第4章p-n結(jié)2011

1、20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平14.1 pn結(jié)的形成及其平衡態(tài)4.2 pn結(jié)的伏安特性4.3 pn結(jié)電容4.4 pn結(jié)擊穿4.5 pn結(jié)的光伏效應(yīng)4.6 pn結(jié)發(fā)光第四章 p-n結(jié)20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平24.1 pn結(jié)的形成及其平衡態(tài)4.1.1 pn結(jié)的形成及其雜質(zhì)分布一、 pn結(jié)的形成及其雜質(zhì)分布二、pn結(jié)的雜質(zhì)分布4.1.2 熱平衡狀態(tài)下的pn結(jié)一、pn結(jié)的空間電荷區(qū)與內(nèi)建電場的形成二、平衡pn結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)三、pn結(jié)的接觸電

2、勢差四、平衡pn結(jié)的載流子分布20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平34.1.1 pn結(jié)的形成及其雜質(zhì)分布1、合金法（、合金法（Alloying technology）AlSi alloy on n-Si for p+nAuSb alloy on p-Si for pn+合金結(jié)的特點是合金摻雜層的雜合金結(jié)的特點是合金摻雜層的雜質(zhì)濃度高，而且分布均勻質(zhì)濃度高，而且分布均勻合金結(jié)的深度對合金過程的溫度合金結(jié)的深度對合金過程的溫度和時間十分敏感，較難控制和時間十分敏感，較難控制理想突變結(jié)的雜質(zhì)分布 20222022年年5 5月月

3、1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平42）擴(kuò)散法）擴(kuò)散法（Diffusion technology）（恒定表面雜質(zhì)濃度和恒定雜質(zhì)總量兩種方法）（恒定表面雜質(zhì)濃度和恒定雜質(zhì)總量兩種方法）擴(kuò)散法需要在較高溫度下操作，而且形成的是漸變式的雜質(zhì)分布擴(kuò)散法需要在較高溫度下操作，而且形成的是漸變式的雜質(zhì)分布 20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平53、離子注入法（Ion-implantation technology）離子注入法采用氣相雜質(zhì)源，在高強(qiáng)度的電磁場中令其離化并靜電加速至較高能量后

4、注入到半導(dǎo)體適當(dāng)區(qū)域的適當(dāng)深度，通過補(bǔ)償其中的異型雜質(zhì)形成pn結(jié)。與擴(kuò)散法相比，這種方法的最大特點是摻雜區(qū)域和濃度能夠精確控制，而且雜質(zhì)分布接近于圖4-1所示的突變結(jié)。用離子注入法形成pn結(jié)不需要擴(kuò)散法那樣高的溫度，因高能離子注入而受到損傷的晶格也只須在適當(dāng)高的溫度下退火即可修復(fù)，因此不會引起注入?yún)^(qū)周邊雜質(zhì)的擴(kuò)散，是集成電路工藝普遍采用的摻雜方法。20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平64）外延法和直接鍵合法）外延法和直接鍵合法在n型或p型半導(dǎo)體襯底上直接生長一層導(dǎo)電類型相反的半導(dǎo)體薄層，無須通過雜質(zhì)補(bǔ)償即可直接形成pn結(jié)

5、。用這種方法形成pn結(jié)時，只需在生長源中加入與襯底雜質(zhì)導(dǎo)電類型相反的雜質(zhì)，在薄層生長的同時實現(xiàn)實時的原位摻雜。這種方法形成的雜質(zhì)分布更接近于理想突變結(jié)分布。 將n型和p型半導(dǎo)體片經(jīng)過精細(xì)加工和活化處理的兩個清潔表面在室溫下扣接在一起，然后在高真空和適當(dāng)?shù)臏囟扰c壓力下，令原本屬于兩個表面的原子直接成鍵而將兩塊晶片結(jié)合成一個整體，同時形成pn 結(jié)。直接鍵合法能形成最接近理想狀態(tài)的突變結(jié)。 20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平7二、pn結(jié)的雜質(zhì)分布1）突變結(jié)：用合金法、離子注入法、外延法和直接）突變結(jié)：用合金法、離子注入法、外

6、延法和直接鍵合法制備的鍵合法制備的pn結(jié)，高表面濃度的淺擴(kuò)散結(jié)可近似結(jié)，高表面濃度的淺擴(kuò)散結(jié)可近似為突變結(jié)。直接鍵合法制備的突變結(jié)是最理想的突變?yōu)橥蛔兘Y(jié)。直接鍵合法制備的突變結(jié)是最理想的突變結(jié)。結(jié)。2）線性緩變結(jié)：低表面濃度的深擴(kuò)散結(jié)近似為線性）線性緩變結(jié)：低表面濃度的深擴(kuò)散結(jié)近似為線性緩變結(jié)緩變結(jié)理想線性緩變結(jié)的雜質(zhì)分布 理想突變結(jié)的雜質(zhì)分布 單邊突變結(jié)單邊突變結(jié)p+n 或pn+20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平84.1 pn結(jié)的形成及其平衡態(tài)4.1.1 pn結(jié)的形成及其雜質(zhì)分布一、 二、pn結(jié)的雜質(zhì)分布4.1.2

7、熱平衡狀態(tài)下的pn結(jié)一、pn結(jié)的空間電荷區(qū)與內(nèi)建電場的形成二、平衡pn結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)三、pn結(jié)的接觸電勢差四、平衡pn結(jié)的載流子分布20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平9一、pn結(jié)的空間電荷區(qū)與內(nèi)建電場的形成在一塊 n 型半導(dǎo)體基片的一側(cè)摻入較高濃度的受主雜質(zhì)，由于雜質(zhì)的補(bǔ)償作用，該區(qū)就成為型半導(dǎo)體。 p-n結(jié)n型p型N 區(qū)的電子向區(qū)的電子向 P區(qū)擴(kuò)散；區(qū)擴(kuò)散；P 區(qū)的空穴向區(qū)的空穴向N區(qū)擴(kuò)散。區(qū)擴(kuò)散。在在P型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和 型半導(dǎo)型半導(dǎo)體的交界面附近產(chǎn)生了一體的交界面附近產(chǎn)生了一個電場個電場, ,稱為內(nèi)建場。稱為內(nèi)建

