光dianzi 学-第三章

1、半导体发光器件半导体发光器件半导体材料的基本性质半导体材料的基本性质半导体材料的分类半导体材料的分类n晶体是由原子或分子在空间按一定规律周期性地重复排晶体是由原子或分子在空间按一定规律周期性地重复排列构成的固体物质，具有规则几何外形列构成的固体物质，具有规则几何外形。n半导体材料的分类半导体材料的分类结构类型结构类型晶胞类型晶胞类型半导体材料半导体材料金刚石型金刚石型面心立方晶体面心立方晶体SiSi，金刚石，金刚石，GeGe闪锌矿型闪锌矿型面心立方晶体面心立方晶体GaAsGaAs，ZnOZnO，GaNGaN，SiCSiC纤锌矿型纤锌矿型六方晶体六方晶体InNInN，GaNGaN，ZnOZnO，

2、SiCSiC按有无杂质分类：本征半导体和杂质半导体按有无杂质分类：本征半导体和杂质半导体按元素种类分类：元素半导体和化合物半导体按元素种类分类：元素半导体和化合物半导体n制造半导体器件所用的材料大多是单晶体。制造半导体器件所用的材料大多是单晶体。半导体材料的基本性质半导体材料的基本性质半导体的能带结构半导体的能带结构原子能级能带允带禁带允带允带禁带n当当N个原子互相靠近结合成晶体个原子互相靠近结合成晶体后，每个电子都要受到周围原子势后，每个电子都要受到周围原子势场的作用，其结果是每一个原来孤场的作用，其结果是每一个原来孤立的能级分裂成彼此相距很近的立的能级分裂成彼此相距很近的N个能级，准连续的

3、，可看作一个能个能级，准连续的，可看作一个能带。带。n制造半导体器件所用的单晶体由靠的很密的原子周期性重复排列而成，相邻原子制造半导体器件所用的单晶体由靠的很密的原子周期性重复排列而成，相邻原子间距只有零点几个纳米。由于原子间距离很小，原来孤立原子的各个能级将发生不间距只有零点几个纳米。由于原子间距离很小，原来孤立原子的各个能级将发生不同程度的交叠。同程度的交叠。n相邻原子距离越近，能带宽度相邻原子距离越近，能带宽度越大。能量越低的态，能带宽度越大。能量越低的态，能带宽度越小。越小。 演示半导体材料的电子状态半导体材料的电子状态半导体材料的基本性质半导体材料的基本性质Eg 6 eVEg绝缘体绝

4、缘体半导体半导体价带价带导带导带导体导体n固体按其导电性分为：导体、固体按其导电性分为：导体、 半导体、绝缘体。半导体、绝缘体。valence band : the highest band containing e-conduction band : the band e- in which can conduct net current价带价带导带导带满带满带半满带半满带1.电子在核外排列先分布在低能级轨道上电子在核外排列先分布在低能级轨道上, 使整个原子系统能量最低；使整个原子系统能量最低；2.Pauli不相容原理：每个原子轨道中最多容纳两个自旋方式相反的电子；不相容原理：每个原子轨道中

5、最多容纳两个自旋方式相反的电子；3.Hund 规则：规则：在能级简并的轨道上，电子尽可能自旋平行地分占不同的轨道在能级简并的轨道上，电子尽可能自旋平行地分占不同的轨道。 全充满、半充满、全空的状态比较稳定全充满、半充满、全空的状态比较稳定。n电子分布原则：电子分布原则：Ex. C crystal : 1s2 2s2 2p2碳晶体是导体？碳晶体是导体？碳晶体是绝缘体！碳晶体是绝缘体！轨道杂化作用轨道杂化作用IV族元素晶体的导电性能族元素晶体的导电性能 半导体材料的基本性质半导体材料的基本性质n价带顶部的电子被激发到导带后，价带中就留下一个空状态，把价带中空着的价带顶部的电子被激发到导带后，价带中

