缺陷化学专题教育课件省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第三章第三章 缺点化学缺点化学Defect Chemistry第1页本章内容本章内容3.1 3.1 缺点化学基础缺点化学基础3.2 3.2 缺点化学反应缺点化学反应3.3 3.3 非化学计量化合物非化学计量化合物3.4 3.4 缺点与半导体缺点与半导体3.5 3.5 材料与光相互作用材料与光相互作用3.6 3.6 热电材料及应用热电材料及应用第2页3.1 3.1 晶体晶体缺点分类缺点分类线缺点线缺点体缺点体缺点电子缺点电子缺点晶体缺点晶体缺点面缺点面缺点点缺点点缺点第3页点缺点（零维缺点）线缺点（一维缺点）面缺点（二维缺点）体缺点（三维缺点）电子缺点本征缺点杂质缺点位错位错处杂质原子小角晶粒间界挛晶界面堆垛层错包藏杂质沉淀空洞导带电子价态空穴晶体缺点位错缺点空位缺点间隙缺点取代缺点第4页3.1 点缺点点缺点 Point Defect空位空位间隙原子间隙原子错位原子或离子错位原子或离子外来原子或离子外来原子或离子双空位等复合体双空位等复合体 点缺点点缺点（零维缺点）（零维缺点）第5页 Vacancies:-vacant atomic sites in a structure.Self-Interstitials:-extra atoms positioned between atomic sites.点缺点点缺点CommonRare第6页缺点图示VacancyInterstitial第7页 3.1 缺点化学符号缺点化学符号 点缺点名称点缺点所带有效电荷缺点在晶体中所占格点 中性 正电荷 负电荷第8页3.1化学缺点符号化学缺点符号化学缺点符号含义VM金属离子空位Mi金属离子处于晶格间隙XM非金属阴离子处于金属阳离子位置上MX金属阳离子处于非金属阴离子位置上(VMVX)或(MiXi)缺点缔合LM引入溶质L处于金属离子位置上SX引入溶质S处于非金属离子位置上e电子h空穴第9页3.1 Kroger-Vink记号记号总结符号规则总结符号规则：P P缺点种类缺点种类：缺点原子：缺点原子M或或空位空位VC有效电荷数有效电荷数P 负电荷负电荷 正电荷正电荷（x 中性）中性）缺点位置缺点位置（i间隙）间隙）Max.C=P P 电价电价P上电价上电价（V，i电价电价=0）有效电荷有效电荷实际电荷。实际电荷。对于电子、空穴及原子晶体，二者相等；对于电子、空穴及原子晶体，二者相等；对于化合物晶体，二者普通不等。对于化合物晶体，二者普通不等。注：注：第10页3.1本征缺点本征缺点intrinsicpointdefectsTE热起伏热起伏(涨落涨落)E原子原子E平均平均原子脱离其平衡位置原子脱离其平衡位置在原来位置上产生一个空位在原来位置上产生一个空位表面位置表面位置(间隙小间隙小/结构紧凑结构紧凑)间隙位置间隙位置(结构空隙大结构空隙大)Frenkel缺点缺点MMVM+MiMX:MXVM+VXSchottky缺点缺点第11页弗兰克尔缺点：弗兰克尔缺点：金属晶体：形成等量金属离子空位和间隙中金属 离子；离子晶体：形成等量正离子间隙和正离子空位 （正负离子半径大小不一样）；以离子晶体MX为例：其弗兰克尔缺点就是 和 ，和 分别表示它们浓度，由热缺点波尔兹曼分布，有以下式子成立：其中，E：生成一个正离子间隙和一个正离子空位所需要能量；Em：生成一摩尔正离子间隙和一摩尔正离子空位所需要能量，简称 缺点生成能。第12页无外界干扰无外界干扰间隙与空位等量，则间隙与空位等量，则肖特基缺点：肖特基缺点：金属：形成金属离子空位；金属：形成金属离子空位；离子晶体：形成等量正离子和负离子空位，离子晶体：形成等量正离子和负离子空位，即即Vm和和Vx；以MgO为例：，第13页 Point defect concentration varies with temperature!3.1点缺点平衡浓度第14页5 We can get Q from an experiment.3.1缺点活化能第15页定义:体系中杂质(2)在本体(1)中含量 质量百分比(wt%)两种表述:原子百分比(at%)3.1缺点浓度表示C1=m1+m2x 100C1=n1 +n2x 100n1m1质量,m1,与摩尔数,n1,关系:n1=m1A1A1 原子量第16页杂质两种经典掺入方式 Solid solution of B in A(i.e.,random dist.of point defects)或Substitutional alloy(e.g.,Cu