半导体照明技术(第六讲)孟

1、 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术第四章第四章 半导体的激发与发光半导体的激发与发光 半导体发光二极管能将电能直接转变为光能。其原理是电半导体发光二极管能将电能直接转变为光能。其原理是电能造成比热平衡时更多的电子和空穴，同时，由于复合而减能造成比热平衡时更多的电子和空穴，同时，由于复合而减少电子和空穴，造成新的热平衡，在复合过程中，能量以光少电子和空穴，造成新的热平衡，在复合过程中，能量以光的形式放出。的形式放出。 本章主要介绍本章主要介绍PNPN结及其特性、注入载流子的复合、异质结结及其特性、注入载流子的复合、异质结构等构等内容。内容。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术一、半

2、导体基础知识一、半导体基础知识（一）半导体的晶体结构（一）半导体的晶体结构 硅和锗是四价元素，在原硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子子最外层轨道上的四个电子称为称为价电子价电子。它们分别与周。它们分别与周围的四个原子的价电子形成围的四个原子的价电子形成共价键共价键。共价键中的价电子。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。有序的晶体。 硅原子空间排列硅原子空间排列及共价键结构平面示意图及共价键结构平面示意图共价键共价键第一节第一节 半导体半导体PNPN结及其特性结及其特性 半半 导导 体体 照照 明

3、明 技技 术术（二）本征半导体（二）本征半导体: : 纯净的结构完整的半导体。纯净的结构完整的半导体。 本征半导体特性：本征半导体特性：（1）热力学温度为）热力学温度为0K时，几乎不导电。时，几乎不导电。（2）光激发、热激发和掺入杂质可以使其导电能力增加。对）光激发、热激发和掺入杂质可以使其导电能力增加。对 应的导电元器件分别是光敏元件、热敏元件、晶体管。应的导电元器件分别是光敏元件、热敏元件、晶体管。（三）半导体的导电原理（三）半导体的导电原理 1、电子、电子 当半导体处于热力学温度当半导体处于热力学温度0K时，没有自由电子。当温度升时，没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增

4、高，有的价电子可以挣脱高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚而参与导电，成为原子核的束缚而参与导电，成为自由电子自由电子。 这一现象称为这一现象称为本征激发本征激发，也称也称热激发热激发。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术2 2、空穴、空穴 自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个个空位空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴空穴。3 3、电子空穴

5、对、电子空穴对 因热激发而出现的因热激发而出现的自自由电子和空穴是同时成对由电子和空穴是同时成对出现的出现的，称为，称为电子空穴对电子空穴对。游离的部分自由电子落入游离的部分自由电子落入未饱和共价键，未饱和共价键，则则电子空电子空穴成对消失，称为穴成对消失，称为复合复合。本征激发和复合的过程 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 因五价杂质原子中只因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子个半导体原子中的价电子形成共价键，而形成共价键，而多余的一多余的一个价电子个价电子因无共价键束缚因无共价键束缚而而很容易形成自由电子很容易形成自由电子。（四）杂质

6、（四）杂质半导体半导体1、N型半导体型半导体 四价的本征半导体四价的本征半导体(Si(Si、GeGe等等) )，掺入少量，掺入少量五价的杂质五价的杂质元素元素( (如如P P、AsAs等等) )形成电子型半导体，称形成电子型半导体，称N N型半导体型半导体。也称也称电子型半导体电子型半导体。 N型半导体结构示意图 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 在在N N型半导体中型半导体中自由自由电子是多数载流子电子是多数载流子, ,它主要由它主要由杂质原子提杂质原子提供；供；空穴是少数载流子空穴是少数载流子, , 由热激发形成。由热激发形成。 提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为提供自由电

7、子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子正离子，因，因此五价杂质原子也称为此五价杂质原子也称为施主杂质施主杂质。2 2、P P型半导体型半导体 在本征半导体中掺入三价在本征半导体中掺入三价杂质元素杂质元素( (如硼如硼BB、铟、铟InIn等等) )形成了形成了P P型半导体，型半导体，也称也称为为空穴型半导体空穴型半导体。因三价杂因三价杂质原子在与硅原子形成共价质原子在与硅原子形成共价键时，键时，缺少一个价电子缺少一个价电子而在而在共价键中共价键中留下一个空穴留下一个空穴。 P型半导体的结构示意图 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术P型半导体中型半导体中空穴是多数载流子空穴是多数载流子，主

