半导体物理第十章

半导体物理第十章第一页，共四十五页，2022年，8月28日光电子器件：光子担任主要角色的电子器件发光器件：将电能转换为光能发光二极管(LightEmittingDiode，缩写为LED)半导体激光器太阳能电池：将光能转换为电能光电探测器：利用电子学方法检测光信号的器件。第二页，共四十五页，2022年，8月28日辐射跃迁与光的吸收

吸收自发辐射受激辐射原子的能态光探测器和太阳电池受激辐射速率+自发辐射速率=吸收速率发光二极管激光二极管稳态时：在固体中，光子和电子之间的相互作用有三种基本过程：吸收、自发发射和受激发射。第三页，共四十五页，2022年，8月28日pn结注入式场致发光原理半导体发光包括激发过程和复合过程。这两个过程衔接，是发光必不可少的两个环节。在pn结上施加正偏压，产生注入效应，使结区及其左右两边各一个少子扩散长度范围内的少子浓度超过其热平衡少子浓度。超过部分就是由电能激发产生的处于不稳定高能态的非平衡载流子，它们必须通过第二过程：复合，达到恒定正向注入下的新稳态。第四页，共四十五页，2022年，8月28日复合分为辐射复合和非辐射复合。辐射复合过程中，自由电子和空穴具有的能量将变成光而自然放出。非辐射复合过程中，释放的能量将转变为其它形式的能，如热能。因此，为提高发光效率应尽量避免非辐射复合。辐射复合的几条途径是：带-带复合、浅施主-价带或导带-浅受主间复合、施-受主之间复合、通过深能级复合、激子复合等。激子复合：如果半导体吸收能量小于禁带宽度的光子，电子被从价带激发。但由于库仑作用，它仍然和价带中留下的空穴联系起来，形成束缚状态。这种被库仑能束缚在一起的电子-空穴对称为激子。激子作为一个整体，可以在晶体中自由运动。由于在整体上它是电中性的，因此激子的运动不会引起电流。激子是一个能量系统，这种束缚态可以把能量以辐射的方式或非辐射方式重新释放出来。第五页，共四十五页，2022年，8月28日发光二极管：靠注入载流子自发复合而引起的自发辐射；非相干光。半导体激光器则是在外界诱发的作用下促使注入载流子复合而引起的受激辐射；相干光，具有单色性好、方向性强、亮度高等特点。10.1发光器件第六页，共四十五页，2022年，8月28日(1)发光二极管（LED）

发光二极管称作LED（LightEmittingDiode）。LED低电压、低功耗下发光，远比白炽灯寿命长，响应速度也快。如下图所示，使用LED的各种指示灯、七段数字显示器和文字阵列、图形显示器等被广泛应用在家电产品、玩具直到产业设备等各个领域。第七页，共四十五页，2022年，8月28日特征参数：I-V特征：与普通二极管基本一致。开启电压低。

量子效率：注入的载流子复合产生光量子的效率。

外量子效率：单位时间内输出二极管的光子数目与注入的载流子数目之比。内量子效率：单位时间内半导体的辐射复合产生的光子数目与注入的载流子数目之比。第八页，共四十五页，2022年，8月28日LED的结构及工作原理低辉度发光的同质结结构