in Ni)Interstitial alloy(e.g.,C in Fe)3.1 固体中杂质第17页3.1杂质缺点杂质缺点基质原子杂质原子基质原子杂质原子取代式取代式 间隙式间隙式（因为外来原子进入晶体而产生缺点）能量效应体积效应体积效应第18页8 Impurities must also satisfy charge balance Ex:NaCl Substitutional cation impurity Substitutional anion impurityinitial geometryCa2+impurityresulting geometryCa2+Na+Na+Ca2+cation vacancy3.1陶瓷中杂质第19页3.1陶瓷中杂质第20页3.1陶瓷中杂质-固溶体Solvent 溶剂Solute 溶质1.原子半径差小于15%2.相同晶体结构3.相同电负性4.相同化学价If one or more of the above rules is violated only partial solubility is possible.For complete miscibility to occur in metallic solid solutions,the two metals must be quite similar as defined by the Hume-Rothery rules第21页3.2 缺点化学反应方程式缺点化学反应方程式 缺点产生缺点产生 复合复合 化学反应化学反应A B+C B+C对于缺点反应式对于缺点反应式n 质量平衡质量平衡 P Pn 电中性电中性 C：n格点数百分比关系格点数百分比关系：n格点增殖：格点增殖：P PPC化学反应式中化学反应式中 “配平配平”（V质量质量=0=0）晶体必须保持电中性晶体必须保持电中性 S Sci=0晶体晶体 AaBbNA:NB=a:bu 四个规则：四个规则：空位引入或消除空位引入或消除格点数增加或降低格点数增加或降低引发格点增殖缺点有：VM、Vx、MM、Mx、XM、Xx等；不发生格点增殖缺点有：e、h、Mi、Xi等 第22页例1 中掺入 ,缺点反应方程式为：例2 中掺入 和 中掺入 方程式分别为：第23页3.2基本缺点反应方程基本缺点反应方程 1含有夫伦克耳缺点（含有等浓度晶格空位和填隙缺点）整比化合物M2+X2-：2含有反夫伦克耳缺点整比化合物M2+X2-：3含有肖特基缺点整比化合物M2+X2-：（无缺点态）第24页u基本缺点反应方程基本缺点反应方程 4肖特基缺点整比化合物M2+X2-：5含有结构缺点整比化合物M2+X2-：比如:在一些尖晶石型结构化合物AB2O4中含有这种 缺点，即第25页3.23.2化学式化学式举比如下：（1mol基体对应x mol置换离子）向1mol 中掺入x mol 发生置换反应：化学式：(x mol 提供x mol钙离子，置换了x mol锆离子，并因为置换离子价数不一样，在基体中造成了x mol氧空位)电中性标准检验：电中性标准电中性标准电中性标准电中性标准第26页 向1mol 中掺入 发生反应：与 不一样之处于于：一部分钙离子置换了锆离子，另一部分钙离子填在氧化锆晶格间隙中形成间隙离子。化学式为：向1mol 中掺入x mol 发生置换反应：化学式为：第27页u 向1mol 中掺入x mol 发生填隙反应：化学式为：u 向1mol 中掺入x mol 发生等价置换反应：化学式为：u 向1mol 中再掺入x mol ，发生置换反应：化学式为：第28页6化合物密度计算 密度：单位晶胞内全部原子总质量与单位晶胞体积商，表示为：（单位：）设一个晶胞中有n个原子，则：化合物密度计算应用：化合物密度计算应用：判断在给定化学式中，掺杂物质是以填隙还是置换形式进入基体，因为填隙型和置换型化合物密度不一样，普通而言，置换型密度较填隙型小。3.23.2化合物密度化合物密度第29页以氧化钙掺杂氧化锆为例：以氧化钙掺杂氧化锆为例：图图3-8 ZrO2中掺杂CaO后理论密度和CaO掺杂量之间关系密度第30页3.2缺点缔合反应缺点缔合反应以“NaCl热缺点产生”来说明：（下标S：surface）一定条件下，部分Na和Cl空位组合形成缺点缔合缺点缔合缺点缔合缺点缔合：（x代表缔合缺点呈电中性）平衡常数平衡常数 K：（ga：一个缺点缔合缔合能）（gs：一个肖脱基缺点生成能）得：第31页 热力学中，吉布斯自由能变与焓变及熵变有以下关系：（其中，又称作“位形熵”，又称作“相互作用能”）代入得：式中，温度升高使热骚动加剧，从而促进肖脱基缺点生成而不利于缺点缔合；另外，缺点缔合能为负绝对值较大，有利于缺点缔合。