8、要由掺杂形成；主要由掺杂形成； 电子是少数载流子电子是少数载流子，由热激发形成。由热激发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子负离子，三价杂质因，三价杂质因而也称为而也称为受主杂质受主杂质。 3 3、N N型化合物半导体型化合物半导体例如，化合物例如，化合物GaAsGaAs中掺中掺Te(Te(碲碲 ) )，六价的，六价的TeTe替代五价的替代五价的AsAs可可形成施主能级，形成施主能级，成为成为n n型型GaAsGaAs杂质半导体。杂质半导体。4 4、P P型化合物半导体型化合物半导体例如，化合物例如，化合物 GaAsGaAs中掺中掺ZnZn，二价的，

9、二价的ZnZn替代三价的替代三价的GaGa可形成可形成受主能级，受主能级，成为成为p p型型GaAsGaAs杂质半导体。杂质半导体。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术二、二、PNPN结及其特性结及其特性 P-N结结阻阻EN型型P型型（一）（一）PNPN结的形成结的形成 N型半导体和型半导体和P P型半导体的结合面上型半导体的结合面上由于区的电子向区扩散，区的由于区的电子向区扩散，区的空穴向区扩散，空穴向区扩散，在交界面附近产生在交界面附近产生了一个电场，称为了一个电场，称为内建场内建场。内建场阻。内建场阻止电子和空穴进一步扩散，记作止电子和空穴进一步扩散，记作 。 最后最后,多子的多子

10、的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达达到到动态平衡动态平衡。对于。对于P型半导体和型半导体和N型半型半导体结合面，离子薄层形成的导体结合面，离子薄层形成的空间电空间电荷区荷区称为称为PN结结。在空间电荷区，由于。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称缺少多子，所以也称耗尽层耗尽层。阻E 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术2、PN结处存在电势差结处存在电势差Uo。 也阻止也阻止N N区区带负电的电子进带负电的电子进一步向一步向P P区区扩散。扩散。 它阻止它阻止P P区区带正电的空穴进带正电的空穴进一步向一步向N N区区扩散；扩散；U00eU电子能级电子能级电势曲线电势曲线电子电势能曲线电子

11、电势能曲线P-N结结 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 3、由于由于PNPN结的存在，结的存在，电子电子的能量应考虑的能量应考虑到到势垒带来的势垒带来的附加附加势能势能，使电子能带出现弯曲。使电子能带出现弯曲。空带空带空带空带p-n结结0eU 施主能级施主能级受主能级受主能级满带满带满带满带 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术1 1、结的单向导电性、结的单向导电性（）（） 正向偏压正向偏压在结的在结的P型区型区接电源正极，接电源正极，N型型区接负极叫区接负极叫正向正向偏压。偏压。阻挡层势垒被削弱、变窄，阻挡层势垒被削弱、变窄，有利于空穴向有利于空穴向N区运动，电子向区运动，电子向

12、P区运动，形成正向电流区运动，形成正向电流(m级级)， PN结表现为小电阻结表现为小电阻。Ep型型n型型I阻阻E（二）（二）PNPN结的特性结的特性 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术外加正向电压越大，外加正向电压越大，正向电流也越大，正向电流也越大，而且是呈非线性的而且是呈非线性的伏安特性伏安特性(图为锗管图为锗管)。V（伏）（伏）（毫安）（毫安）正向正向00.21.0I 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术（）（） 反向偏压反向偏压在结的在结的P型区接电源负极，型区接电源负极，N型区接电源正极，型区接电源正极，叫叫反向偏压反向偏压。 阻挡层势垒增大、变宽，阻挡层势垒增大、变宽，不

13、利于空穴向区运动，不利于空穴向区运动，也不利于电子向也不利于电子向P区运动，区运动，没有正向电流。没有正向电流。 PN结表现结表现为大电阻。为大电阻。 但是，由于少数载流子但是，由于少数载流子的存在，会形成很弱的反的存在，会形成很弱的反向电流，这个电流也称为向电流，这个电流也称为反向饱和电流反向饱和电流。Ep型型n型型I阻阻E 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术PN结正偏时，结正偏时，呈现低电阻，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；具有较大的正向扩散电流； IFRFII 由此可以得出结论：由此可以得出结论：PN结具结具有单向导电性。有单向导电性。反反偏偏PNPN结反偏时，结反偏时，呈现高

