半導體光電材料基礎(chǔ)-2

1、半導體光電材料基礎(chǔ)半導體光電材料基礎(chǔ)天津大學材料學院 楊靜2010.10參考書目參考書目l孟慶巨等，半導體器件物理，科學出版社，2009l曾謹言，量子力學導論，北京大學出版社, 1998 l傅竹西， 固體光電子學，中國科技大學出版社，1999 l黃昆原著，韓汝琦改編，固體物理學，高等教育出版社，1988 l姚建銓等，光電子技術(shù)，高等教育出版社，2006l黃書萬，光電材料，上?？茖W技術(shù)出版社，1987l劉恩科等，半導體物理學，西安交通大學出版社，1998l孟憲章等，半導體物理學，吉林大學出版社，1993考核方式：考核方式：l平時成績（20%）：考勤及課堂提問l期末成績（80%）：文獻綜述（紙質(zhì)+

2、PPT） 要求：每位同學從備選題目中選擇其一，查閱相關(guān)文獻，完成文獻綜述報告，并在課上做口頭報告（1520分鐘/人，并回答老師和同學提出的問題）。文獻綜述備選題目：文獻綜述備選題目：l量子點太陽能電池研究進展l量子點生物熒光探針研究進展（可見光量子點、紅外量子點等）l量子點激光器研究進展l半導體超晶格材料研究進展l半導體發(fā)光二極管（LED）研究進展課程主要內(nèi)容：課程主要內(nèi)容：第一章 半導體光電材料概述第二章 半導體中的電子狀態(tài)第三章 雜質(zhì)和缺陷能級第四章 非平衡載流子第五章 PN結(jié)第六章 半導體太陽能電池第七章 發(fā)光二極管和半導體激光器第八章 熒光量子點第九章 超晶格（半導體物理學 孟）能帶理

3、論l周期場中運動的電子的能級形成能帶是能帶論最基本的結(jié)果之一。 l一般地， 標志一個狀態(tài)需要表明： （1）它屬于哪一個能帶； （2）它的簡約波矢 等于什么。kl 近自由電子近似晶體中電子波函數(shù)(r)的求解，需要根據(jù)具體情況的不同采用不同的近似方法。近自由電子近似近自由電子近似在某些晶體中，例如在金屬中，正離子對價電子的束縛很弱，電子的勢能V(r)的周期變化部分與平均動能比較起來要小，因此電子的運動雖受周期勢場的影響，但很接近于自由電子，這樣就把周期勢場作為對自由電子的微擾來處理。(克勒尼希-彭尼)能帶理論l 近自由電子近似它的解就是恒定場 中自由電子的解： 假定周期勢場的起伏比較小，作為零級近

4、似，可以用勢場的平均值 代替V(r)，把周期起伏 作為微擾來處理。V220002VEm VmkEeRrkriknk2,12200V V rV能帶理論l 近自由電子近似 因為周期起伏勢場的微擾作用，E(k)將在k為 處發(fā)生突變：原來較高的能量升高了，原來較低的能量下降排斥作用排斥作用。na能帶理論自由電子近自由電子近似能帶理論l 近自由電子近似能帶( )nEkk和 的關(guān)系能帶理論l緊束縛近似電子緊束縛在原子上的情形，適用于過渡金屬中的3d 電子，及固體中的其他內(nèi)層電子。考慮將孤立原子放到布拉維格子的格點上，形成晶格時，單電子態(tài)發(fā)生的變化。電子的運動類似于孤立原子中束縛電子的情形，把其他原子場的作

5、用看成是微擾作用。出發(fā)點是將晶體中的單電子波函數(shù)看成是N個簡并的原子波函數(shù)的線性組合。能帶理論l 緊束縛近似的主要結(jié)論N個原子放到一起形成晶格時，由于最近鄰原子波函數(shù)的交疊，N重簡并解除，展寬成能帶。由于能帶從原子能級演化而來，能帶常用原子能級的量子數(shù)標記，如3s,3p或3d帶等。電子在能級中的分布l能帶中的電子在能級上的分布服從費米-狄拉克統(tǒng)計，可用費米分布函數(shù)描述。l熱平衡情況下，一個能量為E的量子態(tài)被電子占據(jù)的幾率f(E)為EF 為費米能級。費米能級 EF是反映電子在各個能級中分布情況的參數(shù)。對于具體的電子體系，在一定溫度下，只要確定了EF，電子在能級中的分布情況也就完全確定了。 對于一