8、場。20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平10空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)-耗盡層耗盡層的形成的形成空間電荷區(qū)寬度空間電荷區(qū)寬度XD空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)-耗盡層因為缺少可移動載流子耗盡層因為缺少可移動載流子,空間電荷區(qū)為高阻區(qū)空間電荷區(qū)為高阻區(qū)20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平11二、平衡pn結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)1、能帶彎曲 2、熱平衡pn結(jié)的費(fèi)米能級 導(dǎo)帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶價帶價帶價帶價帶EFEFECECEVEVn 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)p 型半導(dǎo)體型半

9、導(dǎo)體20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平12電子從費(fèi)米能級高的n區(qū)流向費(fèi)米能級低的p區(qū)，以及空穴從p區(qū)流向n區(qū)來實現(xiàn)的。在載流子轉(zhuǎn)移的過程中，EFn下降，EFp上升，直至EFnEFpEF時達(dá)到平衡。 熱平衡狀態(tài)下的p型和n型半導(dǎo)體以及pn結(jié)的能帶圖1、能帶彎曲20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平132、熱平衡pn結(jié)的費(fèi)米能級 在濃度差引起的擴(kuò)散與擴(kuò)散產(chǎn)生的自建電場的共同作用下在濃度差引起的擴(kuò)散與擴(kuò)散產(chǎn)生的自建電場的共同作用下)exp(0kTEENn

10、FCC)(00dxdEdxdEkTndxdnFC得得電子電流電子電流其中其中dxdEnFn0因為熱平衡時因為熱平衡時 Jn0，所以結(jié)果表明熱平衡時，所以結(jié)果表明熱平衡時dxdnqDqnJnnn00E)(00dxdEdxdEnqnJFCnnnEEqdxxdVqdxdEC)(0dxdEFdxdEpJFpp0電子電流電子電流20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平14三、pn結(jié)的接觸電勢差平衡pn結(jié)空間電荷區(qū)兩端的電勢差VD稱為pn結(jié)的接觸電勢差或自建電勢差，相應(yīng)的電子勢能之差，即能帶的彎曲量qVD，稱為pn結(jié)的勢壘高度。 FpF

11、nDEEqV)exp(0kTEENnCFnCn)exp(0kTEENnCFpCpnn0、np0分別表示n區(qū)和p 區(qū)的平衡電子密度，對非簡并半導(dǎo)體 )(1ln00FpFnpnEEkTnn兩式相除取對數(shù)得兩式相除取對數(shù)得因為因為nn0ND，np0ni2/ NA：2ln)(1iADFpFnDnNNqkTEEqV若若NA1017cm-3，ND1015cm-3，在室溫下可以算得，在室溫下可以算得pn結(jié)接觸電勢差結(jié)接觸電勢差VD對硅為對硅為0.7 V，對鍺為，對鍺為0.32 V，對砷化鎵為，對砷化鎵為1 V。 20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電

12、子工程系馬劍平15【例題】一個Si突變結(jié)的p區(qū)和n區(qū)摻雜濃度分別為NA1018cm-3, ND5x1015cm-3,計算室室溫下溫下平衡態(tài)費(fèi)米能級的位置,按計算結(jié)果畫出能帶圖并確定勢壘高度qVD的大小解解：假定室溫下p區(qū)和n區(qū)的雜質(zhì)都已完全電離，則平衡態(tài)費(fèi)米能級相對于各自本征費(fèi)米能級的位置 )eV(467. 0)105 . 1 (10ln0259. 0ln1018ipFipnpkTEE)eV(329. 0)105 . 1 (105ln0259. 0ln1015ininFnnkTEE)eV(796. 01025. 2105ln0259. 0ln20332iADDnNNkTqV兩式相加得勢壘高度

13、qVD=0.796eV20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平16西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平16p-n結(jié)及其能帶圖20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平17四、平衡pn結(jié)的載流子分布)(exp(0kTExEncnCn取p區(qū)電勢為零,勢壘區(qū)內(nèi) x 處電子的電勢能 E(x)=-qV(x), 點 x 處的電子濃度n0(x) 用x 處的導(dǎo)帶Ec(x)表示為：)(exp)(0kTExENxnFCC)(exp()(00kTxqVqVnx

14、nDn因為 Ecn=qVD，EC(x)=qV(x)， 當(dāng)x=xn時，V(x)VD，所以 n(xn)=nn0；當(dāng)x=xp時，V(x)0， 所以 n(xp)= np0)(exp)(00kTxqVnxnp)(exp)(00kTxqVqVpxpDn20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平18西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平18平衡p-n結(jié)的載流子分布 TkqVxqVnDenxn000 TkxqVqVnDepxp000TkqVnppDenxnn000TkqVnppDepxpp000 TkxqVpenxn000

15、TkxqVpepxp000 TkxqVe0pnpp0np0nn0pn0Pnn0(x)p0(x)x-xpxn20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平194.1 pn結(jié)的形成及其平衡態(tài)4.2 pn結(jié)的伏安特性4.3 pn結(jié)電容4.4 pn結(jié)擊穿4.5 pn結(jié)的光伏效應(yīng)4.6 pn結(jié)發(fā)光第六章 p-n結(jié)20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平204.2 pn結(jié)的伏安特性4.2.1 廣義歐姆定律4.2.2 理想狀態(tài)下的pn結(jié)伏安特性方程4.2.3 pn結(jié)伏安特性對