14、电阻，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。具有很小的反向漂移电流。IR 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术2 2、PNPN结的反向击穿特性结的反向击穿特性 当加到当加到PN结上结上的反向电压增大到的反向电压增大到某个数值时，反向某个数值时，反向电流急剧增加，这电流急剧增加，这种现象称为种现象称为PN结的结的反向击穿反向击穿。击穿电压击穿电压V(伏伏)I-（微安）（微安）反向反向-20-30 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术（1 1）电击穿（可逆）电击穿（可逆） 齐纳齐纳(Zener(Zener) )击穿：击穿： 较强的内电场将空间电荷区共价键中的价电子拉出。产较强的内电场将空间电

15、荷区共价键中的价电子拉出。产生大量的电子空穴对，使空间电荷区的高阻性变差而击穿。生大量的电子空穴对，使空间电荷区的高阻性变差而击穿。掺杂浓度高易击穿。掺杂浓度高易击穿。雪崩击穿：雪崩击穿： 少数载流子在强电场作用下碰撞电离并产生连锁效应，少数载流子在强电场作用下碰撞电离并产生连锁效应，造成空间电荷区中的载流子数目剧增，使造成空间电荷区中的载流子数目剧增，使IsIs突然增大。突然增大。（2 2）热击穿（不可逆）热击穿（不可逆）反向电压反向电压 反向电流反向电流 结温结温 热激发热激发 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术3、PN结的电容效应结的电容效应 在在PN结内的耗尽层中，存在相对的正负

16、电荷，根据外加电压结内的耗尽层中，存在相对的正负电荷，根据外加电压能改变耗尽层的宽度，因而电容量也随之变化，因此能改变耗尽层的宽度，因而电容量也随之变化，因此PN结具有结具有的电容效应。的电容效应。在突变结的情况下：在突变结的情况下：210)1 (VCCj310)1 (VCCj在缓变结的情况下：在缓变结的情况下：式中式中C0是无外加电压时耗尽层的电容量。是无外加电压时耗尽层的电容量。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术第二节第二节 注入载流子的复合注入载流子的复合一、复合的种类一、复合的种类 复合分为两大类，一个是伴随光的辐射的复合复合分为两大类，一个是伴随光的辐射的复合(辐射型复合辐射

17、型复合)；一个是不伴随光辐射的复合一个是不伴随光辐射的复合(非辐射型复合非辐射型复合)。前者是由于空穴和。前者是由于空穴和电子的复合以光能的形式辐射能量，即对发光二极管来说是有用电子的复合以光能的形式辐射能量，即对发光二极管来说是有用的复合，不伴随光辐射的复合对发光二极管来说是有害的复合。的复合，不伴随光辐射的复合对发光二极管来说是有害的复合。二、辐射型复合，二、辐射型复合， 1、直接跃迁和间接跃迁、直接跃迁和间接跃迁 在导带底的电子落到满带，与空穴复合时，最初的状态和最在导带底的电子落到满带，与空穴复合时，最初的状态和最后的状态的能量差以光的形式辐射。分为直接跃迁型和间接跃迁后的状态的能量差

18、以光的形式辐射。分为直接跃迁型和间接跃迁型。型。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术对于对于直接跃迁型辐射直接跃迁型辐射，如果辐射光的频率为，如果辐射光的频率为，则：，则：21EEhv对于对于间接跃迁型辐射间接跃迁型辐射，如果辐射光的频率为，如果辐射光的频率为，则：，则：KEEhv21式中，式中，K K为声子的能量，也就是晶格振动的热能。为声子的能量，也就是晶格振动的热能。注：声子注：声子就是晶格振动的简正模就是晶格振动的简正模能量量子能量量子。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术2 2、通过杂质能级的复合、通过杂质能级的复合 首先含有杂质的半导体在常温附近大部分的杂质被离子化首先