第32页p 比如：1.向 中加入 ：2.向 中加入 ：3.向 中加入 ：带电缺点缔合带电缺点缔合 第33页3.3非化学计量化合物非化学计量化合物定义：定义：一些金属与非金属化合物成份随合成气氛不一样而改变，并不一定严格恪守化学式中计量配比，称这种化合物为非化学计量化合物非化学计量化合物。第34页 3.3非化学计量化合物举例非化学计量化合物举例1缺阴离子型经典化合物：ZrO2，TiO2，KCl，NaCl，KBr特点：在还原气氛下易失氧而产生弱束缚电子。如：TiO2在还原气氛中形成氧离子空位，正四价钛离子降为正三价，过程以下：第35页比如：比如：TiO2在还原气氛中失去部分氧，生成在还原气氛中失去部分氧，生成TiO2-x应可写成应可写成或写成或写成第36页第37页 上述过程实质为：式333反应达平衡时，弱束缚电子（3-3-3）（K为平衡常数）第38页则在温度一定情况下，由 得：TiO2 是电子导电，故其电导率与氧分压关系以下：这类关系应用：氧分压传感器、氧离子导体和燃料电池；TiO2：电子 导电 ZrO2：氧离子空位扩散区分区分第39页Zn完全电离为比较困难 3.3非化学计量化合物举例非化学计量化合物举例2阳离子间隙型经典化合物：ZnO和CdO特点：阳离子处于晶格间隙类型，并由此产 生弱束缚电子，是N型半导体材料。如：将ZnO放入Zn蒸汽中加热，Zn进入ZnO晶格间隙，缺点反应方程式为：（主要）或第40页反应式 平衡常数为：电导率为：反应实质：第41页3.3非化学计量化合物举例非化学计量化合物举例3阴离子间隙型经典化合物：特点：电子空穴导电，是p型半导体材料。电导率：反应：第42页3.3非化学计量化合物举例非化学计量化合物举例4缺阳离子型经典化合物：（非化学整比化合物）特点：阳离子化合价升高，产生空位。如：电导率：实质：第43页小结：小结：四类非化学计量化合物之代表物四类非化学计量化合物之代表物型（缺阴离子型）：型（阳离子间隙型）：型（阴离子间隙型）：型（缺阳离子型）：注注：对某种化合物来说，分类并不是固定；上述非化学计量化合物电导率都与氧分压次方成百分比，故能够做图 ，从斜率判断该化合物导电机制。第44页缺点化学应用第45页氧分压传感器示意图氧分压传感器示意图 电动势：第46页Solid Oxide Fuel Cell-A device that generates electricity by combining a fuel and an oxidant gas across an electrolyte.第47页第48页3.4缺点与半导体缺点与半导体（电子与空穴）（电子与空穴）能带结构和电子密度能带结构和电子密度第49页3.4半导体基本知识半导体基本知识 导电能力介于导体和绝缘体之间物质称为导电能力介于导体和绝缘体之间物质称为半半导体导体，半导体器件中用最多是硅和锗。，半导体器件中用最多是硅和锗。半导体半导体特点：特点：当受外界热和光作用时，它导电能当受外界热和光作用时，它导电能 力显著改变。力显著改变。往纯净半导体中掺入一些杂质，会使往纯净半导体中掺入一些杂质，会使 它导电能力显著改变。它导电能力显著改变。第50页3.43.4本征半导体本征半导体一、本征半导体结构特点一、本征半导体结构特点GeSi经过一定工艺过程，能够将半导体制成经过一定工艺过程，能够将半导体制成晶体晶体。当代电子学中，用最多半导体是硅和锗，它们最外当代电子学中，用最多半导体是硅和锗，它们最外层电子（价电子）都是四个。层电子（价电子）都是四个。第51页 本征半导体化学成份纯净半导体。制造半导体器件半导体材料纯度要到达99.9999999%，常称为“九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。第52页硅和锗共价键结构硅和锗共价键结构共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4+4+4+4+4表示除表示除去价电子去价电子后原子后原子第53页共价键中两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为共价键中两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束束缚电子缚电子，常温下束缚电子极难脱离共价键成为，常温下束缚电子极难脱离共价键成为自由自由电子电子，所以本征半导体中自由电子极少，所以本征，所以本征半导体中自由电子极少，所以本征半导体导电能力很弱。