6、就留下一个空状态，把价带中空着的状态看成是带正电的粒子，称为状态看成是带正电的粒子，称为空穴空穴。空穴不仅有正电荷。空穴不仅有正电荷q，还具有正的有效，还具有正的有效质量。质量。半导体中的载流子半导体中的载流子电子和空穴电子和空穴n价带顶部的电子被激发到导带后，形成了传导价带顶部的电子被激发到导带后，形成了传导电子电子，传导电子参与导电，电子带，传导电子参与导电，电子带有负电荷有负电荷q，还具有负的有效质量。，还具有负的有效质量。半导体中的杂质和缺陷半导体中的杂质和缺陷n本征半导体：由单一元素组成的结构完整的半导体晶体。本征半导体：由单一元素组成的结构完整的半导体晶体。 其中自由电子数目其中自

7、由电子数目n和空穴数目和空穴数目p一一对应，数量相等一一对应，数量相等np。N型半导体中，自由电子浓度远大于空穴的浓度，即型半导体中，自由电子浓度远大于空穴的浓度，即 n p 。P型半导体中，空穴浓度远大于自由电子的浓度，即型半导体中，空穴浓度远大于自由电子的浓度，即 p n 。n实际的半导体晶格结构并不是完整无缺的，而是存在着各种缺陷：点缺陷、线缺实际的半导体晶格结构并不是完整无缺的，而是存在着各种缺陷：点缺陷、线缺陷和面缺陷。陷和面缺陷。半导体材料的基本性质半导体材料的基本性质n杂质半导体：为了控制半导体的性质而人为的掺入杂质的半导体晶体。杂质半导体：为了控制半导体的性质而人为的掺入杂质的

8、半导体晶体。 分为：分为：N型半导体和型半导体和P型半导体。型半导体。N型半导体型半导体n在硅或锗的晶体中掺入少量的在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价杂质元素，即构成价杂质元素，即构成 N 型半导体型半导体(或称电子型半或称电子型半导体导体)。常用的。常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。价杂质元素有磷、锑、砷等。 V族杂质在硅中电离时，能够释放族杂质在硅中电离时，能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心，称为施主杂质。电子而产生导电电子并形成正电中心，称为施主杂质。l多余的价电子束缚在正电中心多余的价电子束缚在正电中心P的周围，但这种束缚的周围，但这种束缚作用比共价键的弱得多，只要很少的能量

9、就可以使它摆作用比共价键的弱得多，只要很少的能量就可以使它摆脱束缚，形成导电电子。脱束缚，形成导电电子。l使价电子摆脱束缚所需要的能量称为施主杂质电离能使价电子摆脱束缚所需要的能量称为施主杂质电离能半导体材料的基本性质半导体材料的基本性质ECEVEDEgDEEV 价带能级价带能级EC 导带能级导带能级ED 施主能级施主能级Eg 带隙宽度带隙宽度P型半导体型半导体n在硅或锗的晶体中掺入少量的在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素，即构成价杂质元素，即构成 P 型半导体型半导体(或称空穴型半或称空穴型半导体导体)。常用的。常用的 3 价杂质元素有硼、铝、镓、铟等。价杂质元素有硼、铝、镓、铟等。

10、 III族杂质在硅中电离时，能够族杂质在硅中电离时，能够释放空穴而产生导电空穴并形成负电中心，称为受主杂质。释放空穴而产生导电空穴并形成负电中心，称为受主杂质。l多余的空穴束缚在负电中心多余的空穴束缚在负电中心Al的周围，但这种束缚作的周围，但这种束缚作用比共价键的弱得多，只要很少的能量就可以使它摆脱用比共价键的弱得多，只要很少的能量就可以使它摆脱束缚，形成导电空穴。束缚，形成导电空穴。l使空穴摆脱束缚所需要的能量称为受主杂质电离能使空穴摆脱束缚所需要的能量称为受主杂质电离能EV 价带能级价带能级EC 导带能级导带能级EA 受主能级受主能级Eg 带隙宽度带隙宽度半导体材料的基本性质半导体材料的

11、基本性质半导体中载流子的态密度半导体中载流子的态密度 n电子的态密度电子的态密度r(Er(E) )定义为：在晶体的单位体积内，能量处于定义为：在晶体的单位体积内，能量处于E E和和E E+dE之间的状态之间的状态数目，数目，可视为能量可视为能量E的状态数目。的状态数目。n设导带底的能量为设导带底的能量为EC，价带顶的能量为，价带顶的能量为Ev，则导带和价带的能量的态密度为：，则导带和价带的能量的态密度为：l价带电子态密度随能量增大而减小价带电子态密度随能量增大而减小l导带电子态密度随能量增大而增大导带电子态密度随能量增大而增大半导体材料的基本性质半导体材料的基本性质半导体材料的基本性质半导体材