16、理想方程的偏離20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平214.2.1 廣義歐姆定律對對n= n0+ n、p= p0+ p的一般情況，也可得類似結(jié)果：的一般情況，也可得類似結(jié)果：dxdEnJFnndxdEpJFpp該式表明該式表明: 若費(fèi)米能級隨位置變化，則若費(fèi)米能級隨位置變化，則pn結(jié)中必有電流；當(dāng)電流結(jié)中必有電流；當(dāng)電流密度一定時，載流子密度大的地方密度一定時，載流子密度大的地方, EF隨位置變化小，而載流子隨位置變化小，而載流子密度小的地方，密度小的地方，EF隨位置變化較大。隨位置變化較大。 由于由于pn結(jié)中既存在電場又

17、存在載流子密度的不均勻分布，結(jié)中既存在電場又存在載流子密度的不均勻分布，因而既有漂移電流又有擴(kuò)散電流因而既有漂移電流又有擴(kuò)散電流.廣義歐姆定律更深刻地揭示了廣義歐姆定律更深刻地揭示了電流的動力，即電荷是否流動并不單純?nèi)Q于是否存在電場，電流的動力，即電荷是否流動并不單純?nèi)Q于是否存在電場，而是取決于費(fèi)米能級是否有空間坐標(biāo)上的變化。而是取決于費(fèi)米能級是否有空間坐標(biāo)上的變化。 20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平22西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平224.2.2 理想狀態(tài)下的pn結(jié)伏安特性方程一、正向

18、偏置下的pn結(jié) 1、勢壘區(qū)的變化與載流子運(yùn)動 2、能帶結(jié)構(gòu) 3、正偏置pn結(jié)的擴(kuò)散電流 4、注入載流子的密度 5、肖克萊方程式二、反向偏置下的pn結(jié)三、理想pn結(jié)的伏安特性 1、單向?qū)щ娦?2、溫度依賴性20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平231、正向偏置下的pn結(jié)勢壘區(qū)的變化與載流子運(yùn)動正偏置使pn結(jié)勢壘區(qū)變窄 勢壘高度:由qVD下降為q(VDU) 勢壘區(qū)電場減弱即破壞了載流子擴(kuò)散與漂移之間原有的平衡，削弱了漂移運(yùn)動，使擴(kuò)散流大于漂移流。 20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍

19、平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平24西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平24非平衡少子的運(yùn)動：擴(kuò)散、漂移和復(fù)合非平衡少子非平衡少子np擴(kuò)散區(qū)擴(kuò)散區(qū)非平衡非平衡少子少子pn擴(kuò)散區(qū)擴(kuò)散區(qū)復(fù)合擴(kuò)散擴(kuò)散復(fù)合+-+-+- - - - - - -漂移20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平252、能帶結(jié)構(gòu)因擴(kuò)散區(qū)中的不斷復(fù)合因而密度逐漸減小，故EF為一斜線；準(zhǔn)費(fèi)米能級EFn從n型中性區(qū)到邊界xp 處為一水平線，在電子擴(kuò)散區(qū)逐漸下降，到注入電子為零處與EFn相匯合。準(zhǔn)費(fèi)米能級EFp從p型中性區(qū)到邊界xn處為一水平線，在空

20、穴擴(kuò)散區(qū)逐漸上升，到注入空穴為零處與EFn相匯合；LnLpEcpEvpEvnEcnqUEFnEFpEFpEFn xp 0 xnq(VD-U)按照廣義歐姆定律,有凈電流流過pn結(jié),說明準(zhǔn)費(fèi)米能級將隨空間變化。 外加正向電壓U 的大小決定了兩條準(zhǔn)費(fèi)米能級的間隔 qUEEFpFn20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平263、正偏置pn結(jié)的擴(kuò)散電流正偏壓使pn結(jié)勢壘降低，使穿越pn結(jié)的擴(kuò)散流超過漂移流，p側(cè)和n側(cè)分別通過空間電荷區(qū)向?qū)Ψ阶⑷肷僮涌昭ê碗娮?。這些注入的少子因較大的密度差而向其縱深擴(kuò)散，且一邊擴(kuò)散一邊與多數(shù)載流子復(fù)合，

21、形成指數(shù)衰減形式的密度梯度。 在空間電荷區(qū)邊界xp和xn處的少子擴(kuò)散電流密度即可分別寫成)()(pnnpnxnLqDxJ)()(nppnpxpLqDxJ通過pn結(jié)的總電流是通過同一截面的電子電流和空穴電流之和： )()()()(pnppnnnpxJxJxJxJJ假定注入電子和注入空穴在通過空間電荷區(qū)時沒有復(fù)合 20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平27西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平271) p區(qū)勢壘邊界處注入的額外少數(shù)載流子密度雖是非平衡狀態(tài)，但空間電荷區(qū)p側(cè)邊界xp處的費(fèi)米能級與n型中性區(qū)的費(fèi)米

22、能級是基本一致的，即xp處的電子密度可以用EFn求解。但是，正偏壓下EFn比零偏壓下升高了qU，即xp處的電子密度在正偏壓下是零偏壓下平衡密度np0的exp(qU/kT)倍 p區(qū)邊界x=xp處的少數(shù)載流子濃度npp區(qū)邊界x=xp處的非平衡少子濃度np)exp()(0kTqUnxnpp 1)exp()()(00kTqUnnxnxnpppp4、注入載流子的密度20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平28西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平282) n區(qū)勢壘邊界處注入的非平衡少數(shù)載流子密度n區(qū)邊界x=xn處的少

23、數(shù)載流子濃度pnn區(qū)邊界x=xn處的非平衡少子濃度pn 1)exp()()(00kTqUppxpxpnnnn)exp()(0kTqUpxpnn同理，雖是非平衡狀態(tài)，但空間電荷區(qū)n側(cè)邊界xn處的費(fèi)米能級與p型中性區(qū)的費(fèi)米能級是基本一致的，即xn處的空穴密度可以用EFp求解。但是，正偏壓下EFp比零偏壓下下降了qU，即xn處的空穴密度在正偏壓下是零偏壓下平衡密度pn0的exp(qU/kT)倍 20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平29西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平293) 擴(kuò)散區(qū)中非平衡少子連續(xù)性方程

