光电子材料与技术-半导体发光材料及器件.ppt

1、光电材料与技术，半导体发光材料与器件，光探测材料与器件，光学显示材料与器件，能带理论，半导体物理基础，半导体发光原理，半导体发光材料光电系统的常见光源，1.1能带理论，孤立原子的能级简并性：原子之间的距离足够远，每个原子都有相同的电子能级结构，这就是简并性。根据玻尔模型，电子在特定的圆形轨道上运动，轨道半径和电子能级是不连续的，表现出离散的量子化特征。1.1能带理论，组成分子的能级分裂：当原子彼此靠近形成分子时，原子之间的距离减小(10-10米)。相互作用增强了最外层电子云的重叠能级分裂，并减轻了简并原子能级分裂成具有不同能量值的几个能级。1.1能带理论，由n个原子(1022)组成的孤立原子的

2、每个能级被分成n个不同的能级。n越大，被每个孤立原子的电子能级分开的不同能级之间的差异越小，形成一组准连续的能级集合能带。e依赖于两个最近的原子，能级分裂成n个相互靠近的能级，简并消失。n个能级构成一个能带，称为允许带，1.1能带理论，一维理想晶体Kronig-Penney(K-P)晶体势场中自由电子的波函数，1.1能带理论，一维理想晶体Kronig-Penney(K-P)晶体势场中自由电子的波函数(自由电子模型):单个电子在平底势阱中的运动(V(x)=0)，1.1能带理论， 一维理想晶体Kronig-Penney(K-P)晶体势场(自由电子模型)中自由电子的波函数：单个电子在平底势阱(V(x

3、)=0)中的运动，类似地，可以推广到三维状态，1.1能带理论布洛赫波函数布洛赫定理表明，在周期场中运动的电子波函数是自由电子波函数和具有周期晶体结构的函数的乘积。1.1能带理论，布洛赫定理在固体问题中，为了同时考虑晶体势场的周期性和晶体的有限性，我们经常合理地采用周期边界条件，将一维晶体的原子序数设置为N，其线性度设置为L=Na，那么布洛赫波函数应满足以下周期边界条件，1.1能带理论，布洛赫定理采用周期边界条件后，一个具有N个格点的晶体相当于一个首尾相连的环。在二维情况下，能带是平面，周期边界条件对波函数中的k有影响。布洛赫波函数的k只能取一些特定的离散值。1.1能带理论，布洛赫定理周期边界条

4、件，1.1能带理论，布洛赫定理周期边界条件在波矢k空间中，状态是分离的(周期边界条件的必然结果)，1.1能带理论，布里渊区(v (x) 0)区边界(k=n/a)有强相干现象，所有反射波。1.1能带理论，晶体中自由电子的Ek分布(k空间)，1.1能带理论，自由电子的波函数在晶体中也具有晶格周期性，同时，通过推导，其能带结构在不同的布里渊区应该是相同的，只有一个相位周期差：2n。可以看出，波矢差为倒格子矢量的波函数都对应相同的能量本征值。因此，第一布里渊区实际上包括所有的电子态数，1.1能带理论，允许带和禁带，1.2半导体的物理基础，半导体的能带结构，相邻能带之间可能存在带隙，电子不能稳定占据，即

5、禁带，宽度Eg，1.2半导体的物理基础，半导体的能带结构处于绝对零度，电子充满能量电子仍然被价带中的原子束缚着。由于热运动等原因，电子摆脱原子束缚，跃迁到价带以上的能带，在整个半导体材料中自由运动。这个能带叫做导带。1.2半导体的物理基础，导体、半导体和绝缘体的能带结构，其能带结构的特征是价带被填满，而其上的导带完全空了，价带和导带之间的禁带很宽。在常温下，价带中的电子很难跳出禁带而进入导带。在一般电压的电场下，价电子得不到足够的能量跃迁到导带并被加速。1.2半导体的物理基础、导体、半导体和绝缘体的能带结构以及禁带宽度都很小。在绝对零度时，半导体的价带充满了电子，而导带完全是空的；在常温下，共

