本科固体物理课程论文pn结场致发光

1、本科固体物理课程论文pn结的场致发光姓名： 班级：学号：专业： 学院： PN结的场致发光一、前言：随着社会的发展和科学技术的提高，LED照明技术逐渐发展起来。LED技术的发展，将会使我们人类的生活发生很大的变化，对人类社会也将产生巨大的影响。LED是发光二级管LightEmitting Diode英文的简称，是一种可将电能变为光能的一种器件，属于固态光源。世界上于1960 年前后制成GaP 发光二极管，于1970 年后开始进入市场，当时的LED 以红色为主，由于光效率较低，光通量很小，因此只能在电器设备和仪器仪表上作为指示灯使用。随着管芯材料、结构、封装技术和驱动电路技术的不断进步LED 光色

2、种类的增加，发光效率和光能量的提高，目前LED 已在科研和生产领域得到了广泛的应用，产业建设快速发展，市场应用数量增长迅猛。尤其是近年来高光效、高亮度的白色LED 的开发成功，使得LED 在照明领域的应用成为可能。人们普遍认为，LED 在不久的将来将部分代替传统的白炽灯、荧光灯和高强度气体放电灯，成为一种新型的照明光源，那将是一场照明领域的革命。二：原理1、pn结Pn结是发光二级管的主要部件，下面先介绍一下pn结的结构及特性。（1）载流子的转移用掺杂的方法使同一块半导体中一部分区域为P型区另一部分区为N型区，在界面处就形成了pn结。P型半导体和N型半导体结合后，由于N型区内电子很多而空穴很少，

3、而型区内空穴很多电子很少，在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差别。为了达到热平衡状态，就会出现载流子的转移：电子从功函数小的半导体发射到功函数大的半导体去，或者载流子从浓度大的一边扩散到浓度小的一边去。对于同质结而言，载流子的转移机理主要是浓度梯度所引起的扩散；对于异质结（例如Si-Ge异质结，金属-半导体接触）而言，载流子的转移机理则主要是功函数不同所引起的热发射。（图a）（2）空间电荷和内建电场的产生同质p-n结的形成：在p型半导体与n型半导体的接触边缘附近处，当空穴从p型半导体扩散到n型半导体一边去了之后，结果在p型半导体中留下了不能移动的电离受主中心负离子中心，同理由于n型半导体中

4、的电子向p型半导体一边扩散，结果在n型半导体中留下了不能移动的电离施主中心正离子中心。这就意味着，在p型半导体一边多出了负电荷，在n型半导体一边多出了正电荷，这些由电离杂质中心和载流子所提供的多余电荷即称为空间电荷，它们都局限于接触边缘附近处，以电偶极层的形式存在。由于在两种半导体接触边缘的附近处存在着正、负空间电荷分列两边的偶极层，所以就产生出一个从n型半导体指向p型半导体的电场内建电场。在此，内建电场仅局限于空间电荷区范围以内，在空间电荷区以外都是不存在电场的电中性区。（图b）（3）p-n结的势垒和能带因为在p-n结界面附近处存在着内建电场，而该内建电场的方向正好是阻挡着空穴进一步从p型半

5、导体扩散到n型半导体去，同时也阻挡着电子从n型半导体进一步扩散到p型半导体去。于是从能量上来看，由于空间电荷-内建电场的出现，就使得电子在p型半导体一边的能量提高了，同时空穴在n型半导体一边的能量也提高了；而在界面附近处产生出了一个阻挡载流子进一步扩散的势垒p-n结势垒。根据内建电场所引起的这种能量变化关系，即可画出p-n结的能带图，如图(c)所示。在达到热平衡之后，两边的Fermi能级（EF）是拉平（统一）的。能带的倾斜就表示着电场的存在。（图c）（4）pn结特性Pn结最主要的特性是正向导通，反向截止，下图是其伏安特性曲线2、发光原理半导体发光二极管的发光为注入式场致发光，是一种固体在电场作