24、空穴擴(kuò)散區(qū)(n區(qū))中非平衡少子的連續(xù)性方程nxnpnppEpdxddxpdDx電子擴(kuò)散區(qū)(p區(qū))中非平衡少子的連續(xù)性方程 0nnnpxpxp022nonnxnxnpnpppdxdpEpdxdEpdxpdD022poppxpxpnpnnndxdnEndxdEndxndD20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平30西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平304) 突變耗盡層條件下擴(kuò)散少數(shù)載流子的分布在小注入突變耗盡層條件下時，外加電壓和接觸電勢差全部降外加電壓和接觸電勢差全部降落在耗盡層上，耗盡層外的落在耗盡層上

25、，耗盡層外的n區(qū)和區(qū)和p區(qū)半導(dǎo)體是電中性區(qū)半導(dǎo)體是電中性的，因而無漂移作用，構(gòu)成少子的擴(kuò)散區(qū)。因此，注入到n區(qū)的少子空穴和注入到p區(qū)的少子電子分別在n區(qū)和p區(qū)是純擴(kuò)散運(yùn)動。)exp( 1)exp()exp()()(0nppnppLxxkTqUnLxxxnxn)exp( 1)exp()exp()()(0pnnpnnLxxkTqUpLxxxpxp022pnnppdxpdD022nppnndxndDn區(qū)邊界x=xn處少子密度p(xn)p區(qū)邊界x=xp處少子密度n(xp)20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平31西安理工大學(xué)電子工

26、程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平315) 勢壘邊界處非平衡少數(shù)載流子的密度分布n區(qū)勢壘邊界x= xn 非平衡少子pn (xn )p區(qū)勢壘邊界x=-xp 非平衡少子np(-xp) 1exp0TkqUpxpnoxxnn 1exp0TkqUnxnpoxxpp1exp0TkqUpnLxxexpnpLxxexppn(x)np(x)np(xp)pn(xn)pn0np0 xpxnn,px020222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平32西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平32正向偏置下的非平衡少子的密度分布x-xpx

27、n0n區(qū)p區(qū)Lpnp0pn0Ln+- - - -勢壘邊界處非平衡少數(shù)載流子的密度最大+- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平335、肖克萊方程式1)理想p-n結(jié)模型(1)小注入條件：注入的少數(shù)載流子濃度比平衡多數(shù)載流子濃度小得多；(2)突變耗盡層條件：外加電壓和接觸電勢差全部降落在耗盡層上，耗盡層中的電荷是由不可移動的電離施主和電離受主組成，耗盡層外半導(dǎo)體是電中性的。因此，注入的少數(shù)載流子在p區(qū)和n區(qū)是純擴(kuò)散運(yùn)動。(3)通過耗

28、盡層的電子和空穴電流為常量，不考慮耗盡層中載流子的產(chǎn)生與復(fù)合作用；(4)玻耳茲曼邊界條件：在耗盡層兩端，載流子分布滿足玻耳茲曼統(tǒng)計分布。20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平34西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平342) 理想p-n結(jié)肖克萊方程式 1)exp( 1)exp(00kTqUJkTqULnqDLpqDJSnpnpnp)()(pnnpnxnLqDxJ)()(nppnpxpLqDxJn區(qū)邊界x=xn處的非平衡少子濃度pnp區(qū)邊界x=-xp處的非平衡少子濃度np 1)exp()()(00kTqUp

29、pxpxpnnnn 1)exp()()(00kTqUnnxnxnpppp在空間電荷區(qū)邊界-xp和xn處的少子擴(kuò)散電流密度20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平35西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平354.2.2 理想狀態(tài)下的pn結(jié)伏安特性方程一、正向偏置下的pn結(jié) 1、勢壘區(qū)的變化與載流子運(yùn)動 2、能帶結(jié)構(gòu) 3、正偏置pn結(jié)的擴(kuò)散電流 4、注入載流子的密度 5、肖克萊方程式二、反向偏置下的pn結(jié)三、理想pn結(jié)的伏安特性 1、單向?qū)щ娦?2、溫度依賴性20222022年年5 5月月1717日星期二日星期

30、二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平36二、反向偏置下的pn結(jié)當(dāng)pn結(jié)加反向偏壓U 時，反向偏壓在勢壘區(qū)產(chǎn)生的電場與內(nèi)建電場方向一致，因而使勢壘區(qū)電場升高，區(qū)域展寬，勢壘高度由qVD增高為q(VD+U) 勢壘區(qū)電場升高,破壞了載流子的擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動之間的原有平衡,增強(qiáng)了載流子的漂移運(yùn)動，使漂移流大于擴(kuò)散流。n區(qū)邊界xn附近的空穴被勢壘區(qū)的強(qiáng)電場驅(qū)向p區(qū)，而p區(qū)邊界xp附近的電子被驅(qū)向n區(qū)。 當(dāng)這些少數(shù)載流子被電場驅(qū)走后，就形成與正向注入時方向恰好相反的少數(shù)載流子的密度梯度，p區(qū)和n區(qū)內(nèi)部的少子就會分頭向勢壘區(qū)方向擴(kuò)散，形成反向偏壓下的電子擴(kuò)散電流和空穴擴(kuò)散電流。這種情

31、況好像少數(shù)載流子不斷地被抽出來，所以稱為少數(shù)載流子的抽取。 pn結(jié)中總的反向電流等于勢壘區(qū)邊界xn和xp附近少數(shù)載流子擴(kuò)散電流之和。 20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平37西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平37反向偏置直流電壓下p-n結(jié)的能帶圖LnLpEcpEvpEvnEcnqUEFnEFpEFpEFn p 0 nq(VD-U)P區(qū)區(qū)N區(qū)區(qū)電子電子空穴空穴N區(qū)區(qū)P區(qū)區(qū)擴(kuò)散擴(kuò)散漂移漂移20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平38不