6、享电子可能由于热激发而获得能量，脱离共享的束缚而成为准自由电子，被激发进入导带。同时，一些没有电子的空量子态留在价带中，即空穴。1.2半导体的物理基础，导体、半导体和绝缘体的能带结构有一个未填充的价带结构(c)或导带和全带重叠形成一个统一的未满足的宽能带(d)，因此这些电子在外电场的作用下可以加速形成电流。1.2半导体的物理基础，半导体的能带结构，导带电子、空穴、电子和空穴不仅与半导体的导电性有关，同时，它在能带中的产生、复合和分布也直接与半导体的光学性质有关。1.2半导体的物理基础，本征和非本征半导体本征半导体：纯半导体由于热运动被激发到导带，同时在价带中留下空穴以形成电子-空穴对。电子浓度

7、n等于空穴浓度p.本征半导体载流子少，导电性差，温度稳定性差：在本征半导体中引入一定量的杂质电子浓度N空穴浓度P可以有效地改变半导体的导电性。1.2半导体的物理基础在热平衡条件下，本征半导体和非本征半导体能量为E的能级被电子占据的概率是费米能级不是真实能级，而是描述每个能级中电子分布参数的虚能级。费米能级一般位于禁带内，远离导带底能级Ec和价带顶能级Ev。1.2半导体物理基础，本征和非本征半导体导带底部和价带顶部附近的电子占据概率分别是导带和价带中的电子浓度，1.2半导体物理基础，热平衡条件下的本征和非本征半导体，本征和非本征半导体都满足浓度作用定律。两种载体浓度的乘积是常数。一种载体浓度的增

8、加会降低另一种载体的浓度。1.2半导体物理基础，高浓度非本征半导体的分类称为多数载流子，它是电子的。多数载流子的n型半导体是空穴P型半导体。1.2半导体物理基础：氮型半导体，掺杂少量五价杂质元素，如磷、锑、砷等。在原始晶格中，当杂质原子与周围的四个硅原子形成共价键时，就有一个额外的电子。这个电子只被它自己的原子核吸引，在室温下可以变成自由电子。自由电子没有自由电子的杂质原子被固定在晶格上，不能移动，并带有正电荷，称为正离子。1.2半导体的物理基础在这种杂质半导体中，电子的浓度远远高于空穴的浓度。因为它主要依靠电子传导，所以也被称为电子半导体。五价杂质原子可以提供电子，所以它们被称为don空穴，

9、多数载流子，少数载流子，1.2半导体的物理基础在这种杂质半导体中，空穴的浓度远远高于自由电子的浓度。因此，它也被称为空穴半导体。三价杂质原子产生多余的空穴，起到接受电子的作用，因此它们被称为受体原子。空穴，多数载流子，少数载流子，1.2半导体的物理基础在非本征半导体中，杂质浓度不应破坏半导体的晶体结构，多数载流子的浓度主要取决于掺杂杂质的浓度；而少数载流子的浓度主要取决于温度。非本征半导体的优点：掺杂不同性质和浓度的杂质，以不同的方式结合P型半导体和N型半导体，可以生产出多种不同用途的半导体器件，是制造许多半导体电子和光电器件的基础材料：二极管、三极管、场效应管等电子元件；半导体光电器件，如发

10、光二极管、半导体激光器、光电二极管和太阳能电池。1.2半导体物理学基础，PN结的导电类型及其单侧导电半导体单晶材料在不同区域分别为N型和P型，它们之间的结形成PN结。由于磷区和氮区之间大多数载流子(空穴电子)的浓度不同，两侧的大多数载流子相互扩散并相互复合。P型、N型、1.2半导体物理基础，pn结复合后，其单侧导电，N区一侧的电子浓度降低，只留下一侧不能移动。然而，P区一侧的空穴浓度降低，留下不动的受体离子，呈现局部负电荷区。P型，N型，1.2半导体物理基础，PN结及其单侧导电性由于局部正负电荷的存在，在pn结附近形成一个内建电场，其N区指向P区，阻碍了多数载流子的扩散，使少数载流子相互漂移。