半导体导电能力很弱。形成共价键后，每个原子最外层电子是八形成共价键后，每个原子最外层电子是八个，组成稳定结构。个，组成稳定结构。共价键有很强结协力，使原子规则共价键有很强结协力，使原子规则排列，形成晶体。排列，形成晶体。+4+4+4+4第54页3.43.4本征半导体导电机理本征半导体导电机理在绝对在绝对0度度（T=0K）和没有外界激发时和没有外界激发时,价价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有能电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有能够运动带电粒子（即够运动带电粒子（即载流子载流子），它导电能力为），它导电能力为 0，相当于绝缘体。，相当于绝缘体。在常温下，使一些价电子取得足够能量而在常温下，使一些价电子取得足够能量而脱离共价键束缚，成为脱离共价键束缚，成为自由电子自由电子，同时共价键上，同时共价键上留下一个空位，称为留下一个空位，称为空穴空穴。1.1.载流子、自由电子和空穴载流子、自由电子和空穴 这一现象称为本征激发，也称热激发。第55页可见因热激发而出现自由电子和空穴是同时成对出现，称为电子空穴对。游离部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合，如图所表示。本征激发和复合在一定温度下会到达动态平衡。本征激发和复合过程第56页3.4.本征半导体导电机理本征半导体导电机理+4+4+4+4在外场作用下，空穴在外场作用下，空穴吸引附近电子来填补，吸引附近电子来填补，这么结果相当于空穴这么结果相当于空穴迁移，而空穴迁移相迁移，而空穴迁移相当于正电荷移动，所当于正电荷移动，所以能够认为空穴是载以能够认为空穴是载流子。流子。本征半导体中存在数量相等两种载流子，即本征半导体中存在数量相等两种载流子，即自自由电子由电子和和空穴空穴。第57页温度越高，载流子浓度越高。所以本征半导温度越高，载流子浓度越高。所以本征半导体导电能力越强，温度是影响半导体性能一体导电能力越强，温度是影响半导体性能一个主要外部原因，这是半导体一大特点。个主要外部原因，这是半导体一大特点。本征半导体导电能力取决于载流子浓度。本征半导体导电能力取决于载流子浓度。本征半导体中电流由两部分组成：本征半导体中电流由两部分组成：1.自由电子移动产生电流。自由电子移动产生电流。2.空穴移动产生电流。空穴移动产生电流。第58页3.43.4杂质半导体杂质半导体在本征半导体中掺入一些微量杂质，就会使在本征半导体中掺入一些微量杂质，就会使半导体导电性能发生显著改变。其原因是掺杂半半导体导电性能发生显著改变。其原因是掺杂半导体某种载流子浓度大大增加。导体某种载流子浓度大大增加。P 型半导体：型半导体：空穴浓度大大增加杂质半导体，也称空穴浓度大大增加杂质半导体，也称为（空穴半导体）。为（空穴半导体）。N 型半导体：型半导体：自由电子浓度大大增加杂质半导体，自由电子浓度大大增加杂质半导体，也称为（电子半导体）。也称为（电子半导体）。第59页一、一、N 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少许五价元素磷在硅或锗晶体中掺入少许五价元素磷（或锑），晶体点阵中一些半导体原子被杂（或锑），晶体点阵中一些半导体原子被杂质取代，磷原子最外层有五个价电子，其中质取代，磷原子最外层有五个价电子，其中四个与相邻半导体原子形成共价键，必定多四个与相邻半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很轻出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很轻易被激发而成为自由电子，这么磷原子就成易被激发而成为自由电子，这么磷原子就成了不能移动带正电离子。每个磷原子给出一了不能移动带正电离子。每个磷原子给出一个电子，称为个电子，称为施主原子施主原子。第60页+4+4+5+4多出多出电子子磷原子磷原子N 型半导体中型半导体中载流子是什么载流子是什么？1 1、由施主原子提供电子，浓度与施主原子相同。、由施主原子提供电子，浓度与施主原子相同。2 2、本征半导体中成对产生电子和空穴。、本征半导体中成对产生电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流多数载流子子（多子多子），空穴称为），空穴称为少数载流子少数载流子（少子少子）。）