19、含有杂质的半导体在常温附近大部分的杂质被离子化, ,在空的杂质能级上导带的电子被俘获在空的杂质能级上导带的电子被俘获；其次，必须使杂质的能其次，必须使杂质的能级俘获的电子再吸收热能，在回到导带之前和空穴复合。级俘获的电子再吸收热能，在回到导带之前和空穴复合。3 3、相邻能级的复合、相邻能级的复合 电子的波动函数跨越两个能级，引起电子的跃迁，这样两电子的波动函数跨越两个能级，引起电子的跃迁，这样两个能级间的能量差以光的形式辐射出来。个能级间的能量差以光的形式辐射出来。4 4、激子复合、激子复合 （1 1）激子：）激子：激子是库仑引力束缚在一起的电子激子是库仑引力束缚在一起的电子空穴对，也空穴对，

20、也是一种激发的能量状态。自由激子能在晶体内部运动，而束缚是一种激发的能量状态。自由激子能在晶体内部运动，而束缚激子则可受到施主、受主、等电子陷阱、晶体缺陷激子则可受到施主、受主、等电子陷阱、晶体缺陷等等的束缚。的束缚。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 （2 2）在半导体晶体中，除了固定在晶格原子上的电子和能自由）在半导体晶体中，除了固定在晶格原子上的电子和能自由地在晶体中运动的电子外，还有处于它们中间能量的固定在格子地在晶体中运动的电子外，还有处于它们中间能量的固定在格子上的电子，这就是上的电子，这就是处于激发态的电子处于激发态的电子，随之与空穴产生空穴，随之与空穴产生空穴电电子对，

21、这个激子就可因扩散而转移到另一个原子上去。子对，这个激子就可因扩散而转移到另一个原子上去。这个带有这个带有能量的电子能量的电子空穴对由于复合释放出能量，以光的形式向外辐射。空穴对由于复合释放出能量，以光的形式向外辐射。（如（如GaPGaP发红光、绿光）发红光、绿光）三、非辐射型复合三、非辐射型复合1 1、阶段地放出声子的复合、阶段地放出声子的复合 作为半导体发光材料，从发光波长来考虑，禁带宽度必须在作为半导体发光材料，从发光波长来考虑，禁带宽度必须在1eV1eV以上，而声子的能量在以上，而声子的能量在0.06eV0.06eV左右，导带的电子落入满带时左右，导带的电子落入满带时, ,电子的能量假

22、如全部生成声子，则必须有电子的能量假如全部生成声子，则必须有2020个以上的声子生成，个以上的声子生成，这么多的声子同时生成的概率几乎等于零。因此，声子也就阶段这么多的声子同时生成的概率几乎等于零。因此，声子也就阶段性地产生。性地产生。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术2、俄歇过程、俄歇过程 电子能量变换成热能的过程称为电子能量变换成热能的过程称为俄歇过程。俄歇过程。它是非辐射型的它是非辐射型的复合过程。俄歇过程是在自由载流子的浓度比较高的情况下和有复合过程。俄歇过程是在自由载流子的浓度比较高的情况下和有晶格缺陷的情况下发生。晶格缺陷的情况下发生。3、表面复合、表面复合 在晶体表面，可

23、以想象到存在着比内部还要多的缺陷，因此，在晶体表面，可以想象到存在着比内部还要多的缺陷，因此，在表面引起的各种非辐射性复合的概率比晶体内部还要高。在表面引起的各种非辐射性复合的概率比晶体内部还要高。 发光二极管的发光效率、寿命、可靠性都与表面密切相关。发光二极管的发光效率、寿命、可靠性都与表面密切相关。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术第三节第三节 辐射与非辐射复合之间的竞争辐射与非辐射复合之间的竞争 少数载流子既可辐射复合也可非辐射复合，二者之间的竞少数载流子既可辐射复合也可非辐射复合，二者之间的竞争决定了发光二极管的内量子效率。争决定了发光二极管的内量子效率。KTEEnNpNLtItiexp110由式可见，发光中心密度大，非辐射复合中心密度小，发光中由式可见，发光中心密度大，非辐射复合中心密度小，发光中心浅、自由电子密度越大，则内量子效率越高。心浅、自由电子密度越大，则内量子效率越高。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术第四节第四节 异质结构异质结构 异质结异质结是由两块不同带隙能量的单晶半导体连接而成的。是由两块不同带隙能量的单晶半导体连接而成的。异质结分为同型（异质结分为同型（n-nn-n或或p-pp-p）和异型（）和异型（p-np-n）异质结两种）异质结两种。理。理想异质结的界面是突