32、同偏置狀態(tài)下pn結(jié)擴(kuò)散區(qū)及其附近的少數(shù)載流子密度分布 對UkT/q的反偏壓，n側(cè)擴(kuò)散區(qū)內(nèi)p(x)=-pn0exp(xn-x)/Lp，其值在x=xn附近趨于-pn0，即p(x)在擴(kuò)散區(qū)內(nèi)從pn0衰減至零；同樣，p側(cè)擴(kuò)散區(qū)內(nèi)n(x)也在-xp附近趨于-np0，即n(x)在擴(kuò)散區(qū)內(nèi)從np0衰減至零。正是這樣的密度分布導(dǎo)致少子從p、n兩側(cè)向勢壘區(qū)方向擴(kuò)散，與正偏壓注入少子的擴(kuò)散方向正好相反，由此形成pn結(jié)的反向電流。 20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平39西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平394.2.2

33、理想狀態(tài)下的pn結(jié)伏安特性方程一、正向偏置下的pn結(jié) 1、勢壘區(qū)的變化與載流子運(yùn)動 2、能帶結(jié)構(gòu) 3、正偏置pn結(jié)的擴(kuò)散電流 4、注入載流子的密度 5、肖克萊方程式二、反向偏置下的pn結(jié)三、理想pn結(jié)的伏安特性 1、單向?qū)щ娦?2、溫度依賴性20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平40三、理想pn結(jié)的伏安特性從肖克萊方程式可以看出pn結(jié)具有如下特點：1、單向?qū)щ娦?室溫下，kT/q=0.026V，外加正向電壓UF一般在其10倍以上，故exp(qUF)/(kT)1：對反向偏壓，因UR0，當(dāng)q|UR| kT時，exp(qUR)/

34、(kT)0 pn結(jié)的正向和反向伏安特性是不對稱的，具有單向?qū)щ娦?，此即整流效?yīng) )exp(kTqUJJFSF)(00npnpnpSRLnqDLpqDJJ20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平41根據(jù)肖克萊方程式計算的理想根據(jù)肖克萊方程式計算的理想pn結(jié)伏安特性曲線結(jié)伏安特性曲線-2.0 -1.8 -1.6 -1.4 -1.2 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.00.20.40.60.81.0-50050100150200J (A/cm2) U (V)NA= 9 1015 / cm3ND= 2 1016

35、/ cm3n= p= 1 sp區(qū) n= 500 cm2/(V.s) p = 350 cm2/(V.s)n區(qū) n= 900 cm2/(V.s) p = 300 cm2/(V.s)20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平42pn結(jié)的反向電流（理想狀態(tài)）20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平432 2、溫度依賴性、溫度依賴性 pn結(jié)的伏安特性對溫度十分敏感結(jié)的伏安特性對溫度十分敏感 AinnnpnSNnDqLnqDJ22/10)()exp()exp()23(3

36、2kTETkTETTJggSpn結(jié)的反向電流密度隨著溫度的升高而指數(shù)上升結(jié)的反向電流密度隨著溫度的升高而指數(shù)上升 ：根據(jù)擴(kuò)散長度與少子壽命對溫度的依賴性，根據(jù)擴(kuò)散長度與少子壽命對溫度的依賴性，設(shè)設(shè)Dn/n與與T成正比成正比 )0(exp()23(kTETJgS)(exp(0)23(kTUUqTJgFFpn結(jié)正向電流結(jié)正向電流 隨溫度升高而指數(shù)上升隨溫度升高而指數(shù)上升 ：)(00npnpnpSLnqDLpqDJ20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平444.2 pn結(jié)的伏安特性4.2.1 廣義歐姆定律4.2.2 理想狀態(tài)下的p

37、n結(jié)伏安特性方程4.2.3 pn結(jié)伏安特性對理想方程的偏離一、實際pn結(jié)的非飽和反向電流 二、實際pn結(jié)的正向電流密度 1、正偏pn結(jié)的復(fù)合電流 2、同時考慮復(fù)合電流和擴(kuò)散電流的pn結(jié)正向電流 3、擴(kuò)散電流和復(fù)合電流之比 4、大注入條件下的正向電流 20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平45一、實際pn結(jié)的非飽和反向電流實際pn結(jié)的反向電流比理論值大得多而且不飽和，隨反向偏壓的增大略有增加。主要原因是在理想狀態(tài)中沒有考慮勢壘區(qū)中載流子的產(chǎn)生，而由此引起的產(chǎn)生電流對反向電流的貢獻(xiàn)其實很大。在正向電流較小的a段，實際正向電流明

38、顯高于理論值實際特性與理想特性只在電流中等大小的b段十分吻合 在電流較大的c 段，其函數(shù)關(guān)系實為JexpqU/(2kT) 正向電流進(jìn)一步增大的 d段 ，指數(shù)關(guān)系演化為線性關(guān)系 理想方程忽略了空間電荷區(qū)中載流子的產(chǎn)生與復(fù)合對電流的貢獻(xiàn) 理想方程的推導(dǎo)只考慮了小注入狀態(tài) 理想方程視pn結(jié)空間電荷區(qū)以外的部分不分擔(dān)外加電壓，而事實上這些部分的電阻并不為零,尤其在大電流狀態(tài)下的壓降不可忽略； 理想方程未考慮界面態(tài)和表面電場對pn結(jié)特性的影響。 硅pn結(jié)伏安特性的實驗曲線與理想曲線 20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平46一、實際