6、用下直接发光的一种现象。半导体发光二极管发光原理：发光二极管是由 簇化合物，如GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的。发光二极管的核心部分是由P 型半导体和N 型半导体组成的晶片，在P 型半导体和N 型半导体之间有一个过渡层，称为PN 结，因此它具有一般PN 结的I-U 特性，即正向导通，反向截止，击穿特性；此外在一定的条件下，它还具有发光特性。制作半导体发光二极管的材料是重掺杂的，热平衡状态下的N 区有很多迁移率很高的电子，P 区有较多的迁移率较低的空穴。由于PN 结阻挡层的限制，在常态下，二者不能发生自然复合。当在发光二极管PN 结上加正向电压时，空间电荷层变窄，载流子扩散

7、运动大于漂移运动，致使P 区的空穴注入N 区，N 区的电子注入P 区。于是在PN 结附近稍偏于P 区一边的地方，处于高能态的电子与空穴相遇复合时会把多余的能量释放并以发光的形式表现出来，从而把电能直接转化成光能，这种复合所发出的光属于自发辐射。当在发光二极管的PN 结上加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。如下图二极管发光有二种：第一种是注入的电子与价带空穴的复合是在P 区中发生，则可直接复合产生发光；或者注入的电子先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光，这种情况下发出的光为可见光。第二种是注入的电子有一些被非发光中心捕获，而后再与空穴复合，由于释放的能量不大，虽然能够发光，但所发出的光是不

8、可见的，即不可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN 结数mm 以内产生。发光的波长取决于材料的价带宽度，所以选用不同价带宽度的半导体材料，就可以制造出发光颜色不同的发光二极管。现在常见的有红、黄、绿、蓝发光二极管，其中蓝色发光二极管生产的技术要求较高，因此价格高，使用不是很普遍。发光二极管发光亮度可以通过工作电压（电流）的大小来调节，在很宽的工作电流范围内，发光二极管的发光亮度与工作电流大小成线性关系。LED构造：3、LED光分类及所用材料(1)蓝光LED主要采用GaN类半导体。(2)红光LED 20世纪60年代初。当时

9、所用的半导体材料是磷砷化镓（GaAsP）20世纪80年代初，研制出使用半导体材料为砷铝化镓（GaAlAs）的红光LED，光效率达到10 lm/W。90年代初，发红光、黄光的镓铝铟磷（GaAlInP）新材料的研制成功，使LED的光效率得到大幅度提高.2000年，红光LED的光效率达到100 lm/W。(3)绿光LED 当前绿光LED器件的材料基础是III族氮化物半导体，也就是GaN为主，氮化铟（InN）、氮化铝（AlN）为辅的四元铝镓铟氮（AlGaInN）合金体系。(4)红外LED红外发光二极管通常使用砷化镓（GaAs）、砷铝化镓（GaAlAs）等材料，采用全透明或浅蓝色、黑色的树脂封装。(5)

10、紫外LED紫外LED可与荧光体组合发出可视光的LED，例如将红色、绿色和蓝色荧光体与紫外LED组合，可获得白色LED。紫外LED主要采用GaN类半导体。(6)白光LED白光LED 主要是利用蓝色LED 为基础光源,将蓝色LED 发光的一部分蓝光用来激发荧光粉,使荧光粉发出黄绿光或红光和绿光, 另一部分蓝光透射出来, 由荧光粉的黄绿色光或红和绿光与透射的蓝光组成白光。三、LED优点（1）安全、节能、不引起环境污染LED的正向工作电压低,由此工作安全性好。LED的发光效率很高要达到相同的照明度，消耗的电能只有白炽灯的10%。白炽灯工作的过程中，发出过多的热量，影响环境温度；荧光灯、汞灯等光源中含有危害人体健康的汞，在发光过程和废弃的灯管都会对人体的人身健康和环境造成危害，而LED则没有这些问题，是一种无污染的光源。（2）寿命长、响应快LED的寿命可达到210万小时,寿命长。，LED 发光的响应快，它的响应时间为纳秒级，荧光灯一般为毫秒级。（3）体积小、结构牢固LED 是用环氧树脂封装固态光源，其结构既不象白炽灯有玻璃泡、灯丝等易损坏部件，也不象荧光灯有体积大的灯管和附件，它是一种全固体结构，因此能经得起震动、冲击而不至损坏，而且体积也相对减小，重量也轻，成本低。(4)单色性强、无频闪现象。目前在这一领域中已开发出单色性好的红、橙、黄、蓝、绿LED