12、料的基本性质n电子在允带能级上的分布遵守电子在允带能级上的分布遵守Fermi-Dirac 分布：分布：1()1exp()Ff EEEKTf(E)称为费米分布函数，称为费米分布函数，EF为费米能级为费米能级电子占据能量为电子占据能量为E能级的几率为：能级的几率为：半导体中载流子的统计分布规律费米能级半导体中载流子的统计分布规律费米能级费米能级费米能级EF和温度、半导体材料的导电类型、和温度、半导体材料的导电类型、杂质的含量以及能量零点的选取有关杂质的含量以及能量零点的选取有关费米能级标志了电子填充能级的水平费米能级标志了电子填充能级的水平,处于热处于热平衡状态的电子系统有统一的费米能级平衡状态的

13、电子系统有统一的费米能级半导体材料的基本性质半导体材料的基本性质半导体中载流子的统计分布规律半导体中载流子的统计分布规律n载流子的统计分布规律载流子的统计分布规律：电子：电子：空穴：空穴：n热平衡状态下导带中的电子浓度和价带中的空穴浓度分别为：热平衡状态下导带中的电子浓度和价带中的空穴浓度分别为：()()3233232,22,2FcccdevFvvdhEEnN ExpNm KTKThEEpN ExpNm KTKTh2gcviEnpN N ExpKTnni称为本征载流子浓度，是一个只和材料本身性质及热平衡温度有关的量称为本征载流子浓度，是一个只和材料本身性质及热平衡温度有关的量.温度一定时，两种

14、载流子浓度乘积等于本征浓度的平方。温度一定时，两种载流子浓度乘积等于本征浓度的平方。热平衡统计热平衡统计分布方程分布方程半导体中的平衡载流子半导体中的平衡载流子温度一定、无外界能量激发温度一定、无外界能量激发n掺杂半导体：掺杂半导体：半导体材料的基本性质半导体材料的基本性质n半导体中的电中性条件：半导体中的电中性条件：整块半导体的正电荷量与负电荷量恒等。整块半导体的正电荷量与负电荷量恒等。N型半导体中有型半导体中有nN=pN+ND, , pN(pN+ND)=ni2 P型半导体中有型半导体中有pP=nP+NA , nP(nP+NA)=ni2 000exp()exp()exp()exp()FNcF

15、cFNFFNFNcciEEEEEEEEnNNnKTKTKTKT000exp()exp()exp()exp()vFPvFFFPFFPPvviEEEEEEEEpNNnKTKTKTKT重掺杂半导体：重掺杂半导体：N型半导体中有型半导体中有nN=ND,P型半导体中有型半导体中有pP=NAn本征半导体：本征半导体：n0p0=ni2,本征半导体费米能级位于禁带中心本征半导体费米能级位于禁带中心EF0附近附近N型半导体费米能级靠近导带底型半导体费米能级靠近导带底 P型半导体费米能级靠近价带顶型半导体费米能级靠近价带顶N型半导体中有型半导体中有P型半导体中有型半导体中有非平衡载流子的复合发光非平衡载流子的复合

16、发光有外界能量作用有外界能量作用n平衡载流子的跃迁是一种热跃迁，由平衡载流子复合时放出的能量激发出新的平平衡载流子的跃迁是一种热跃迁，由平衡载流子复合时放出的能量激发出新的平衡载流子，复合和激发处于动态平衡的过程。衡载流子，复合和激发处于动态平衡的过程。平衡载流子复合不会产生光辐射。平衡载流子复合不会产生光辐射。半导体材料的基本性质半导体材料的基本性质n非平衡载流子的寿命：从非平衡分布恢复到平衡态分布的时间。非平衡载流子的寿命：从非平衡分布恢复到平衡态分布的时间。寿命越短，复寿命越短，复合机率越大。合机率越大。n当有外界能量注入时，半导体中电子空穴对的产生率超过复合率，形成相对平当有外界能量注