11、Pn结附近载流子耗尽的区域称为空间电荷区，或耗尽区，总体上是电中性的。空间电荷区、硅约为(0.60.8)伏、锗约为(0.20.3)伏、磷型、氮型、1.2半导体物理基础、PN结及其单侧导电性在磷氮结的磷型区被正向偏置，这称为正向偏置。势垒层变弱变窄，有利于空穴向氮区移动，电子向磷区移动，形成正向电流。施加的直流电压越大，正向电流越大，并且具有非线性伏安特性。、I、P型、N型、1.2半导体物理基础、PN结及其单向导电反向偏置连接到电源的负极，在P-N结，这称为反向偏置。阻挡层增加并变宽，这不利于空穴向该区域的移动和电子向该区域的移动，并且没有正向电流。然而，由于少数载流子的存在，将形成非常弱的反向

12、电流，这被称为漏电流(A级)。当外部电场很强，反向电压超过一定值时，反向电流会急剧增加反向击穿。1.2半导体物理基础：直接带隙和间接带隙半导体位置相同，K相同，这意味着导带底部和价带顶部的位置不同，K不同，这意味着间接带隙。1.3半导体发光原理，发光的基本概念以某种方式吸收物质内部的能量并将其转化为光辐射(不平衡辐射)的过程称为发光。被外界激发时会发光的固体被称为发光材料。发光特性：发光是物体热辐射之外的另一种辐射，它不同于热物体，不需要加热冷光有一定的持续时间。1.3半导体发光原理和发光光学的基本概念根据不同的激发方法可以分为光致发光和电致发光。光致发光：一种材料吸收高能光子，然后电子转变为

13、高能态并发光的过程。电致发光：由材料的电流激发引起的发光过程。1.3半导体发光原理，发光的基本概念光致发光是一种物质被外界光激发而发光的现象。它经历了三个阶段：吸收、能量转移和发光。1.3半导体发光的原理，半导体发光的基本半导体材料中的电子将从高能态(导带)转移到低能带，同时，它们将以光子的形式释放多余的能量，这称为辐射跃迁。辐射跃迁过程也是半导体材料的发光过程。1.3半导体发光原理，半导体发光中基本电子的跃迁要求在导带和价带中存在相应的电子-空穴对r过程：光子可以通过电子和空穴的化合物半导体发射，这称为辐射复合(辐射跃迁)NR过程；光子在电子和空穴的复合过程中不发射，它们的能量被晶格振动所消

14、耗，这称为无辐射复合(无辐射跃迁)复合过程：动量守恒，能量守恒，辐射寿命，无辐射寿命，1.3半导体发光原理，半导体发光的基本辐射成分分为受激辐射和自发辐射，这需要受激光子的作用，对应于半导体激光器的电子随机性的辐射过程，对应于半导体发光二极管， 1.3半导体发光原理，半导体发光的基本辐射成分分为受激辐射和自发辐射，这需要受激光子的作用。 与半导体激光器的自发辐射相对应，是一个电子随机性的辐射过程，与半导体发光二极管的辐射光子波长相对应，它是由再检查过程中释放的能量决定的：(1.3)半导体发光原理，考虑辐射和非辐射跃迁过程，单位时间内高能态电子数n的变化可以表示为：辐射和非辐射跃迁寿命由爱因斯坦

15、系数决定，它表示电子通过辐射和非辐射从高能态跃迁到低能态的概率。1.3半导体发光原理，长辐射寿命的材料更适合制作高效率的发光器件，1.3半导体发光原理，半导体发光效率与半导体中能量的弛豫机制有关，发射光谱的形状受能带中电子和空穴的热分布影响，1.3半导体发光原理，半导体的发光过程与半导体中能量的弛豫机制有关。发射光谱的形状受波段中电子和空穴的热分布、半导体材料发射的不同波长的光以及每个波长的强度和带宽的影响。1.3半导体发光原理，基于半导体发光的直接带隙和间接带隙的原理满足守恒定律，1.3半导体发光原理，基于半导体发光的直接带隙的原理，导带底部和价带顶部的波矢量k相同，p相同，电子直接跃迁并发射光子。特点：无声参与，发光效率高，常用于制作高效发光器件。1.3基于直接带隙和间接带隙原理的半导体发光原理，在导带底部和价带顶部有不同的波矢量k和p，这需要声子参与。1.3基于直接带隙和间