本科固體物理課程論文pn結(jié)場致發(fā)光

1、本科固體物理課程論文pn結(jié)的場致發(fā)光姓名： 班級：學(xué)號：專業(yè)： 學(xué)院： PN結(jié)的場致發(fā)光一、前言：隨著社會的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的提高，LED照明技術(shù)逐漸發(fā)展起來。LED技術(shù)的發(fā)展，將會使我們?nèi)祟惖纳畎l(fā)生很大的變化，對人類社會也將產(chǎn)生巨大的影響。LED是發(fā)光二級管LightEmitting Diode英文的簡稱，是一種可將電能變?yōu)楣饽艿囊环N器件，屬于固態(tài)光源。世界上于1960 年前后制成GaP 發(fā)光二極管，于1970 年后開始進入市場，當(dāng)時的LED 以紅色為主，由于光效率較低，光通量很小，因此只能在電器設(shè)備和儀器儀表上作為指示燈使用。隨著管芯材料、結(jié)構(gòu)、封裝技術(shù)和驅(qū)動電路技術(shù)的不斷進步LED 光色

2、種類的增加，發(fā)光效率和光能量的提高，目前LED 已在科研和生產(chǎn)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，產(chǎn)業(yè)建設(shè)快速發(fā)展，市場應(yīng)用數(shù)量增長迅猛。尤其是近年來高光效、高亮度的白色LED 的開發(fā)成功，使得LED 在照明領(lǐng)域的應(yīng)用成為可能。人們普遍認(rèn)為，LED 在不久的將來將部分代替?zhèn)鹘y(tǒng)的白熾燈、熒光燈和高強度氣體放電燈，成為一種新型的照明光源，那將是一場照明領(lǐng)域的革命。二：原理1、pn結(jié)Pn結(jié)是發(fā)光二級管的主要部件，下面先介紹一下pn結(jié)的結(jié)構(gòu)及特性。（1）載流子的轉(zhuǎn)移用摻雜的方法使同一塊半導(dǎo)體中一部分區(qū)域為P型區(qū)另一部分區(qū)為N型區(qū)，在界面處就形成了pn結(jié)。P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合后，由于N型區(qū)內(nèi)電子很多而空穴很少，

3、而型區(qū)內(nèi)空穴很多電子很少，在它們的交界處就出現(xiàn)了電子和空穴的濃度差別。為了達到熱平衡狀態(tài)，就會出現(xiàn)載流子的轉(zhuǎn)移：電子從功函數(shù)小的半導(dǎo)體發(fā)射到功函數(shù)大的半導(dǎo)體去，或者載流子從濃度大的一邊擴散到濃度小的一邊去。對于同質(zhì)結(jié)而言，載流子的轉(zhuǎn)移機理主要是濃度梯度所引起的擴散；對于異質(zhì)結(jié)（例如Si-Ge異質(zhì)結(jié)，金屬-半導(dǎo)體接觸）而言，載流子的轉(zhuǎn)移機理則主要是功函數(shù)不同所引起的熱發(fā)射。（圖a）（2）空間電荷和內(nèi)建電場的產(chǎn)生同質(zhì)p-n結(jié)的形成：在p型半導(dǎo)體與n型半導(dǎo)體的接觸邊緣附近處，當(dāng)空穴從p型半導(dǎo)體擴散到n型半導(dǎo)體一邊去了之后，結(jié)果在p型半導(dǎo)體中留下了不能移動的電離受主中心負離子中心，同理由于n型半導(dǎo)體中