由于紧靠pn结附近发出的光从单晶出来到外部之前被吸收掉的比例高，所以发光效率低。LED都采用pn结或异质结的注入式场致发光的方法发光。第九页，共四十五页，2022年，8月28日当阳极加正电压、阴极加负电压时，发光二极管正向偏置，则n区自由电子通过pn结向p区移动，p区空穴通过pn结向n区移动。此时，自由电子和空穴的一部分因复合而消失。光的波长根据pn结处禁带宽度来确定，禁带宽度越大波长越短。即发光的波长即“色”取决于材料。第十页，共四十五页，2022年，8月28日高辉度发光的异质结结构异质结结构是一种将禁带宽度窄的活性层用禁带宽的包覆层从两侧夹住的结构。一侧包覆层是p型材料，另一侧包覆层为n型材料，活性层可以为p型或n型任何一种。当加正向偏压时，在p型包覆层和活性层之间形成对于电子的电势垒，在n型包覆层和活性层之间形成对于空穴的电势垒，阻挡了电子和空穴的相互扩散。由于活性层中电子和空穴的密度变高产生了抑制效应，在此状态下，电子和空穴能实现有效的复合。因此，异质结比同质结结构发光效率高。第十一页，共四十五页，2022年，8月28日LED主要分为可见光和近红外光两类。下图为一些有代表性的发光二极管的相对发光光谱响应。图中虚线表示人眼对可见光的相对灵敏度，其最大灵敏度在＝0.55m的绿光。LED的分类第十二页，共四十五页，2022年，8月28日可见光发光二极管常用的材料是掺杂的间接跃迁材料GaP以及GaP与GaAs的混晶材料GaAs1-xPx。GaP是一种间接带隙半导体，虽然带－带辐射跃迁效率比直接带隙材料GaAs的低得多，但是通过掺杂，发光效率比其它间接带隙的高。第十三页，共四十五页，2022年，8月28日如掺氮是GaP发绿光的最主要机构。扩散Zn也可发绿光。掺铋是GaP发橙光的最主要机构。掺Zn-O是GaP发红光的最主要机构。实际上，在同一发光管中，有可能同时存在几种发光中心，只是以一种为主，其它发光比较微弱而已。