6、定的半導體，費米能級隨溫度以及雜質(zhì)的種類和數(shù)量而變化。 費米能級位置較高，說明有較多的能量較高的量子態(tài)上有電子。 在絕對零度（T=0）時，費米能級EF可看成量子態(tài)是否被電子占據(jù)的一個界限。導體、半導體和絕緣體的能帶論解釋EF費米能級金屬半導體絕緣體T=0 時納米材料的四大效應(yīng):小尺寸效應(yīng)、量子限制（尺寸）效應(yīng)、表面效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)。量子限制效應(yīng)量子限制效應(yīng) (QCE，Quantum Confinement Effect)，指固體材料的尺度縮小到一定值時，即在某一維度上可與電子的德布洛意波長或電子平均自由程相比擬或更小時，電子的運動受到局限，電子態(tài)呈量子化分布，連續(xù)的能帶分解為分立的能級

7、。零維量子材料零維量子材料：量子點、納米團簇；一維量子材料一維量子材料：納米線、納米棒；二維量子材料二維量子材料：量子阱結(jié)構(gòu)。在半導體發(fā)光材料中，只有當材料體系尺寸與激子玻爾半徑相近時，才會出現(xiàn)量子限制效應(yīng)。2.3 2.3 量子限制效應(yīng)量子限制效應(yīng)相對于塊體材料，半導體量子材料的吸收藍移；帶隙隨量子材料尺寸的減小而展寬，發(fā)光峰藍移。一個原子大小不同的量子點塊體材料帶隙2.3 2.3 量子限制效應(yīng)量子限制效應(yīng)第三章第三章 雜質(zhì)和缺陷能級雜質(zhì)和缺陷能級3.1 半導體中的雜質(zhì)能級 3.2 III-V族化合物半導體中的雜質(zhì) 3.3 深能級3.4 缺陷能級 實際半導體材料中，存在各種類型的缺陷和雜質(zhì)，其

8、會在半導體中引起附加的勢場，產(chǎn)生局域化的電子態(tài)，使電子和空穴束縛在雜質(zhì)或缺陷周圍，在禁帶中引入雜質(zhì)能級和缺陷能級。雜質(zhì)和缺陷能級的形成雜質(zhì)和缺陷能級的形成本征半導體：完全沒有雜質(zhì)和缺陷的半導體。3.1 3.1 半導體中的雜質(zhì)能級半導體中的雜質(zhì)能級u 施主雜質(zhì)和施主能級、N型半導體 施主雜質(zhì)：雜質(zhì)在帶隙中提供帶有電子的能級。 V族元素在硅和鍺中起施主雜質(zhì)的作用。 含施主雜質(zhì)的半導體主要依靠電子導電，稱為N型半導體。施主電離能能帶中央的能量3.1 3.1 半導體中的雜質(zhì)能級半導體中的雜質(zhì)能級u 受主雜質(zhì)和受主能級、P型半導體 受主：雜質(zhì)在帶隙中提供空的能級。 III族元素在硅和鍺中起受主雜質(zhì)的作用

9、。 含施主雜質(zhì)的半導體主要依靠空穴導電，稱為P型半導體。受主電離能3.1 3.1 半導體中的雜質(zhì)能級半導體中的雜質(zhì)能級 如果半導體中同時含有施主和受主雜質(zhì)，施主雜質(zhì)上的電子首先要填充受主能級，剩余的才能激發(fā)到導帶。施主和受主雜質(zhì)之間的互相抵消作用稱為雜質(zhì)補償，此時，半導體的導電類型由濃度大的雜質(zhì)決定。3.2 III-V3.2 III-V族化合物半導體中的雜質(zhì)族化合物半導體中的雜質(zhì) 雜質(zhì)原子的價電子數(shù)與晶格原子的價電子數(shù)之間的關(guān)系是決定雜質(zhì)行為的一個重要因素。在III-V族化合物半導體（如GaAs）中，取代晶格中V族原子的VI族原子（硒、碲）是施主雜質(zhì)；取代III族原子的II族原子（鋅、鎘）是受