4、的電子向p型半導(dǎo)體一邊擴散，結(jié)果在n型半導(dǎo)體中留下了不能移動的電離施主中心正離子中心。這就意味著，在p型半導(dǎo)體一邊多出了負電荷，在n型半導(dǎo)體一邊多出了正電荷，這些由電離雜質(zhì)中心和載流子所提供的多余電荷即稱為空間電荷，它們都局限于接觸邊緣附近處，以電偶極層的形式存在。由于在兩種半導(dǎo)體接觸邊緣的附近處存在著正、負空間電荷分列兩邊的偶極層，所以就產(chǎn)生出一個從n型半導(dǎo)體指向p型半導(dǎo)體的電場內(nèi)建電場。在此，內(nèi)建電場僅局限于空間電荷區(qū)范圍以內(nèi)，在空間電荷區(qū)以外都是不存在電場的電中性區(qū)。（圖b）（3）p-n結(jié)的勢壘和能帶因為在p-n結(jié)界面附近處存在著內(nèi)建電場，而該內(nèi)建電場的方向正好是阻擋著空穴進一步從p型半

5、導(dǎo)體擴散到n型半導(dǎo)體去，同時也阻擋著電子從n型半導(dǎo)體進一步擴散到p型半導(dǎo)體去。于是從能量上來看，由于空間電荷-內(nèi)建電場的出現(xiàn)，就使得電子在p型半導(dǎo)體一邊的能量提高了，同時空穴在n型半導(dǎo)體一邊的能量也提高了；而在界面附近處產(chǎn)生出了一個阻擋載流子進一步擴散的勢壘p-n結(jié)勢壘。根據(jù)內(nèi)建電場所引起的這種能量變化關(guān)系，即可畫出p-n結(jié)的能帶圖，如圖(c)所示。在達到熱平衡之后，兩邊的Fermi能級（EF）是拉平（統(tǒng)一）的。能帶的傾斜就表示著電場的存在。（圖c）（4）pn結(jié)特性Pn結(jié)最主要的特性是正向?qū)?，反向截止，下圖是其伏安特性曲線2、發(fā)光原理半導(dǎo)體發(fā)光二極管的發(fā)光為注入式場致發(fā)光，是一種固體在電場作

6、用下直接發(fā)光的一種現(xiàn)象。半導(dǎo)體發(fā)光二極管發(fā)光原理：發(fā)光二極管是由 簇化合物，如GaP（磷化鎵）、GaAsP（磷砷化鎵）等半導(dǎo)體制成的。發(fā)光二極管的核心部分是由P 型半導(dǎo)體和N 型半導(dǎo)體組成的晶片，在P 型半導(dǎo)體和N 型半導(dǎo)體之間有一個過渡層，稱為PN 結(jié)，因此它具有一般PN 結(jié)的I-U 特性，即正向?qū)?，反向截止，擊穿特性；此外在一定的條件下，它還具有發(fā)光特性。制作半導(dǎo)體發(fā)光二極管的材料是重摻雜的，熱平衡狀態(tài)下的N 區(qū)有很多遷移率很高的電子，P 區(qū)有較多的遷移率較低的空穴。由于PN 結(jié)阻擋層的限制，在常態(tài)下，二者不能發(fā)生自然復(fù)合。當(dāng)在發(fā)光二極管PN 結(jié)上加正向電壓時，空間電荷層變窄，載流子擴散

7、運動大于漂移運動，致使P 區(qū)的空穴注入N 區(qū)，N 區(qū)的電子注入P 區(qū)。于是在PN 結(jié)附近稍偏于P 區(qū)一邊的地方，處于高能態(tài)的電子與空穴相遇復(fù)合時會把多余的能量釋放并以發(fā)光的形式表現(xiàn)出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)化成光能，這種復(fù)合所發(fā)出的光屬于自發(fā)輻射。當(dāng)在發(fā)光二極管的PN 結(jié)上加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。如下圖二極管發(fā)光有二種：第一種是注入的電子與價帶空穴的復(fù)合是在P 區(qū)中發(fā)生，則可直接復(fù)合產(chǎn)生發(fā)光；或者注入的電子先被發(fā)光中心捕獲后，再與空穴復(fù)合發(fā)光，這種情況下發(fā)出的光為可見光。第二種是注入的電子有一些被非發(fā)光中心捕獲，而后再與空穴復(fù)合，由于釋放的能量不大，雖然能夠發(fā)光，但所發(fā)出的光是不