。第61页二、二、P 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少许三价元素，如硼在硅或锗晶体中掺入少许三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中一些半导体原子被杂质取（或铟），晶体点阵中一些半导体原子被杂质取代，硼原子最外层有三个价电子，与相邻代，硼原子最外层有三个价电子，与相邻半导体原子形成共价键时，半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动使得硼原子成为不能移动带负电离子。因为硼原子带负电离子。因为硼原子接收电子，所以称为接收电子，所以称为受主受主原子原子。+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子P 型半导体中空穴是多子，电子是少子型半导体中空穴是多子，电子是少子。第62页掺杂局域能级掺杂局域能级非金属固体中因为出现了空穴和电子而带正电荷和负电荷，故在原子周围形成了一个附加电场，进而引发周期性势场畸变，造成晶体不完整性而产生缺点称为电子缺点电子缺点(或称电荷电荷缺点缺点)。电子缺点示意图电子缺点示意图第63页ED1ED2D*DEA1ED2AA”D*+ED1 D+eD +ED2 D +eA*+EA1 A+h A+EA2 A+h 施主缺点施主缺点受主缺点受主缺点第64页3.4掺杂后点缺点局域能级掺杂后点缺点局域能级在本征半导体中进行不等价掺杂，形成点缺点处于禁带中靠在本征半导体中进行不等价掺杂，形成点缺点处于禁带中靠近导带底或价带顶局域能级上，使价电子受激到导带中或使空近导带底或价带顶局域能级上，使价电子受激到导带中或使空穴受激到价带中变得轻易，大大增加了受激电子或空穴数量。穴受激到价带中变得轻易，大大增加了受激电子或空穴数量。1）中加入中加入VA族族 ：可表示为：（式中，ED：缺点所处局域能级距离导带底能隙）即：即：As掺杂，产生了局域能级，使电子易于被激到导带中。“施主缺点施主缺点”：能提供“准自由电子”缺点叫“施主缺点”，对应As掺杂Ge是n型半导体。第65页3.4掺杂后点缺点局域能级掺杂后点缺点局域能级2）中加入中加入VA族族B：B外层有3个电子，B 进入 晶格后，轻易使价带中电子被激至一距离价带顶很近局域能级上去，形成 缺点，同时在价带内形成空穴。表示为：即：即：因为B掺入，产生了局域能级，使空穴易于被激发到价带中。“受主缺点受主缺点”：“吸引”价带中电子而在价带中产生空穴缺点，对应B掺 杂 是p型半导体。第66页ED=0.0127ev施主缺点施主缺点EA=0.0104evEg=0.79ev第67页3.4掺杂后点缺点局域能级掺杂后点缺点局域能级“两性缺点两性缺点”（amphoteric defects）：）：把既能够给出电子到导带，也能够“吸引”价带中电子从而在价带中形成空穴缺点称为两性缺点。如：将 加入 中，生成 缺点，表示式以下：第68页当当T=0,费米费米EF一下被电子充满一下被电子充满,费米能级费米能级EF以上以上空空.电子在很小电场下很轻易进入空导带形成导电电子在很小电场下很轻易进入空导带形成导电当当T0,电子很轻易受热激发进入高于费米能级电子很轻易受热激发进入高于费米能级能带图能带图:金属能带结构金属能带结构EFEC,VEFEC,VFermi“filling”function能带被充满能带被充满适中温度适中温度 TT=0 K低于费米能级能带被电低于费米能级能带被电子充满子充满.第69页能带图能带图:宽禁带绝缘体材料宽禁带绝缘体材料Egap在在T=0,价带充满电子价带充满电子,导带是空导带是空.不导电不导电费米能级费米能级EF在宽禁带在宽禁带(2-10eV)中央中央在在T0,电子不能被热激发到导带中，所以电导率为零。电子不能被热激发到导带中，所以电导率为零。EFECEV空导带空导带价带充满价带充满EgapT 0第70页能带图能带图:半导体中等禁带宽半导体中等禁带宽Egap在在T=0,价带充满电子价带充满电子,导带是空导带是空.当当T0,电子受热激发进入导带电子受热激发进入导带,产生部分空价带和部分填充导带产生部分空价带和部分填充导带EFECEV部分填充导带部分填充导带部分空价带部分空价带T 0当温度改变时导带和禁带发生什么改变当温度改变时导带和禁带发生什么改变?当当 T 0?电导率发生什么改变？电导率发生什么改变？