺贝尔物理奖。
2，受激辐射
在外来光子的作用下，处于高能级的电子会跃迁到低 能级，并发出与外来光子的特性完全相同的另一光 子。这种辐射不同于自发辐射，是在外来光子激发 下发射出来的，称为受激辐射。受激辐射的光谱窄， 相位一致，有偏振方向，输出功率大。
13
入射一个光子引起一个激发原子受激跃迁，辐射出两个同样 的光子。同样地，这两个同样的光子又去激励其它激发 原子发生受激跃迁，获得更多的同样光子。在合适条件 下(提供泵浦的新能量和提供正反馈的谐振腔)，入射光子 就可以象雪崩一样得到放大，辐射出大量波长、相位、 方向等性能都相同的光子，这个过程就是光放大。所有 的激光器都是建立在这种光放大的工作原理基础上的，
9
2、俄歇复合
俄歇效应是一个有三粒子参与、涉及四个能级的非辐射复 合的效应。在半导体中，电子与空穴复合时，把能量或 者动量，通过碰撞转移给第三个粒子，第三个粒子跃迁 到更高能态，并与晶格反复碰撞后失去能量。这种复合 过程叫俄歇复合.整个过程中能量守恒，动量也守恒。
俄歇复合有三种：(1)带间过程，(2)声子参与的俄歇过程， (3)陷阱参与的俄歇过程。
因此，受激辐射是光子器件的物理基础。
3，受激吸收
在外来光子的作用下，处于低能级的电子受到该光子的激发 向上跃迁到高能级，并吸收外来光子的能量，改变电子 的能级位置，形成电子-空穴对。这一过程不产生新的光 子，只是消耗被吸收光子的能量而改变电子的能级的位 置，我们将这一过程称之为受激吸收。
14
5.2.2 黑体辐射
5.2.1 光辐射和光吸收的基本概念
1，自发辐射
处于激发态的原子中，电子在激发态能级上只能停留 一段很短的时间，就自发地跃迁到较低能级中去， 同时辐射出一个光子，这种辐射过程叫做自发辐射。 自发辐射是不受外界辐射场影响的自发过程，各个 原子在自发跃迁过程中是彼此无关的，不同原子产 生的自发辐射光在频率、相位、偏振方向及传播方 向都是任意的，没有一致的规律。
2，粒子数反转：粒子由低能态抽运至高能态，并且高能态中 的粒子数远远大于该温度下平衡态时的粒子数，出现反转。
3，谐振腔：正反馈使其获得足够大的增益，克服内部和端面 的损耗，产生激光振荡。谐振腔为受激发射的光子选择模 式和进行光放大。
2
ห้องสมุดไป่ตู้
5.1 辐射复合和非辐射复合
图5.1 电子在能级间的跃迁 (a)受激吸收、(b)受激发射、(c)自发发射、(d)发热等。
Ex (z, t) A cos(t kx z)
(5.7)
依据周期性边界条件要求，x 0 处同 x l处的电场应该相等：
Ex (0,t) Ex (l,t)
(5.8)
又根据周期性和不连续性的要求， (5.7) 是一些分立的数字：
kx 2mx / l
(5.9)
式中 为整数(0，1，2，3，)。对于对称的立方体来说，
8
5.1.2 非辐射复合
1、多声子跃迁
声子(phonon)就是“晶格振动的简正模能量量子。”
晶体中原子或分子按一定的规律排列在晶格上，原子总是围 绕着其平衡位置在作不断的振动，同时原子间通过相互作 用而联系在一起，可以近似为弹性力。原子各自的振动牵 动周围的原子，使振动以弹性波的形式在晶体中传播。
等电子杂质不会象施主和受主那样，产生长程作用的 Coulomb势，但却存在有由核心力引起的短程作用势，从 而可形成载流子的束缚态—陷阱能级。
7
实验证实，还有两个等电子杂质联合起来形成的成对等电子 陷阱，例如GaP中的对N-N，成对的N-N可以有不同的距 离，(N-N)i，i=1，2，分别表示处于第一近邻、第二近 邻等的N-N对等电子陷阱。
声子并不是一个真正的粒子，不能脱离固体存在。有相互作 用的声子数不守恒，并且声子只是格波激发的量子，在多 体理论中称为集体振荡的元激发或准粒子。声子的化学势 为零，属于玻色子，服从玻色-爱因斯坦统计。声子本身 并不具有物理动量，但是携带有准动量，并具有能量。
晶体中的电子与空穴复合时，可以激发多个声子，释放出其 能量，由于发光半导体的 通常在1 eV左右，而一个声子的 能量0.06 eV 。因此，电子-空穴复合可以通过杂质、缺陷、 界面态产生多声子跃迁。多声子跃迁是一个几率很低的多 级过程。