17、入时，半导体中电子空穴对的产生率超过复合率，形成相对平衡分布过剩的非平衡载流子。衡分布过剩的非平衡载流子。只有非平衡载流子的复合才会产生光辐射。只有非平衡载流子的复合才会产生光辐射。非平衡态载流子的寿命与平衡载流子的浓度成反比，非平衡态载流子的寿命与平衡载流子的浓度成反比，掺杂可提高复合机率。掺杂可提高复合机率。非平衡态载流子的寿命与注入载流子的浓度成反比，非平衡态载流子的寿命与注入载流子的浓度成反比，强注入可提高复合机率强注入可提高复合机率。带间复合发光带间复合发光直接跃迁与间接跃迁直接跃迁与间接跃迁n价带的电子跃迁到导带时，只要求能量的改变，而电子的准动量不发生变化，价带的电子跃迁到导带时

18、，只要求能量的改变，而电子的准动量不发生变化，称为直接跃迁。直接跃迁对应的半导体材料称为直接禁带半导体。例：称为直接跃迁。直接跃迁对应的半导体材料称为直接禁带半导体。例：GaAs，GaN，ZnO。n价带的电子跃迁到导带时，不仅要求电子的能量要改变，电子的准动量也要改价带的电子跃迁到导带时，不仅要求电子的能量要改变，电子的准动量也要改变，称为间接跃迁。间接跃迁对应的半导体材料称为间接禁带半导体。例：变，称为间接跃迁。间接跃迁对应的半导体材料称为间接禁带半导体。例：Si，Ge半导体材料的基本性质半导体材料的基本性质化合物半导体材料一般都是直接跃迁，化合物半导体材料一般都是直接跃迁，发光性能好。，发

19、光性能好。l直接复合直接复合高效率（仅有光子参与的高效率（仅有光子参与的电子跃迁）电子跃迁） l间接复合间接复合低效率（有光子和声子同低效率（有光子和声子同时参与的电子跃迁）时参与的电子跃迁）非平衡载流子的复合发光非平衡载流子的复合发光n非平衡载流子的辐射复合的形式分为：非平衡载流子的辐射复合的形式分为：半导体材料的基本性质半导体材料的基本性质n非平衡载流子的无辐射复合非平衡载流子的无辐射复合带间复合带间复合能带局域能级的复合能带局域能级的复合施主受主对的复合施主受主对的复合激子复合激子复合 等电子中心复合等电子中心复合温度淬灭温度淬灭温度越高，深能级对发光的淬灭越强，最终导致发光淬灭温度越高

20、，深能级对发光的淬灭越强，最终导致发光淬灭浓度淬灭浓度淬灭多数载流子浓度越高，俄歇效应越强，最终抑制辐射跃迁。多数载流子浓度越高，俄歇效应越强，最终抑制辐射跃迁。多声子过程多声子过程载流子通过深能级复合时，辐射能量会转化为声子形式载流子通过深能级复合时，辐射能量会转化为声子形式俄歇效应俄歇效应载流子复合时把放出的能量转移给其他的载流子载流子复合时把放出的能量转移给其他的载流子n非平衡载流子的无辐射复合会降低发光效率非平衡载流子的无辐射复合会降低发光效率半导体光电子器件基础半导体光电子器件基础PN结结PN结的形成结的形成半导体光电子器件基础半导体光电子器件基础PN结结nPN结少子注入：由于结少子

21、注入：由于PN结势垒降低，结势垒降低，N区电子可以进一步扩散到区电子可以进一步扩散到P区，从而破区，从而破坏了坏了P区少子的平衡，产生了非平衡少子，同样区少子的平衡，产生了非平衡少子，同样P区的空穴进入区的空穴进入N区，在区，在N区也产区也产生了非平衡少子。生了非平衡少子。PN结少子注入复合发光结少子注入复合发光nPN结正向偏置结正向偏置P区接正电极，区接正电极，N区接负电极区接负电极少子注入破坏了结区平衡状态，少子注入破坏了结区平衡状态，导带和价带内的载流子各自迅导带和价带内的载流子各自迅速建立起自己的平衡状态速建立起自己的平衡状态nPN结正向偏置结正向偏置gg半导体光电子器件基础半导体光电