8、可見的，即不可見光。發(fā)光的復(fù)合量相對于非發(fā)光復(fù)合量的比例越大，光量子效率越高。由于復(fù)合是在擴散區(qū)內(nèi)發(fā)光的，所以光僅在靠近PN 結(jié)數(shù)mm 以內(nèi)產(chǎn)生。發(fā)光的波長取決于材料的價帶寬度，所以選用不同價帶寬度的半導(dǎo)體材料，就可以制造出發(fā)光顏色不同的發(fā)光二極管?，F(xiàn)在常見的有紅、黃、綠、藍發(fā)光二極管，其中藍色發(fā)光二極管生產(chǎn)的技術(shù)要求較高，因此價格高，使用不是很普遍。發(fā)光二極管發(fā)光亮度可以通過工作電壓（電流）的大小來調(diào)節(jié)，在很寬的工作電流范圍內(nèi)，發(fā)光二極管的發(fā)光亮度與工作電流大小成線性關(guān)系。LED構(gòu)造：3、LED光分類及所用材料(1)藍光LED主要采用GaN類半導(dǎo)體。(2)紅光LED 20世紀(jì)60年代初。當(dāng)時

9、所用的半導(dǎo)體材料是磷砷化鎵（GaAsP）20世紀(jì)80年代初，研制出使用半導(dǎo)體材料為砷鋁化鎵（GaAlAs）的紅光LED，光效率達到10 lm/W。90年代初，發(fā)紅光、黃光的鎵鋁銦磷（GaAlInP）新材料的研制成功，使LED的光效率得到大幅度提高.2000年，紅光LED的光效率達到100 lm/W。(3)綠光LED 當(dāng)前綠光LED器件的材料基礎(chǔ)是III族氮化物半導(dǎo)體，也就是GaN為主，氮化銦（InN）、氮化鋁（AlN）為輔的四元鋁鎵銦氮（AlGaInN）合金體系。(4)紅外LED紅外發(fā)光二極管通常使用砷化鎵（GaAs）、砷鋁化鎵（GaAlAs）等材料，采用全透明或淺藍色、黑色的樹脂封裝。(5)

10、紫外LED紫外LED可與熒光體組合發(fā)出可視光的LED，例如將紅色、綠色和藍色熒光體與紫外LED組合，可獲得白色LED。紫外LED主要采用GaN類半導(dǎo)體。(6)白光LED白光LED 主要是利用藍色LED 為基礎(chǔ)光源,將藍色LED 發(fā)光的一部分藍光用來激發(fā)熒光粉,使熒光粉發(fā)出黃綠光或紅光和綠光, 另一部分藍光透射出來, 由熒光粉的黃綠色光或紅和綠光與透射的藍光組成白光。三、LED優(yōu)點（1）安全、節(jié)能、不引起環(huán)境污染LED的正向工作電壓低,由此工作安全性好。LED的發(fā)光效率很高要達到相同的照明度，消耗的電能只有白熾燈的10%。白熾燈工作的過程中，發(fā)出過多的熱量，影響環(huán)境溫度；熒光燈、汞燈等光源中含有危害人體健康的汞，在發(fā)光過程和廢棄的燈管都會對人體的人身健康和環(huán)境造成危害，而LED則沒有這些問題，是一種無污染的光源。（2）壽命長、響應(yīng)快LED的壽命可達到210萬小時,壽命長。，LED 發(fā)光的響應(yīng)快，它的響應(yīng)時間為納秒級，熒光燈一般為毫秒級。（3）體積小、結(jié)構(gòu)牢固LED 是用環(huán)氧樹脂封裝固態(tài)光源，其結(jié)構(gòu)既不象白熾燈有玻璃泡、燈絲等易損壞部件，也不象熒光燈有體積大的燈管和附件，它是一種全固體結(jié)構(gòu)，因此能經(jīng)得起震動、沖擊而不至損壞，而且體積也相對減小，重量也輕，成本低。(4)單色性強、無頻閃現(xiàn)象。目前在這一領(lǐng)域中已開發(fā)出單色性好的紅、橙、黃、藍、綠LED