第71页5价元素掺杂价元素掺杂4价半导体形成价半导体形成n型半导体型半导体处于导带下端处于导带下端EC施主能级施主能级ED提升载流子浓度提升载流子浓度n能够增强电子导电能够增强电子导电.更多载流子造成费米能级更多载流子造成费米能级EF向高端移动向高端移动掺杂能够提升电导率掺杂能够提升电导率(insteadofheatingit!)EFEDn-type SiECEV半导体掺杂能带结构半导体掺杂能带结构第72页能带结构能带结构:半导体受主掺杂半导体受主掺杂四价四价Si中三价元素形成受主掺杂中三价元素形成受主掺杂价带中电子被束缚在价带中电子被束缚在高于价带顶端高于价带顶端EV局域局域能级能级EA上上.形成价带中空穴造成电导率升高形成价带中空穴造成电导率升高.因为空穴载流子浓度提升造成费米能级因为空穴载流子浓度提升造成费米能级EF下移下移.EAECEVEFp-type Si第73页3.4 半导体能带结构和电子密度半导体能带结构和电子密度 半导体中受激电子浓度受激电子浓度 ne可表示以下：式中，（：电子有效质量；h：普朗克常数）电子态密度：导带底能级：费米能级 半导体中受激电子空穴浓度受激电子空穴浓度np表示以下：式中，（：空穴有效质量；h：普朗克常数）对本征半导体，第74页用途用途?测定半导体测定半导体载流子类型载流子类型(electronvs.hole)和载流子浓度和载流子浓度n.怎样测怎样测?把半导体材料放在外磁场把半导体材料放在外磁场B中中,沿一个方向通入电流沿一个方向通入电流,测试在垂直电流测试在垂直电流方向产生方向产生Hall电压电压VH.依据罗伦兹方程依据罗伦兹方程FE(qE)=FB(qvB).载流子浓度载流子浓度n=(电流电流I)(磁场强度磁场强度B)(载流子电荷载流子电荷q)(样品厚度样品厚度t)(Hall电压电压VH)3.4半导体半导体:掺杂浓度与掺杂浓度与Hall效应关系效应关系HoleElectron+charge charge第75页pn结结能带结构能带结构平衡状态时平衡状态时,费米能级或载流费米能级或载流子浓度必须平衡子浓度必须平衡所以电子由所以电子由n扩散到扩散到p损耗区损耗区在在pn结有离子化区域结有离子化区域形成内电场形成内电场(103to105V/cm),妨碍深入扩散妨碍深入扩散.Depletion Zonepn regions“touch”&free carriers moveelectronspn regions in equilibriumEVEFECEFEVEFEC+p-typen-type第76页小电流小电流PN结结:在外加偏压时能带结构在外加偏压时能带结构正偏压正偏压负偏压负偏压平衡平衡e正向正向:在在n-型电极加负电压型电极加负电压降低内界面电位降低内界面电位产生由产生由n到到p大电流大电流.反向反向:在在n-型电极加正电压型电极加正电压升高内界面电位升高内界面电位产生由产生由n到到p小电流小电流e大电流大电流p-typen-typep-typen-typep-typen-typeV+V第77页A-V关系关系正偏压正偏压:电流指数增加电流指数增加负偏压负偏压:漏电流漏电流Io.“调整调整”pn结结使得电流单向流动使得电流单向流动pn结结:I-V特征特征Reverse BiasForwardBias第78页3.5半导体光学性质半导体光学性质绝缘体禁带宽度大，纯净离子晶体大致几个电子绝缘体禁带宽度大，纯净离子晶体大致几个电子伏特以上，伏特以上，Al2O3为为9ev，NaCl为为8ev，所以从可，所以从可见光到红外区不会发生光吸收，透明。不过对紫见光到红外区不会发生光吸收，透明。不过对紫外光不透明。外光不透明。掺杂后造成部分较低局域能级，如掺杂后造成部分较低局域能级，如Cr3+有未充满有未充满电子组态电子组态3d54S1，形成局域能级（，形成局域能级（1.7ev)能够吸能够吸收较高能量光收较高能量光(蓝，绿光蓝，绿光，造成氧化铝显红颜，造成氧化铝显红颜色。色。第79页光色 波长(nm)频率(Hz)中心波长(nm)红 760622 660 橙 622597 610 黄 597577 570 绿 577492 540 青 492470 480 兰 470455 460 紫 455400 430 可见光七彩颜色波长和频率范围可见光七彩颜色波长和频率范围人眼最为敏感光是黄绿光，即人眼最为敏感光是黄绿光，即附近。附近。3.5光基本性质光基本性质电磁波谱电磁波谱 第80页3.5色中心色中心现象现象：白色 在真空中煅烧，变成黑色，再退火，又变成白 色。