各种掺杂的GaP的辐射复合第十四页，共四十五页，2022年，8月28日GaAs1-xPx是由直接带隙型GaAs和间接带隙型GaP组成的混晶。当混晶比x<0.45时，混晶属直接跃迁，发红光。当混晶比x>0.45时，混晶属间接跃迁，性质接近GaP。随着x的增大，发光波长缩短，从橙色光变成绿光。第十五页，共四十五页，2022年，8月28日光子从pn结结面发射到所有方向上，可是，仅有一部分光子能从半导体表面透出，达到人眼中。损失部分由三种原因造成：LED材料的本征吸收损失；反射损失；临界角损失。图(a)GaAs衬底对发射光不透明，因而，它对LED结面向下发射及反射的光子的本征吸收损失高达85%左右，而图(b)中透明的GaP衬底底部镀上反射电极，只有25%左右被吸收掉，大部分发射光子被反射向上，因而可以极大地提高发光效率。第十六页，共四十五页，2022年，8月28日为了消除发射光子的临界损失并降低光发散度，可以改进LED管芯几何形状的设计，图（a）的矩形截面可以改成下图所示的三种截面形状：半球形、截球形和抛物体形。LED的三种截面设计不同截面LED的发光强度角分布曲线显然，抛物体形发光强度角分布最佳。第十七页，共四十五页，2022年，8月28日GaN—第三代半导体的曙光第一代材料：Si、Ge第二代材料：GaAs、InP、GaP第三代材料：SiC、ZnSe、GaN宽禁带半导体材料具有禁带宽度大，电子漂移饱和速度高，介电常数小，导热性能好等特点，非常适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件；而利用其特有的禁带宽度，还可以制作蓝、绿光和紫外光的发光器件和光探测器件。第十八页，共四十五页，2022年，8月28日21世纪绿色照明－白光LED半导体晶体管以及集成电路的发明和发展使计算机成为人类社会不可或缺的东西，这数得上是２０世纪最重要的技术革命。那么，半导体引起的下一个技术革命将是什么呢？那就是半导体灯。半导体照明灯将逐步取代电真空灯泡和日光灯管，成为又一个影响人类社会物质文明的电子革命的产物。半导体灯小巧、可靠、寿命长、低压、省电、节能等占尽了优点。普通灯泡只能用1000小时，GaN白光LED灯可用10万小时，可以说人的一生从建房开始装上就不用再更换了，而且半导体灯消耗的电能只是白炽灯的10％～25％。第十九页，共四十五页，2022年，8月28日目前利用LED实现白光主要有两种方法，一是利用蓝光LED芯片和荧光粉制备的白光LED产品；另一种是利用红色、绿色、蓝色LED制备LED白光组件。国际上比较活跃的是第一种方法。日本和美国有多家公司推出了白光LED产品，目前日本日亚公司的水平最高。第二十页，共四十五页，2022年，8月28日白光LED的基本原理白光LED主要利用蓝光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，由荧光粉和黄绿光或红光和绿光与透射的蓝光组成白光。由发光峰值在430nm或470nm的蓝光LED与黄绿色（580nm）荧光粉组成白光称其为二基色白光LED。由发光峰值在430nm或470nm的蓝光LED与红色（650nm）和绿光（540nm）组成的白光其为三基色白光LED。荧光粉的要求是荧光粉的激发波长与发光二极管的发射波长相匹配，以确保获得很高的转换效率。同时要求荧光粉的发光与蓝光LED的发光可以配成白光。第二十一页，共四十五页，2022年，8月28日GaN基发光器件的应用高亮度蓝光LED的商品化使动态信息显示平板实现全色显示；照明光源实现固体器件化——半导体灯；以高亮度LED取代传统的信号指示灯；应用蓝光LED（LaserDiode）可以大幅度增加信息的光存储密度。第二十二页，共四十五页，2022年，8月28日（2）半导体激光器半导体激光器与发光二极管在于光的放大作用的有无。LED是依据电子与空穴复合时具有的能量来产生光，这个能量是有分布的，发光的波长也分布在一个较宽范围内。半导体激发，电子和空穴的密度一提高就会激励发光，加速了电子和空穴的结合而进入受激发射状态。因为仅仅特定能量的载流子相结合，所以成为单一波长的强光。第二十三页，共四十五页，2022年，8月28日材料要求：直接带隙低界面态异质结构—晶格匹配工作原理：分布反转:电子在较高能级的浓度大于在较低能级的浓度.能带图光约束结构简并型p-n结,正偏时,此区域分布反转.导带中有大量电子,价带中有大量空穴.第二十四页，共四十五页，2022年，8月28日10.2光电探测器光电探测器：对各种光辐射进行接收和探测的器件。热探测器利用探测元吸收入射光(通常是红外光)产生热量，引起温度上升，然后再借助各种物理效应把温度的变化转变成电学参量。光子探测器

利用入射光子与半导体中处于束缚态的电子(或空穴)相互作用，将它们激发为自由态，引起半导体的电阻降低或者产生电动势。第二十五页，共四十五页，2022年，8月28日光电效应

当光照射到某种物体上时，光能量作用于物体而释放出电子的现象称为光电效应。光电效应分为内、外光电效应两大类。第二十六页，共四十五页，2022年，8月28日1、外光电效应—光电发射效应

在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。基于这类效应的器件有光电管、光电倍增管。能否产生光电效应由爱因斯坦光电效应方程判别：从上式可知：当光子能量大于逸出功时，才产生光电效应；当光子能量恰好等于逸出功时的0称为红限频率(对应于长波限)。小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电效应。反之，入射频率高于红限频率，即使光线微弱也会有光电效应。（每个光子具有的能量=电子动能+逸出功）式中：m—电子质量；v—电子逸出速度第二十七页，共四十五页，2022年，8月28日2、内光电效应

受光照物体电导率发生变化或产生光电动势的现象称为内光电效应。

(1)光电导效应

在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态而引起材料电阻率的变化，此现象称为光电导效应。光电导可分为：本征光电导和杂质光电导。第二十八页，共四十五页，2022年，8月28日第二十九页，共四十五页，2022年，8月28日光电导材料的电导率无光照时：σ0=n0qμn+p0qμp(暗电导)有光照时：σ=σ0+Δσpn