15
普朗克黑体辐射定律
在温度T下，从一个黑体中发射的电磁辐射的辐射率与电磁 辐射的频率的关系为：
I ( ,T ) 2h 3
1
c2 [exp(h / kT ) 1]
(5.3)
我们已经推导过一维波动方程：
2Ey z 2
00 r 2Ey
2Ey
(5.4)
式中 2 0 0 r 2
(5.5)
求解波动方程(5.4)，可得沿 轴方向传播的电磁波为：
半导体材料中导带底的电子同导带顶的空穴复合，其能量 大
小为：
h
hc
E g
所以有： hc 1.24
Eg Eg
式一中般和来E说g的，单载位流分子别不为完全m和位e于V导。带底最低处和导带顶最高处，
而是导带底和价带顶附近的载流子都会参与这种带间复合，
因而这种带间复合的发射光谱具有一定的宽度。
2，浅杂质与带间的复合
~150μm
~0.5μm heterojunctions ~250μm
产生激光的物质 粒子数反转 谐振腔
受激发射，光子同电子相互作用时，电子的能量发生变化，发 射出新的同样的光子。激光器必须满足的三个基本条件：
1，能产生激光的物质：具有一定的能级或能带结构、载流子 复合速率等特性，为受激发射提供物质基础。
例如，对于GaP半导体中的N和Bi杂质，由于N、P、Bi的电 负性分别为3.0、2.1、1.9，当杂质N取代晶格上的P之后， N比P有更强的获得电子的倾向，则可吸引一个导带的电 子而成为负离子—电子陷阱；当杂质Bi取代晶格上的P之 后，Bi比P有更强的给出电子的倾向，则可吸引价带的一 个空穴而成为正离子—空穴陷阱。
动量 的三个分量为：
px kx
py ky
(5.12)
pz kz
kx 、ky和kz为一系列分立的数值， 因此光子的能量也为一系列的分立
值，称之为能态。进一步计算这些
能态的数量，推导出单位体积中该
能态的数量，即态密度。
波矢是非 常重要 的观念,
k kxax k yay kzaz
(5.13)
式中 a、x ay和 a分z 别为 空间中x、y和z三个方向上的单位矢量。
浅施主—价带、导带—浅受主间的载流子复合产生的辐射光 为边缘发射，其光子能量总比禁带宽度小。
3，施主—受主间的复合
施主能级上的电子同受主能级上的空穴复合产生辐射复合，
其光子能量小于Eg，简称对复合。
5
4，激子复合
晶体中的电子和空穴可以稳定地结合在一起，形成一个中性 “准粒子”：激子。
依据激子在晶体中能否自由运动分为自由激子和束缚激子。 激子的稳定性依赖于温度、电场、载流子浓度等。温度较 高时，激子谱线由于声子散射等原因而变宽。在电场的作 用下，激子效应也将减弱，甚至失效。载流子浓度很大时， 由于自由电荷的屏蔽作用，激子也可能分解。总之，激子 束的束缚能较大时，激子比较稳定。
(5.7)式是三维方程，满足周期性条件：
kx 2mx / l k，y 2my / l k，z 2mz / l
(5.10)
式中mx、my、mz都为整数(0，1，2，3，)。分立的kx 、
ky 和Ekz就h给 出了p分c立的电场 值，称之为“模式”： (5.11)
17
k空间中单位立方 体及其边界示图
半导体中最近邻的施主-受主对是更为复杂的等电子杂质， 例如GaP中的Zn-O对及Cd-O对，尽管不是等电子杂质， 但是构成类似于晶体中的中性分子。它们也以短程作用 束缚电子，构成等电子陷阱。
等电子陷阱通过短程的势场俘获电子(或空穴) ，形成等电子 陷阱上的束缚激子。它们是局域化的，根据测不准关系， 它们在动量空间的波函数相当弥散，电子和空穴的波函 数有大的交叠，因而能够实现准直接跃迁，从而使辐射 复合几率显著提高。
图5.2 电子在半导体能带间的跃迁
3
5. 1.1 辐射复合
1. 带间复合
导带底的电子向下跃迁，同价带顶的空穴复合，
便产生一个光子
h
hc
g
Eg
(5.1)
g
hc Eg
1.2398 Eg
≈1.24 Eg
(5.2)
2. 杂质能级与带间的复合