原因原因：晶体中存在缺点，阴离子空位能捕捉自由电子，阳离子空位能 捕捉电子空穴，被捕捉电子或空穴处于某一激发态能级上，易受激而发出一定频率光，从而宏观上显示特定颜色。色心：色心：这种捕捉了电子阴离子空位和捕捉了空穴阳离子空位叫色中心。中易形成氧空位，捕捉自由电子。真空煅烧，色心形成，显出黑色；退火时色心消失，又恢复白色。第81页3.5色中心色中心分类：分类：1）带一个正电荷阴离子空位）带一个正电荷阴离子空位中心：中心：2）捕捉一个电子阴离子空位）捕捉一个电子阴离子空位F色心：色心：3）捕捉两个电子阴离子空位）捕捉两个电子阴离子空位F色心：色心：4）捕捉一个空穴阳离子空位）捕捉一个空穴阳离子空位V1中心：中心：5）捕捉两个空穴阳离子空位）捕捉两个空穴阳离子空位V2中心：中心：第82页定义定义因为光是一个能量流，在光经过材料传输时，会引发材料电子跃迁或使原子振动，从而使光能一部分变成热能，造成光能衰减，这种现象称为材料对光吸收对光吸收对光吸收对光吸收。3.5物质与光作用物质与光作用（介质对光吸收）介质对光吸收）第83页介质对光吸收介质对光吸收在光束经过物质时，它传输情况将要发生变化。首先光束越深入物质，它光强将越减弱，这是因为一部分光能量被物质所吸收，而另一部分光向各个方向散射所造成，这就是光吸收和散射现象。光在物质中速度小于光在真空中速度，并随频率而改变，这称为光色散现象，光吸收、散射和色散这三种现象，都有是因为光与物质相互作用引发，实质上是由光与原子中电子相互作用引发。这是不一样物质光学性质主要表现，对它们讨论可认为我们提供关于原子、分子和物质结构信息。如红外光谱分析，拉曼光谱分析等技术第84页光经过物质时，光波中振动着电矢量，将使物质中带电粒子作受迫振动，光部分能量将用来提供这种受迫振动所需要能量。这些带电粒子假如与其它原子或分子发生碰撞，振动能量就会转变为平动动能，从而使分子热运动能量增加，物体发烧。光部分能量被组成物质微观粒子吸收后转化为热能，从而使光强度伴随穿进物质深度而减小现象，称为光吸收（absorption）。介质对光吸收介质对光吸收一一一一 吸收定律吸收定律 -布格定律布格定律第85页如图所表示，光强为I0单色平行光束沿x轴方向经过均匀物质，在经过一段距离x后光强已减弱到I，再经过一无限薄层dx后光强变为I+dI(dI0)。试验表明，在相当宽光强度范围内，-dI相当准确地正比于I和dx，即 -dI=aIdxx+dxldxxII+dI光吸收规律光吸收规律式中a是与光强无关百分比系数，称为该物质吸收系数（absorption coefficient）。于是，上式是光强线性微分方程，表征了光吸收线性规律。介质对光吸收介质对光吸收第86页 为了求出光束穿过厚度为l物质后光强改变，可将上式改写为然后对x积分，即可得 换言之，若入射光强为I0，则经过l物质后光强为称为布格定律（Bouguer law）或朗伯定律。该定律是布格（P.Bouguer，16981758）在1729年发觉，以后朗伯（J.H.Lambert，17281777）在1760年又重新作了表述。6-2介质对光吸收介质对光吸收第87页试验表明，当光被透明溶剂中溶解物质吸收时，吸收系数a与溶液浓度C成正比，即a=AC，其中A是一个与浓度无关常量。这时能够写成 称为比尔定律比尔定律（Beer law）。依据比尔定律，能够测定溶液浓度，这就是吸收光谱分析原理。比尔定律表明，被吸收光能是与光路中吸收光分子数成正比，这只有每个分子吸收本事不受周围分子影响时才成立。事实也正是这么，当溶液浓度大到足以使分子间相互作用影响到它们吸收本事时就会发生对比尔定律偏离。介质对光吸收介质对光吸收定律定律二二 吸收定律吸收定律 比尔定律比尔定律第88页材料对光吸收机理材料对光吸收机理电子极化：电子极化：只有当光频率与电子极化时间倒数处于同一个数量级时，由此引发吸收才变得比较主要；电子受激吸收光子而越过禁带；电子受激进入位于禁带中杂质或缺点能级上而吸收光；只有当入射光子能量与材料某两个能态之间能量差值相等时，光量子才可能被吸收。同时，材料中电子从较低能态跃迁到高能态。光吸收是材料中微观粒子与光相互作用过程中表现出能量交换过程。第89页可见光中波长最短是紫光，波长最长是红光：所以，Eg1.8eV半导体材料，是不透明，因为全部可见光都能够经过激发价带电子向导带转移而被吸收。Eg=1.83.1非金属材料，是带色透明，因为只有部分可见光经过激发价带电子向导带转移而被材料吸收。第90页禁带较宽介电固体材料也能够吸收光波，但吸收机理不是激发电子从价带跃迁到导带，而是因其杂质在禁带中引进了附加能级，使电子能够吸收光子后实现从价带到受主能级或从施主能级到导带跃迁。