22、子器件基础heterojunction半导体异质结（半导体异质结（heterojunction） n异质结：由不同的半导体材料组成的结，导电类型即可相同（异质结：由不同的半导体材料组成的结，导电类型即可相同（PPorNN）,也可相也可相反（反（pn ）。）。l电子从电子从N区向区向P区的注入比空穴从区的注入比空穴从P区区向向N区的注入大得多，大大提高了注入效区的注入大得多，大大提高了注入效率，从而提高了发光效率。率，从而提高了发光效率。n同质结：由同一种半导体材料组成的导电类型相反的结（同质结：由同一种半导体材料组成的导电类型相反的结（PN结）结）n异质异质PN结：结：半导体光电子器件基础半导

23、体光电子器件基础PP结结l耗尽层在宽禁带材料一侧。耗尽层在宽禁带材料一侧。l电子或是空穴均是从宽禁带材料电子或是空穴均是从宽禁带材料一侧向窄禁带材料一侧扩散。一侧向窄禁带材料一侧扩散。半导体异质结（半导体异质结（heterojunction） n异质异质PP结：结：半导体光电子器件基础半导体光电子器件基础结结双异质结（双异质结（Double Heterostructures） n外加正向偏压后，异质外加正向偏压后，异质PN结在提高结在提高电子从区向区注入的同时，限制了电子从区向区注入的同时，限制了空穴从空穴从P区向区向N区的扩散，利于中间复区的扩散，利于中间复合发光区载流子浓度的提高。合发光区

24、载流子浓度的提高。n在在PP结区，异质结提高了空穴从宽禁结区，异质结提高了空穴从宽禁带材料一侧向窄禁带材料注入的效率，带材料一侧向窄禁带材料注入的效率，同时限制了电子从中间区向宽带区的扩同时限制了电子从中间区向宽带区的扩散，利于中间复合发光区载流子浓度的散，利于中间复合发光区载流子浓度的提高。提高。n在整个双异质在整个双异质PPN结内，电子的复合结内，电子的复合区域被限制在中间层，有效提高了复合区域被限制在中间层，有效提高了复合区的发光密度。同时辐射出的光子不会区的发光密度。同时辐射出的光子不会被两边宽禁带材料吸收。被两边宽禁带材料吸收。n形成了波导，起到限制光场的作用。形成了波导，起到限制光

25、场的作用。半导体光电子器件基础半导体光电子器件基础Manufacturing of Semiconductor Optoelectronic Devices 晶格失配导致界面缺陷存在，影响复合发光。半导体光电子器件基础半导体光电子器件基础量子阱量子阱量子阱结构（量子阱结构（Quantum Wells） n一般的半导体光电子元件都采用如前所述的三一般的半导体光电子元件都采用如前所述的三明治结构。发光区都在中间层的窄禁带材料内。明治结构。发光区都在中间层的窄禁带材料内。如果减小中间层厚度，可以有效地提高中间层如果减小中间层厚度，可以有效地提高中间层的载流子浓度，提高发光效率。的载流子浓度，提高发光

26、效率。n当中间层厚度减小至与电子或空穴的德布罗意当中间层厚度减小至与电子或空穴的德布罗意波长可比时（波长可比时（ Ec, EFp Egaa结区粒子数实现反转结区粒子数实现反转 n受激辐射大于受激吸收受激辐射大于受激吸收 aa光放大光放大 半导体光电子器件半导体光电子器件LDLD中的谐振腔中的谐振腔 n解离面形成反射面解离面形成反射面 ( 30% 反射率反射率 )n腔纵模条件腔纵模条件 :2mLn半导体光电子器件半导体光电子器件LD阈值电流阈值电流 n泵浦机制泵浦机制 : 正向偏压正向偏压 n阈值电流阈值电流 Ith: G Gthth = d dl aa光增益阈值光增益阈值 aaI Ithth半

27、导体光电子器件半导体光电子器件LDn降低阈值电流降低阈值电流 Ith的方法：的方法：(1) 限制载流子限制载流子 (2) 限制光子限制光子降低阈值电流的结构：降低阈值电流的结构：双异质结双异质结 double heterostructuredouble heterostructure半导体光电子器件半导体光电子器件LDLD的激光模式的激光模式与光束发散角与光束发散角n激光模式依赖于激光模式依赖于介质的增益曲线和谐振腔的特性介质的增益曲线和谐振腔的特性n谐振腔长度谐振腔长度L 决定纵模分布，横截面决定纵模分布，横截面W & HW & H决定横模分布决定横模分布n减小横截面减小横截