39、pn結(jié)的非飽和反向電流當(dāng)pn結(jié)加反向偏壓時，勢壘區(qū)內(nèi)的電場增強(qiáng)，熱激發(fā)通過復(fù)合中心產(chǎn)生的電子空穴對來不及復(fù)合就被強(qiáng)電場驅(qū)走，因而載流子的產(chǎn)生率大于復(fù)合率，形成另一部分反向電流，稱為勢壘區(qū)的產(chǎn)生電流IG。若p-n結(jié)的面積為A，勢壘區(qū)寬度為XD，凈產(chǎn)生率為G， G代表單位時間單位體積內(nèi)勢壘區(qū)所產(chǎn)生的電子數(shù)。對復(fù)合中心能級ET與本征費(fèi)米能級Ei重合，且rnrpr的有效復(fù)合中心，因n1p1ni且勢壘區(qū)內(nèi)ni n和p，于是勢壘區(qū)內(nèi)的凈復(fù)合率為 負(fù)的凈復(fù)合率就是凈產(chǎn)生率G 產(chǎn)生電流密度 AqGXIDG2DiGXqnJ2inU2inUG20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工

40、程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平47空間電荷區(qū)中的產(chǎn)生電流空間電荷區(qū)中的產(chǎn)生電流對于禁帶寬度較小的Ge，其ni2 較大 , 擴(kuò)散電流在反向電流中起主要作用對于硅，因其禁帶較寬， ni2 較小，JG的值比JRD值大很多，因此在反向電流中是勢壘區(qū)的產(chǎn)生電流占主要地位 由于勢壘區(qū)寬度XD隨反向偏壓的增加而變寬，所以勢壘區(qū)的產(chǎn)生電流不會飽和，隨反向偏壓增加而緩慢增加 u對于p+-n: pp0=NA , np0=ni2/NA0; nn0=ND, pn0=ni2/NDu反向擴(kuò)散電流密度 DpipnpRDNLnqDJ22DiGXqnJ20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電

41、子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平48二、實際pn結(jié)的正向電流密度1、正偏pn結(jié)的復(fù)合電流 在正向偏壓作用下,從n區(qū)流向p區(qū)的電子和從p區(qū)流向n區(qū)的空穴在經(jīng)過勢壘區(qū)的時候，實際會有部分被復(fù)合掉而構(gòu)成了另一股正向的復(fù)合電流。 假定復(fù)合中心與本征費(fèi)米能級重合，即n1=p1=ni，同時令rp=rn=r 復(fù)合率 122)(npnnnprNRiT在正向電壓U作用下的勢壘區(qū)中，電子和空穴的密度之積 )exp(2kTqUnnpi二者在密度相等時相遇而復(fù)合的機(jī)會最大，即n=p=niexpqV(x)/(2kT) ，最大復(fù)合率為 1)2exp(2 1)exp(maxkTqUkTqUnrNRiT復(fù)合電流密度

42、隨外加正向電壓的上升而指數(shù)地增大 20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平492、同時考慮復(fù)合電流和擴(kuò)散電流的pn結(jié)正向電流在復(fù)合電流增大到不容忽略時，pn結(jié)的正向電流密度就應(yīng)是擴(kuò)散電流密度與復(fù)合電流密度之和對p+n結(jié)和qUkT的偏置條件，總的正向電流密度 )2exp(2)exp(kTqUXkTqUNnDqnJJJpDDippiFRFDF)exp(mkTqUJF同時考慮擴(kuò)散和復(fù)合的正向電流密度與正向電壓的關(guān)系可表示為 式中m在12之間取值。當(dāng)m2時，pn結(jié)正向偏置時以復(fù)合電流為主；m1時，pn結(jié)正向電流以擴(kuò)散電流為主。一般情

43、況下，實際pn結(jié)伏安特性方程的m值大都在12之間，說明兩種電流成分同時存在。20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平503、擴(kuò)散電流和復(fù)合電流之比 該式表明，決定pn結(jié)正向電流兩種成分之比的因素很多，很復(fù)雜，既有材料方面的因素(ni和Lp)，也有器件結(jié)構(gòu)方面因素(ND和XD)，還有工作條件方面的因素(U和T)。 )2exp(2kTqUXNLnJJDDpiFRFD20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平51西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬

44、劍平514大注入條件下的正向電流當(dāng)正偏壓進(jìn)一步升高到注入的額外少子密度接近或超過該區(qū)的多數(shù)載流子密度時，pn結(jié)即進(jìn)入大注入狀態(tài)。對單邊突變結(jié)，大注入首先發(fā)生在輕摻雜一側(cè)的少子擴(kuò)散區(qū)，譬如p+n結(jié)n型側(cè)的空穴擴(kuò)散區(qū)。當(dāng)大注入發(fā)生時，積累在擴(kuò)散區(qū)內(nèi)的注入空穴形成一定的密度分布pn(x)。在擴(kuò)散區(qū)緊鄰勢壘區(qū)的邊界xn處，其值pn(xn)接近乃至超過n區(qū)的多數(shù)載流子密度nn0，因而破壞了n區(qū)的電中性。為了保持電中性，n區(qū)的多數(shù)載流子(電子)必相應(yīng)地有所增加，并在空穴擴(kuò)散區(qū)形成電子密度分布nn(x)，且與pn(x)相等 + + + + + + + + + + + + + +-p+npnpqVDn2022

45、2022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平524.3 pn結(jié)電容4.3.1 pn結(jié)勢壘區(qū)的電場及電勢分布4.3.2 勢壘電容CT 1）突變結(jié)的勢壘電容 2）線性緩變結(jié)的勢壘電容4.3.3 擴(kuò)散電容CD4.3.4用電容電壓法測量半導(dǎo)體的雜質(zhì)濃度20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平53偏壓對pn結(jié)的充放電效應(yīng)勢壘電容CT p-n結(jié)上外加電壓的變化，引起電子和空穴在勢壘區(qū)的“存入”和“取出”作用，導(dǎo)致勢壘區(qū)的空間電荷數(shù)量隨外加電壓而變化，這種p-n結(jié)的電容效應(yīng)稱為勢壘