其中：Δσpn=Δnqμn+Δpqμp(光电导)第三十页，共四十五页，2022年，8月28日(a)本征光电导只有能量足以使电子越过禁带宽度Eg的光照射时才能出现，相应的长波限：λ0=hc/Eg=1240/Eg(nm)(Eg—(eV)；h—普朗克常数；c—光速)

(b)杂质光电导

长波限则取决于杂质电离能EI：

λ0I=hc/EI=1240/EI(nm)

光电导效应的强弱可用光电导与暗电导的比值来判断：Δσpn/σ0=(Δnμn+Δqμp)/(n0qμn+p0qμp)利用光电导效应可以制造出各种波长范围的光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管和CCD图象传感器。第三十一页，共四十五页，2022年，8月28日(2)光生伏特效应

半导体受光照射产生电势的现象称为光生伏特效应。这里介绍pn结光生伏特效应。光照引起pn结两端产生电动势的现象称为pn结光生伏特效应。当光照射到结区时，产生电子与空穴对，其中电子被内建电场扫向n区、空穴被内建电场扫向p区，电子在n区积累而空穴在p区积累，使pn结两端出现由光照而产生的电动势。第三十二页，共四十五页，2022年，8月28日光照使PN结势垒降低等效于PN结外加正向偏压，它同样能引起P区空穴和N区电子向对方注入，形成正向注入电流。这个电流的方向与光生电流的方向正好相反，称为暗电流，是太阳能电池中的不利因素，应当设法使之减小。太阳电池理想等效电路I-V太阳电池特性：PN结的结电压即为负载R上的电压降。第三十三页，共四十五页，2022年，8月28日P-N结上的电压为

在开路情况下，I=0，得到开路电压（这是太阳电池能提供的最大电压）

在短路情况下（V=0），

这是太阳电池能提供的最大电流。太阳电池向负载提供的功率为第三十四页，共四十五页，2022年，8月28日太阳电池的效率

太阳电池的效率指的是太阳电池的功率转换效率。它是太阳电池的最大输出电功率与入光功率的百分比：

式中为输入光功率，太阳电池的最大输出功率：

第三十五页，共四十五页，2022年，8月28日影响太阳能电池转换效率的主要因素有：表面太阳光的反射、pn结漏电流和寄生串联电阻等第三十六页，共四十五页，2022年，8月28日实际的接触是采用栅格形式。这种结构能够有大的曝光面积，而同时又使串联电阻保持合理的数值。

P上扩散N的硅电池的简单结构串联电阻考虑：提高太阳电池效率的考虑

第三十七页，共四十五页，2022年，8月28日表面反射采用抗反射层：聚光：用聚光器面积代替许多太阳能电池的面积，从而降低太阳能电池造价。它的另一个优点是增加效率。提高太阳电池效率的考虑

第三十八页，共四十五页，2022年，8月28日光子探测器光敏电阻：光敏电阻通常由一块状或薄膜状半导体及其两边的欧姆接触构成。光敏电阻第三十九页，共四十五页，2022年，8月28日光电二极管光电二极管：光电二极管实际上就是一个工作在反向偏置条件下的pn结。

与普通的硅二极管相比，光电二极管的结构特点如下：(a)具有较大的受光面(电极作得较小)，以获得尽可能大的光生电流。(b)pn结做得较浅(一般小于0.1m)，使pn结尽量靠近硅片表面，这样可更充分地利用短波光，从而提高管子的短波响应灵敏度和光电转换效率。(c)选用高阻单晶(大于500Ω.cm)，便可使管芯的耗尽区在加反向电压后扩展到几十微米，从而可以吸收长波光，以提高管子的长波光响应灵敏度。第四十页，共四十五页，2022年，8月28日说明：不同波长的入射光在硅材料中被吸收的情况是不同的，波长短的光容易被硅材料吸收，透入硅中的深度浅；波长长的光不容易被硅材料吸收，因而透入硅中的深度深。但是入射光所产生的光生载流子中