3本征半导体 理想的不含杂质的半导体称为本征半导体,导带上的电子数目严格 等于满带上的空穴数目,n=p 一般情况下,半导体的满带完全被电子占满,导带中没有电子。在热 力学温度为零时,即使有外电场作用,它们并不导电。但是当温度升 高或有光照时,半导体满带中少量电子会获得能量而被激发到导带上, 这些电子在外电场作用下将参与导电。同时满带中留下的空穴也参与 导电。 N型(电子型)半导体:导带内电子运动,参与导电 P型(空穴型)半导体:满带内空穴运动,参与导电。 载流子:是电子和空穴的统称。温度高,禁带宽度小,产生的載流 子数目就多;产生得越多,电子与空穴复合的几率也越大。在一定温 度下,产生率和复合率达到相对平衡,半导体中保持一定数目的载流 子
3.本征半导体 • 理想的不含杂质的半导体称为本征半导体，导带上的电子数目严格 等于满带上的空穴数目，n=p 。 • 一般情况下，半导体的满带完全被电子占满，导带中没有电子。在热 力学温度为零时，即使有外电场作用，它们并不导电。但是当温度升 高或有光照时，半导体满带中少量电子会获得能量而被激发到导带上， 这些电子在外电场作用下将参与导电。同时满带中留下的空穴也参与 导电。 • N型（电子型）半导体：导带内电子运动，参与导电。 • P型（空穴型）半导体：满带内空穴运动，参与导电。 • 载流子：是电子和空穴的统称。温度高，禁带宽度小，产生的载流 子数目就多；产生得越多，电子与空穴复合的几率也越大。在一定温 度下，产生率和复合率达到相对平衡，半导体中保持一定数目的载流 子
載流子浓度:固体物理可以证明本征半导体内的载流 子平衡浓度 H=n·p=U3 E禁带宽度(c exD kT 绝对温度(K) 每立方厘米体积中电子与空穴的浓度比例系数 玻尔兹曼常数 不含杂质的理想本征半导体的载流子浓度 硅Si 1.21 =1.5×103Texp kT 锗Gen2=3.1×1032r3expl 0.785 kT 在室温下,t=300K,本征半导体载流子浓度 硅Sin=p=1.5×100/cm3 锗 Ge n=p=24×10/cm
2 3 exp i Eg n n p UT kT = = − 每立方厘米体积中电子与空穴的浓度 禁带宽度(eV) 绝对温度(K) 比例系数 玻尔兹曼常数 2 33 3 2 32 3 10 3 13 3 1.21 1.5 10 exp 0.785 3.1 10 exp 300 1.5 10 / 2.4 10 / i i Si n T kT Ge n T kT t K Si n p cm Ge n p cm = − = − = = = = = 不含杂质的理想本征半导体的载流子浓度 硅 锗 在室温下， ，本征半导体载流子浓度 硅 锗 • 载流子浓度：固体物理可以证明本征半导体内的载流 子平衡浓度
Silicon Detector Some characteristics of silicon crystals conductance band Small band gap Eg=1.12 eV In a pure intrinsic (undoped )material the →W(e- h pair)=36eV electron density n and High specific density 2. 33 g/cm3 hole density p are valence equal n=p=n dEldx (M.I. P )=3.9 Mevcm ≈102e-h/pm( average) For silicon n a 145 1010 cm High carrier mobility He =1450cm/Vs In this volume Fh=450 cm2/Vs we have 4.5-10 free charge carriers, but only 3.2. e-h fast charge collection(<10 ns) pairs produced by a MP Very pure 1 ppm impurities Rigidity of silicon allows thin self Most detectors make use of supporting structures reverse biased p-n junctions Detector production by microelectronic techniques