46、電容CT。勢壘電容效應(yīng)在正、反偏置狀態(tài)都很明顯。 擴(kuò)散電容CD 正向偏壓時，有空穴從p區(qū)注入n區(qū),于是在n區(qū)邊界附近的一個擴(kuò)散長度內(nèi),便形成了額外空穴的積累,同樣在p區(qū)邊界處也有額外電子的積累。當(dāng)正向偏壓的大小發(fā)生變化時,擴(kuò)散區(qū)內(nèi)積累的額外空穴和電子也相應(yīng)地變化.由擴(kuò)散區(qū)電荷數(shù)量隨外加電壓的變化所產(chǎn)生的電容效應(yīng)，稱為pn結(jié)的擴(kuò)散電容。用符號CD表示。擴(kuò)散電容效應(yīng)只在正偏置狀態(tài)明顯存在。 20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平54pn結(jié)電容的特點結(jié)電容的特點pn結(jié)的勢壘電容和擴(kuò)散電容都隨外加電壓而變化，表明它們結(jié)的勢壘電容和

47、擴(kuò)散電容都隨外加電壓而變化，表明它們是可變電容。因此，是可變電容。因此，用微分電容表示用微分電容表示pn結(jié)電容結(jié)電容。當(dāng)當(dāng)pn結(jié)在一個固定直流偏壓結(jié)在一個固定直流偏壓U的作用下，疊加一個微小的交的作用下，疊加一個微小的交流電壓流電壓du時，把這個微小的電壓變化時，把這個微小的電壓變化 du 所引起的電荷變化所引起的電荷變化 dQ，稱為這個直流偏壓下的微分電容，即，稱為這個直流偏壓下的微分電容，即dudQC 為求pn結(jié)電容表達(dá)式及其隨電壓變化的規(guī)律，須了解電荷以及決定電荷量大小的電場和區(qū)域?qū)挾鹊淖兓?guī)律所加直流偏壓不同，pn結(jié)的微分電容也不相同。20222022年年5 5月月1717日星期二日星

48、期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平554.3.1 pn結(jié)勢壘區(qū)的電場及電勢分布一、零偏置狀態(tài) 1、勢壘區(qū)的電荷密度 2、勢壘區(qū)的電場 3、勢壘區(qū)的電勢分布 4、勢壘區(qū)寬度XD二、偏置狀態(tài) 20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平561、勢壘區(qū)的電荷密度在pn結(jié)勢壘區(qū)中，在耗盡層近似和雜質(zhì)完全電離的情況下，空間電荷區(qū)中的電荷全部是電離施主和電離受主。正負(fù)空間電荷區(qū)的電荷密度分別為 (x)=-qNA (-xp x 0) (x)=qND (0 x r時，才能獲得有效的光子發(fā)射。時，才能獲得有效的光子發(fā)射。

49、對間接禁帶半導(dǎo)體，要使輻射復(fù)合占壓倒優(yōu)勢，即對間接禁帶半導(dǎo)體，要使輻射復(fù)合占壓倒優(yōu)勢，即 nr r，須，須使發(fā)光中心濃度使發(fā)光中心濃度NL遠(yuǎn)大于復(fù)合中心濃度遠(yuǎn)大于復(fù)合中心濃度NT。nrr11內(nèi)20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平892、發(fā)光效率 光學(xué)效率光（也稱出光效率）來表征pn結(jié)中產(chǎn)生光子向外傳輸過程的效率 pn結(jié)發(fā)光效率又稱外量子效率外 ,可表示為內(nèi)量子效率和光學(xué)效率之積： 單位時間產(chǎn)生的光子數(shù)光子數(shù)單位時間發(fā)射到外部的光光內(nèi)外20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理

50、工大學(xué)電子工程系馬劍平90實用LED的內(nèi)量子效率較高,可接近100。但外量子效率通常較低。室溫下，GaP(Zn-O) 紅光LED的外最高可達(dá)15;GaP(N)綠光LED的外只有0.7。此外，因為晶體對光的吸收隨著溫度的升高而增強(qiáng)。因此，發(fā)光效率還將隨著溫度的升高而下降。 20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平914.6.2 半導(dǎo)體激光器原理 1、自發(fā)輻射和受激輻射 2、受激輻射的必要條件 3、pn結(jié)激光器原理 4、激光器材料 laserlight amplification by stimulated emission o

51、f radiation“激光激光” 是一種亮度極高、方向性和單色性極好的相干光輻射。是一種亮度極高、方向性和單色性極好的相干光輻射。激光器分固體激光器和氣體激光器兩大類。半導(dǎo)體激光器是固體激光器分固體激光器和氣體激光器兩大類。半導(dǎo)體激光器是固體激光器的重要組成部分，主要用于通訊，覆蓋從紅外到近紫外的激光器的重要組成部分，主要用于通訊，覆蓋從紅外到近紫外的整個波段。如常用的激光材料整個波段。如常用的激光材料GaAs可發(fā)射紅外激光，新興的可發(fā)射紅外激光，新興的GaN基激光器發(fā)射藍(lán)色和近紫外激光基激光器發(fā)射藍(lán)色和近紫外激光.20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系

52、馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平921 1、自發(fā)輻射和受激輻射、自發(fā)輻射和受激輻射與激光發(fā)射有關(guān)的躍遷過程與激光發(fā)射有關(guān)的躍遷過程吸收、自發(fā)輻射和受激輻射。吸收、自發(fā)輻射和受激輻射。 h 12=E2-E1 不受外界因素的作用，原子自發(fā)不受外界因素的作用，原子自發(fā)地從激發(fā)態(tài)返回基態(tài)時伴隨發(fā)生地從激發(fā)態(tài)返回基態(tài)時伴隨發(fā)生的光子發(fā)射過程。的光子發(fā)射過程。 自發(fā)輻射中所有電子的躍遷都是隨機(jī)的，所發(fā)射的光子雖然自發(fā)輻射中所有電子的躍遷都是隨機(jī)的，所發(fā)射的光子雖然具有相等的能量具有相等的能量h 12，但它們的相位和傳播方向各不相同，但它們的相位和傳播方向各不相同 1 1）自發(fā)輻射：）自發(fā)輻射：20222

