第5章获取材料II.ppt
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1、第五章信息获取材料第五章信息获取材料信息功能材料信息功能材料5.4 元素半导体光电材料元素半导体光电材料理想的晶体在绝对零度时存在一个空的导带,由一个禁理想的晶体在绝对零度时存在一个空的导带,由一个禁带把导带与填满的价带隔开,随着温度上升,由于热激带把导带与填满的价带隔开,随着温度上升,由于热激发而产生发而产生 n-p 对,引起导电势,这种性质叫做对,引起导电势,这种性质叫做本征半导本征半导电性电性,电子和空穴具有相同的浓度:,电子和空穴具有相同的浓度:一、一、Si 和和 Ge 的结构特征和电学性质的结构特征和电学性质)()2exp(2/3npiigienkTEUTn由此得到:1.本征性质本征
2、性质典型的禁带宽度:典型的禁带宽度:Si 1.12 eV Ge 0.665 eV四方面的特点:四方面的特点:理想的晶体是不存在的,由于实际半导体中化理想的晶体是不存在的,由于实际半导体中化学杂质和结构缺陷或多或少为存在,影响平衡学杂质和结构缺陷或多或少为存在,影响平衡时电子和空穴的相对浓度。但是:时电子和空穴的相对浓度。但是:施主和受主相等浓度导致类似本征材料的状况。施主和受主相等浓度导致类似本征材料的状况。杂质能级如果靠近相应能带边缘,则为杂质能级如果靠近相应能带边缘,则为浅位杂浅位杂质质,反之为,反之为深位杂质深位杂质。前者是。前者是III族和族和V族的全族的全部元素,后者有过渡金属等。部
3、元素,后者有过渡金属等。2.非本征性质非本征性质2innp 热振动、杂质和结构缺陷是晶体周期的不完整性的热振动、杂质和结构缺陷是晶体周期的不完整性的三个方面。三个方面。缺陷的重要性主要在于它们对迁移率、复合和俘获缺陷的重要性主要在于它们对迁移率、复合和俘获现象的影响,主要有现象的影响,主要有点缺陷点缺陷、线缺陷线缺陷和面缺陷。和面缺陷。点缺陷是集中在晶体中单点的结构缺陷,包括空位点缺陷是集中在晶体中单点的结构缺陷,包括空位和填隙等;和填隙等;线缺陷是沿着一条件集中的不完整性,也叫做位错,线缺陷是沿着一条件集中的不完整性,也叫做位错,如:应力作用下产生的某些平面滑移等;如:应力作用下产生的某些平
4、面滑移等;人们对面缺陷的研究知之甚少,相对来说也不太重人们对面缺陷的研究知之甚少,相对来说也不太重要。要。3.晶格的结构缺陷晶格的结构缺陷在实际应用中,电子和空穴的浓度往往是偏离平衡浓度在实际应用中,电子和空穴的浓度往往是偏离平衡浓度的,即所谓的非平衡现象是普遍存在的。的,即所谓的非平衡现象是普遍存在的。如果:如果:那么,可以定义那么,可以定义 t t 为少数载流子寿命。再由为少数载流子寿命。再由Einstein关关系可以得到扩散率和扩散长度:系可以得到扩散率和扩散长度:在最初的半导体晶体中,截流载流子寿命仅受复合过程在最初的半导体晶体中,截流载流子寿命仅受复合过程限制,因为当时注重于减少俘获
5、效应;但是在半导体辐限制,因为当时注重于减少俘获效应;但是在半导体辐射探测器的研究中,往往是由测量出的电荷收集效率来射探测器的研究中,往往是由测量出的电荷收集效率来推导电荷载流子的寿命的。推导电荷载流子的寿命的。4.半导体辐射探测器的有效载流子浓度半导体辐射探测器的有效载流子浓度t/0)(tentnttDDLektD2/1)(/Eg(Si)=1.12 eV Eg(Ge)=0.67 eV,两者的本征型探测器,两者的本征型探测器远不如远不如PbS探测器,所以要引入杂质。探测器,所以要引入杂质。1.非本征非本征 Si 材料的特性材料的特性引入杂质在引入杂质在Si禁带中建立起相应的局部能态,外界红外禁
6、带中建立起相应的局部能态,外界红外辐射会引起杂质能级的光激励,光电导响应与这些能级辐射会引起杂质能级的光激励,光电导响应与这些能级到导带或满带的电子或空穴跃迁有关。到导带或满带的电子或空穴跃迁有关。2.非本征非本征 Si 探测器的特点探测器的特点硅的介电系数低,具有合适能级的杂质的溶解性高,所硅的介电系数低,具有合适能级的杂质的溶解性高,所以能够制成红外吸收系数较大的非本征型硅探测器。以能够制成红外吸收系数较大的非本征型硅探测器。3.非本征硅探测器的应用:非本征硅探测器的应用:热成像技术,红外探测器。热成像技术,红外探测器。二、非本征硅红外探测器材料二、非本征硅红外探测器材料5.5 III-V
7、族化合物半导体光电材料族化合物半导体光电材料GaAs的禁带宽度比的禁带宽度比Si稍微高一点,有利于制作在较高温稍微高一点,有利于制作在较高温度下的器件;其迁移率较高,约是度下的器件;其迁移率较高,约是Si中电子的中电子的5倍。倍。GaAs为闪锌矿结构,密度为为闪锌矿结构,密度为5.307g/cm-3,主要为共价键,主要为共价键形式。能带结构为直接跃迁型,有较高的发光效率。其形式。能带结构为直接跃迁型,有较高的发光效率。其禁带中浅杂质电离能小。禁带中浅杂质电离能小。一、一、GaAs体系光电薄膜的量子阱、超晶格结构体系光电薄膜的量子阱、超晶格结构1.GaAs材料的特性材料的特性GaAs单晶的制备主
8、要有:单晶的制备主要有:GaAs的合成,的合成,As蒸气压蒸气压的控制。图为水平舟生长的控制。图为水平舟生长法。法。(1)半导体超晶格、量子阱的概念)半导体超晶格、量子阱的概念能够对电子的运动产生某种约束并使其能量量子化的势能够对电子的运动产生某种约束并使其能量量子化的势场称为量子阱。场称为量子阱。半导体的超晶格结构与多量子阱结构相似。半导体的超晶格结构与多量子阱结构相似。2.半导体超晶格、量子阱材料半导体超晶格、量子阱材料(2)半导体超晶格、)半导体超晶格、量子阱的能带结构特量子阱的能带结构特点点量子阱和超晶格能带量子阱和超晶格能带结构,特别是能带在结构,特别是能带在异质结处的形状,对异质结
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