Silicon Detector Some characteristics of Silicon crystals • Small band gap Eg = 1.12 eV ⇒ W(e-h pair) = 3.6 eV • High specific density 2.33 g/cm3 dE/dx (M.I.P.) ≈ 3.9 MeV/cm ≈ 102 e-h/µm (average) • High carrier mobility µe =1450cm2 / V.s, µh = 450 cm2 / V.s ⇒ fast charge collection (<10 ns) • Very pure < 1ppm impurities • Rigidity of silicon allows thin self supporting structures • Detector production by microelectronic techniques
Doping 掺杂:在本征半导体内掺入杂质, 来改变半导体材料的性能。 CB 把电子贡献给导带的杂质称为施主杂质,杂质能级叫施 主能级,位于导带底部。常用的五价元素有:P(磷)、 (砷)、Sb(锑)、Li(锂)等。五价元素原子的第5个价 电子都激发到导带中参与导电,五价元素原子成为正离 子,是不能移动的正电中心。这种半导体的导电主要是 电子贡献,称作电子型或N型半导体。 n-type: Add elements from Van group, donors, e.g.As Electrons are the majority carriers 能接受满带中电子而产生导电空穴的杂质称为受主杂质, 常用的三价元素有:B(硼)、A(铝、Ga(镓)、In(铟)。 CB 三价元素原子有从附近吸收一个电子的趋势,在满带上 面形成一个新的局部能级,叫受主能级。满带中的电子 很容易跳入该能级。在室温下三价元素原子几乎都形成 负离子,是不能移动的负电中心,而在满带中产生空穴。 VB 这种半导体的导电主要是空穴的贡献,称作空穴型或 P型半导体。 p-type: Add elements from lllr group, acceptors, e.g. B Holes are the majority carriers
把电子贡献给导带的杂质称为施主杂质，杂质能级叫施 主能级，位于导带底部。常用的五价元素有：P(磷)、 As(砷)、 Sb(锑)、Li(锂）等。五价元素原子的第5个价 电子都激发到导带中参与导电，五价元素原子成为正离 子，是不能移动的正电中心。这种半导体的导电主要是 电子贡献，称作电子型或N型半导体。 能接受满带中电子而产生导电空穴的杂质称为受主杂质， 常用的三价元素有：B(硼)、Al(铝)、Ga(镓)、In(铟)。 三价元素原子有从附近吸收一个电子的趋势，在满带上 面形成一个新的局部能级，叫受主能级。满带中的电子 很容易跳入该能级。在室温下三价元素原子几乎都形成 负离子，是不能移动的负电中心，而在满带中产生空穴。 这种半导体的导电主要是空穴的贡献，称作空穴型或 P型半导体。 掺杂：在本征半导体内掺入杂质， 来改变半导体材料的性能
N型半导体的本征空穴和P型半导体的本征电子也参与导 电,称为少数载流子。 对于掺杂半导体,除了本征激发产生的电子空穴对以外, 还有施主杂质提供的电子和受主杂质提供的空穴,所以电 子和空穴的浓度不相等。 在N型半导体中,n=n,P 在P型半导体中,p=pg,n 结构缺陷 点缺陷:晶格上出现空位或应该空位处出现了原子。 线缺陷:晶体受应力作用发生错位(沿平面滑移)。 晶格缺陷也能俘获或放出电子,相当于在晶体禁带中附加 受主或施主能级,也起受主或施主作用
2 2 N i i n n n p n n p p n p = = = = 施 施 受 受 在 型半导体中， ， 在P型半导体中， ， 结构缺陷 点缺陷：晶格上出现空位或应该空位处出现了原子。 线缺陷：晶体受应力作用发生错位（沿平面滑移）。 晶格缺陷也能俘获或放出电子，相当于在晶体禁带中附加 受主或施主能级，也起受主或施主作用。 • N型半导体的本征空穴和P型半导体的本征电子也参与导 电，称为少数载流子。 • 对于掺杂半导体，除了本征激发产生的电子空穴对以外， 还有施主杂质提供的电子和受主杂质提供的空穴，所以电 子和空穴的浓度不相等