10、主雜質(zhì)。IV族原子可以既取代III族原子，也取代V族原子。哪種原子被取代得多，與IV族原子的濃度和外部條件（溫度）有關(guān)。3.3 3.3 深能級深能級 Si或Ge中的III族和V族雜質(zhì)、III-V族化合物中II族或VI族雜質(zhì)，其電離能都在0.01eV左右，該雜質(zhì)能級稱為淺能級。在半導體中還存在另一類雜質(zhì)，它們引入的能級在禁帶中心附近，這樣的雜質(zhì)能級稱為深能級。由于電離能比較大，深能級對熱平衡中的載流子濃度沒有直接的貢獻，但其可以作為電子和空穴的復合中心，從而縮短非平衡載流子的壽命。3.3 3.3 深能級深能級 有的深能級雜質(zhì)可存在幾種不同的電離態(tài)，對應(yīng)不同的能級，在禁帶中引入多重雜質(zhì)能級。既能成

11、為施主，又能成為受主的雜質(zhì)，稱為兩性雜質(zhì)。 金原子最外層有一個價電子。 鍺中的金原子可分別接受1,2,3個電子而成為Au-,Au2-,Au3-,引入三個受主能級Ea1, Ea2, Ea3. 金原子也可給出最外層的電子，成為Au+，引入一個施主能級Ed.3.4 3.4 缺陷能級缺陷能級 （點缺陷）（點缺陷）u 對于離子晶體（氧化物、硫化物、硒化物等 ）正電中心：正離子為間隙原子、負離子空位負電中心：負離子為間隙原子、正離子空位正電中心具有提供電子的作用，是施主。負電中心是受主。利用成分偏離化學比的方法來控制半導體的導電類型。 在S分壓大的氣氛中處理PbS，產(chǎn)生Pb空位而獲得P型PbS。在真空中對

12、ZnO進行脫氧處理，產(chǎn)生O空位而獲得N型ZnO。3.4 3.4 缺陷能級缺陷能級 （點缺陷）（點缺陷）u 對于共價晶體（GaAs、InP等）另一種點缺陷替位原子A取代B的稱為AB，B取代A的稱為BA。一般認為，AB是受主，BA是施主。如GaAs起受主作用，AsGa其施主作用。這類缺陷在離子性強的化合物中存在的概率很小，可忽略。二元化合物AB中，替位原子有兩種。第四章第四章 非平衡載流子非平衡載流子4.1 非平衡載流子的產(chǎn)生與復合4.2 準費米能級4.3 復合機制4.1 4.1 非平衡載流子的產(chǎn)生與復合非平衡載流子的產(chǎn)生與復合熱平衡：一定溫度下沒有外力和激發(fā)作用的穩(wěn)定態(tài)。非平衡：自由載流子濃度偏

13、離熱平衡的情況。非平衡載流子：在外界作用下，能帶中的載流子數(shù)目發(fā)生明顯的改變，比平衡態(tài)多出來的這部分載流子成為過量載流子，或非平衡載流子。在半導體中，非平衡載流子具有極其重要的意義，許多效應(yīng)都是由它們引起的。4.1 4.1 非平衡載流子的產(chǎn)生與復合非平衡載流子的產(chǎn)生與復合 一定溫度下，當沒有光照時，N型半導體中電子和空穴的濃度滿足: n0p0，若用光子能量大于禁帶寬度的光照射，則可將價帶的電子激發(fā)到導帶。導帶和價帶分別比平衡時多出一部分電子n和空穴p，稱為非平衡載流子濃度。200in pnnp 導帶電子濃度：價帶空穴濃度：0nnn0ppp2inpnni:一定溫度下，本征半導體中平衡載流子的濃度

14、。4.1 4.1 非平衡載流子的產(chǎn)生與復合非平衡載流子的產(chǎn)生與復合u 非平衡載流子的注入光注入：用光照射半導體產(chǎn)生非平衡載流子的方法。（光-電器件，光-光器件）電注入： 給PN結(jié)加正向偏壓，PN結(jié)在接觸 面附近產(chǎn)生非平衡載流子。 當金屬和半導體接觸時，加上適當?shù)钠珘?，也可以注入非平衡載流子。 （電-光器件）4.1 4.1 非平衡載流子的產(chǎn)生與復合非平衡載流子的產(chǎn)生與復合u 非平衡載流子的復合非平衡載流子的復合：非平衡載流子是在外界作用下產(chǎn)生的，當外界作用撤除以后，由于半導體的內(nèi)部作用，導帶中的非平衡電子將落入到價帶的空狀態(tài)中，使電子和空穴成對地消失。非平衡載流子的復合是半導體由非平衡態(tài)趨向平衡