28、面 W & Haa基横模基横模TEM00 输出输出n光束发散角：光束发散角：120 xd半导体光电子器件半导体光电子器件LDLD的光谱特性的光谱特性 n光谱主频率由介质能级结构决定光谱主频率由介质能级结构决定nLD的光谱特点：的光谱特点： 低注入电流低注入电流 aa多模输出多模输出 高注入电流高注入电流 aa单模输出单模输出 nP0 aa Tj aaEgaa0半导体光电子器件半导体光电子器件LD分布布拉格反射型分布布拉格反射型-Distributed Bragg Reflector Laser Dioden单模输出单模输出 : 0.1 nm n选模原理选模原理 aa反射光栅反射光栅半导

29、体光电子器件半导体光电子器件LD分布布拉格反馈型分布布拉格反馈型-Distributed Feedback Laser Dioden选模原理：利用周期结构的布拉格反射建立腔内光反馈选模原理：利用周期结构的布拉格反射建立腔内光反馈n输出频率由波纹结构的周期决定输出频率由波纹结构的周期决定n反向传输的行波相互耦合成驻波，实现了无反射面的光反馈反向传输的行波相互耦合成驻波，实现了无反射面的光反馈2qn 半导体光电子器件半导体光电子器件LDLD的复合腔选模的复合腔选模 n复合腔增大了纵模间隔，实现单模输出复合腔增大了纵模间隔，实现单模输出半导体光电子器件半导体光电子器件LD垂直腔面发射型垂直腔面发射型

30、- -Vertical Cavity Surface Emitting Lasern谐振腔方向沿电流方向谐振腔方向沿电流方向 n腔选模条件腔选模条件 :11222n dn d半导体光电子器件半导体光电子器件LD量子阱结构量子阱结构- Single Quantum Well Structure n双异质结结构的中间层非常薄双异质结结构的中间层非常薄 ( 10 nm ) aa电子运动被限制在二维薄层内电子运动被限制在二维薄层内n电子态密度变化呈阶梯状分布电子态密度变化呈阶梯状分布 半导体光电子器件半导体光电子器件LD多量子阱结构多量子阱结构 nQW lasers 优点优点 : 1. 阈值电流更低阈

31、值电流更低 2. 单色性更好单色性更好nMQW 更易实现单模输出更易实现单模输出半导体光电子器件半导体光电子器件Light Emitting Diodes 半导体光电子器件半导体光电子器件LEDLED的研发史的研发史nLED的的研发研发主要取决于发光材料的研发进展主要取决于发光材料的研发进展 半导体光电子器件半导体光电子器件LEDLED的发光材料的发光材料选取选取n发光材料的选取依据发光材料的选取依据 :(2) appropriate substrate(1) Eg of the material(3) availability of heterostructures半导体光电子器件半导体光电

32、子器件LED典型典型LED发光材料的特性参数发光材料的特性参数1. GaAs-Ga1-xAlxAs: Eg=1.424+1.247x (0 x0.35) 0.6um0.9um2. InP-In1-xGaxAsyP1-y: Eg=1.35-1.89x+1.48x2-0.56x3 0.9um107um3. GaP+GaAs -GaAs1-xPx: 0.5um0.7um半导体光电子器件半导体光电子器件LED典型典型LED发光材料的特性参数发光材料的特性参数半导体光电子器件半导体光电子器件LEDLED的伏安特性的伏安特性n低偏压时，无辐射复合过程主导电流低偏压时，无辐射复合过程主导电流 exp ( qV/2kBT ) n高偏压时，辐射复合过程主导电流高偏压时，辐射复合过程主导电流 exp ( qV/kBT ) 半导体光电子器件半导体光电子器件LEDLED的操作电压的操作电压 n操作电压：对于典型尺寸的操作电压：对于典型尺寸的LED ( 300m mm x 300 mm )，当操作电流为，当操作电流为20毫安