介质对光介质对光吸收物理机制吸收物理机制第91页除了真空，没有一个物质对全部波长电磁波都是绝对透明。除了真空，没有一个物质对全部波长电磁波都是绝对透明。任何一个物质，它对一些波长范围内光能够是透明，而对另任何一个物质，它对一些波长范围内光能够是透明，而对另一些波长范围内光却能够是不透明。一些波长范围内光却能够是不透明。比如，在光学材料中，石英对全部可见光几乎都透明，在紫比如，在光学材料中，石英对全部可见光几乎都透明，在紫外波段也有很好透光性能，且吸收系数不变，这种现象为普外波段也有很好透光性能，且吸收系数不变，这种现象为普通吸收；不过对于波长范围为通吸收；不过对于波长范围为3.55.0m3.55.0m红外光却是不透明，红外光却是不透明，且吸收系数随波长猛烈改变，这种现象为选择吸收。换言之，且吸收系数随波长猛烈改变，这种现象为选择吸收。换言之，石英对可见光和紫外线吸收甚微，而对上述红外光有强烈吸石英对可见光和紫外线吸收甚微，而对上述红外光有强烈吸收。收。介质对光介质对光普通吸收和选择吸收普通吸收和选择吸收第92页 又比如，普通玻璃对可见光是透明，不过对红外线主紫外又比如，普通玻璃对可见光是透明，不过对红外线主紫外线都有强烈吸收，是不透明。线都有强烈吸收，是不透明。所以在红外光谱仪中，棱镜惯用对红外线透明氯化钠晶体所以在红外光谱仪中，棱镜惯用对红外线透明氯化钠晶体和氟化钙晶体制作；而紫外光谱仪中，棱镜惯用对紫外线透和氟化钙晶体制作；而紫外光谱仪中，棱镜惯用对紫外线透明石英制作。明石英制作。实际上，任何光学材料，在紫外和红外端都有一定透光极实际上，任何光学材料，在紫外和红外端都有一定透光极限。限。任何物质都有这两种形式吸收只是出现波长范围不一样而任何物质都有这两种形式吸收只是出现波长范围不一样而已。已。6-3介质对光介质对光普通吸收和选择吸收普通吸收和选择吸收第93页用含有连续谱光（比如白光）经过含有选择吸收物质，然后利用摄谱仪或分光光度计，能够观察到在连续光谱背景上展现有一条条暗线或暗带，这表明一些波长或波段光被吸收了，因而形成了吸收光谱（absorption spectrum）。介质对光介质对光吸收光谱吸收光谱第94页光与固体相互作用光与固体相互作用 电子能态转变电子能态转变电磁波吸收和发射包含电子从一个能态转变到另一个电磁波吸收和发射包含电子从一个能态转变到另一个能态过程；能态过程；材料原子吸收了光子能量之后可将较低能级上电子激材料原子吸收了光子能量之后可将较低能级上电子激发到较高能级上去，电子发生能级改变发到较高能级上去，电子发生能级改变E与电磁波频与电磁波频率相关：率相关：E=h受激电子不可能无限长时间地保持受激电子不可能无限长时间地保持.在激发状态，经过在激发状态，经过一个短时期后，它又会衰变回基态，同时发射出电磁一个短时期后，它又会衰变回基态，同时发射出电磁波，即自发辐射。波，即自发辐射。第95页3.5p-n结辐射发光结辐射发光受激发电子越过能隙受激发电子越过能隙(禁带禁带)与空穴结合，会发与空穴结合，会发生半导体发光。生半导体发光。不过不过n半导体导带中有自由电子，价带中无空半导体导带中有自由电子，价带中无空穴，所以不会发光。穴，所以不会发光。p半导体价带中有空穴自，导带中无由电子，半导体价带中有空穴自，导带中无由电子，所以也不会发光。所以也不会发光。n与与p半导体结合成为半导体结合成为p-n结，则在结，则在p-n结处使得结处使得电子与空穴复合发光。电子与空穴复合发光。普通要在普通要在p-n结处施加一个小正向偏压。结处施加一个小正向偏压。第96页3.5光导电现象光导电现象因为光激发造成自由电子和空穴均能够成为载因为光激发造成自由电子和空穴均能够成为载流子，对光导电产生贡献。流子，对光导电产生贡献。半导体材料中载流子存在激发，复合，俘获等半导体材料中载流子存在激发，复合，俘获等现象。现象。被光激发载流子，能够被复合中心毁灭，也会被光激发载流子，能够被复合中心毁灭，也会在被毁灭前在外电场作用下运动一段距离。在被毁灭前在外电场作用下运动一段距离。外电场强度加大，则自由电子漂移距离就增大外电场强度加大，则自由电子漂移距离就增大第97页LEDSolar Cell3.5PN器件器件:LED和太阳能和太阳能Cell发光二极管发光二极管(LED)转换电为光输出转换电为光输出:electroninphotonout生活光源生活光源,低能耗低能耗,集成设计集成设计.应用应用:交通指示和汽车照明交通指示和汽车照明,大型显示器大型显示器.太阳能电池太阳能电池转换光为电输出转换光为电输出:photon