15、態(tài)的一種弛豫過程，屬于統(tǒng)計性的過程。4.1 4.1 非平衡載流子的產(chǎn)生與復合非平衡載流子的產(chǎn)生與復合u 統(tǒng)計性的過程熱平衡情況下，載流子的產(chǎn)生率 = 載流子復合率，使載流子濃度維持一定。當有外界作用時（如光照），產(chǎn)生率 復合率，半導體中載流子數(shù)目增多，即產(chǎn)生非平衡載流子。隨著非平衡載流子數(shù)目的增多，復合率增大，當產(chǎn)生率 =復合率時，非平衡載流子數(shù)目不再增多。外界作用撤除后，產(chǎn)生率 復合率，非平衡載流子數(shù)目逐漸減少，最后恢復到熱平衡情況。4.1 4.1 非平衡載流子的產(chǎn)生與復合非平衡載流子的產(chǎn)生與復合u 非平衡載流子的壽命 /0tpp e 實驗證明，在只存在體內(nèi)復合的情況下，t 時刻非平衡載流子

16、的濃度為p為t=0時的非平衡載流子濃度。 標志著非平衡載流子在復合前的平均存在時間，稱為非平衡載流子的壽命，可以在10-2 10-9 s 的范圍內(nèi)變化。1/ 是單位時間內(nèi)每個非平衡載流子被復合掉的概率。4.2 4.2 準費米能級準費米能級熱平衡時，可以用一個統(tǒng)一的費米能級EF 來描述半導體中的電子和空穴的濃度。非平衡時，由于非平衡載流子的注入，費米能級變得沒有意義。但可以定義EFn 和 EFp來代替上式中的EF， EFn 和 EFp 分別為電子和空穴的準費米能級。expFiiEEnnKTexpiFiEEpnKTexpFniiEEnnKTexpiFpiEEpnKT導帶價帶EiEFN 型半導體EF

17、nEFp4.3 4.3 復合機制復合機制l根據(jù)復合過程的微觀機制，分為直接復合和間接復合。l根據(jù)復合過程發(fā)生的位置，分為體內(nèi)復合和表面復合。l載流子復合時釋放能量的方式：1）發(fā)射光子；2）發(fā)射聲子；3）俄歇復合（將能量給予其他載流子，增加它們的動能）。4.3 4.3 復合機制復合機制u直接復合：電子由導帶直接躍遷到價帶的空狀態(tài)，使電子和空穴成對消失。也稱為帶間復合。u如果直接復合過程中同時發(fā)射光子，則稱為直接輻射復合或帶間輻射復合。u一般地，禁帶寬度越小，直接復合的概率越大。銻化銦（帶隙0.18 eV）等小帶隙的半導體中，直接復合占優(yōu)勢。u間接復合：最主要的是通過復合中心的復合。u復合中心：晶

18、體中的一些雜質(zhì)或缺陷，它們在禁帶中引入離導帶底和價帶頂都比較遠的局域化能級，即復合中心能級。u間接復合過程： 電子躍遷到復合中心能級，然后再躍遷到價帶的 空狀態(tài)，使電子和空穴成對地消失。 復合中心從導帶俘獲一個電子，再從價帶俘獲一 個空穴，完成電子和空穴對的復合。u多數(shù)情況下，間接復合不產(chǎn)生光子，稱為非輻射復合。4.3 4.3 復合機制復合機制4.3 4.3 復合機制復合機制u電子的俘獲：概率與電子的濃度和空的復合中心密度成正比。u電子的產(chǎn)生：概率與復合中心上的電子濃度成正比。u空穴的俘獲：概率與復合中心上的電子濃度及價帶的空穴濃度成正比。u空心的產(chǎn)生：概率與復合中心上的空心濃度成正比。4.3 4.3 復合機制復合機制u 表面復合載流子的間接復合也可以發(fā)生在半導體的表面。表面復合中心： 晶格結(jié)構(gòu)在表面表現(xiàn)的不連續(xù)性在禁帶中引入了 大量的表面態(tài)。 表面吸附離子、分子或機械損傷等造成的其他缺陷。表面處的復合率與表面處的非平衡載流子濃度成正比。如果半導體器件表面復合速率較高，則會使更多的注入的載流子在表面復合消失，以致嚴重影響器件的性能。因此在大多數(shù)器件生產(chǎn)中，總希望獲得良好穩(wěn)定的表面，盡量降低表面復合速率。第五章第五章 PN結(jié)結(jié)5.1 5.1 PN結(jié)結(jié)的形成和雜質(zhì)分布的形成和雜質(zhì)分布結(jié)（junction）：任何兩種物質(zhì)（絕緣體除外）的冶金學接觸（原子級接觸） ，有時也