53、022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平932 2）受激輻射）受激輻射 受激輻射中發(fā)射光子的頻率、位相、方向和偏振態(tài)等全部特性受激輻射中發(fā)射光子的頻率、位相、方向和偏振態(tài)等全部特性都與入射光子完全相同都與入射光子完全相同。如果激勵光原本就是由能級如果激勵光原本就是由能級E2到到E1的的電子躍遷過程產(chǎn)生的，則一個受激輻射過程同時發(fā)射兩個同頻電子躍遷過程產(chǎn)生的，則一個受激輻射過程同時發(fā)射兩個同頻率、同相位、同方向的光子。率、同相位、同方向的光子。所謂受激輻射，就是電子在光輻所謂受激輻射，就是電子在光輻射的激勵下從激發(fā)態(tài)向基態(tài)躍遷射的激勵下

54、從激發(fā)態(tài)向基態(tài)躍遷的輻射過程的輻射過程受激輻射受激輻射 20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平942 2、受激輻射的必要條件受激輻射的必要條件 入射頻率為入射頻率為 12的光子，的光子，既可使既可使E1上的電子激發(fā)到高上的電子激發(fā)到高能級能級E2,也可激勵也可激勵E2上的電子上的電子躍遷回躍遷回E1而產(chǎn)生受激輻射。而產(chǎn)生受激輻射。一般情況下，低能級一般情況下，低能級E1上的電子密度遠(yuǎn)高于高能級上的電子密度遠(yuǎn)高于高能級E2的電子密的電子密度；但若處在度；但若處在E2上的電子密度高于上的電子密度高于E1上的電子密度，則該系統(tǒng)上

55、的電子密度，則該系統(tǒng)在頻率為在頻率為 12的光子流照射下，受激輻射將超過光的吸收。稱此的光子流照射下，受激輻射將超過光的吸收。稱此反常狀態(tài)為分布反轉(zhuǎn)。要產(chǎn)生激光，必須使系統(tǒng)處于分布反轉(zhuǎn)反常狀態(tài)為分布反轉(zhuǎn)。要產(chǎn)生激光，必須使系統(tǒng)處于分布反轉(zhuǎn)狀態(tài)。狀態(tài)。1 1）分布反轉(zhuǎn)分布反轉(zhuǎn) 20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平952 2）、半導(dǎo)體中形成分布反轉(zhuǎn)的條件）、半導(dǎo)體中形成分布反轉(zhuǎn)的條件1）T=0K時時 在在EFn EFp范圍，導(dǎo)帶中占滿電子，而價帶卻是空的。在這種范圍，導(dǎo)帶中占滿電子，而價帶卻是空的。在這種分布反轉(zhuǎn)情況下，若注

56、入光子能量分布反轉(zhuǎn)情況下，若注入光子能量h 滿足關(guān)系滿足關(guān)系npgFFEhvEE就會引起導(dǎo)帶電子向價帶躍遷，產(chǎn)生受激輻射。就會引起導(dǎo)帶電子向價帶躍遷，產(chǎn)生受激輻射。導(dǎo)帶底比價帶頂電子密度高的狀態(tài)即半導(dǎo)體的分布反導(dǎo)帶底比價帶頂電子密度高的狀態(tài)即半導(dǎo)體的分布反轉(zhuǎn)狀態(tài)。轉(zhuǎn)狀態(tài)。 用能量大于用能量大于Eg的光，可將價帶頂一定能量范圍內(nèi)的電子全部轉(zhuǎn)的光，可將價帶頂一定能量范圍內(nèi)的電子全部轉(zhuǎn)移到導(dǎo)帶底，將導(dǎo)帶底一定能量范圍內(nèi)的狀態(tài)全部填滿。兩帶中電移到導(dǎo)帶底，將導(dǎo)帶底一定能量范圍內(nèi)的狀態(tài)全部填滿。兩帶中電子的最高填充能級即空穴準(zhǔn)費(fèi)米能級子的最高填充能級即空穴準(zhǔn)費(fèi)米能級EFp和電子的準(zhǔn)費(fèi)米能級和電子的準(zhǔn)費(fèi)米

57、能級EFn。 20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平963、pn結(jié)激光器原理 要在半導(dǎo)體中實現(xiàn)分布反轉(zhuǎn)，必須使其導(dǎo)帶保持高密度的電子，價帶保持高密度的空穴。這種反常分布需要由外界輸入能量來維持。跟水泵提升水平面一樣，靠外力將電子不斷激發(fā)并維持在高能級上的過程被稱為“泵浦”。半導(dǎo)體激光器一般采用p-n結(jié)正向注入的方式“泵浦”電子。 為了能夠有效地通過注入式“泵浦”實現(xiàn)pn結(jié)的分布反轉(zhuǎn)，其p區(qū)和n區(qū)都必須重?fù)诫s至簡并狀態(tài)。 結(jié)型激光器能帶圖 1）、）、泵浦20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工

58、程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平972 2）、激光的產(chǎn)生）、激光的產(chǎn)生自發(fā)復(fù)合 自發(fā)輻射 發(fā)射的光子，相位方向各不相同大部分立刻穿出有源區(qū) 小部分光子嚴(yán)格在p-n結(jié)平面內(nèi)傳播 引起其他電子空穴對的受激輻射 產(chǎn)生更多能量相同的光子 受激輻射隨著注入電流的增大而發(fā)展，并逐漸集中到p-n結(jié)平面內(nèi)這時輻射的單色性較好，強(qiáng)度也增大，但其位相仍然是雜亂的，因而還不是相干光 注入用共振腔使之變成強(qiáng)度更大的單色相干光。 20222022年年5 5月月1717日星期二日星期二西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平983 3） 共振腔共振腔一定頻率的受激輻射，在反射面間來回反射，形成兩列相反方一定頻率的受