半導(dǎo)體光電子器件結(jié)構(gòu)和基本原理

1、1半導(dǎo)體光電子器件結(jié)構(gòu)和基本原理2 “Complete Guide to Semiconductor Device” 指出： 半導(dǎo)體器件有67種，110余變種。 概 述3構(gòu)結(jié)本基基本結(jié)構(gòu)漂移-擴(kuò)散電子器件半導(dǎo)體器件基本類型pn結(jié)MISM-S異質(zhì)結(jié)組合光電子器件電子-光子互作用物理過程理論基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)4課程主要內(nèi)容CH1 半導(dǎo)體光電子器件物理基礎(chǔ)CH2 半導(dǎo)體太陽電池（Solar Cells）CH3 半導(dǎo)體光電探測(cè)器（Photodetectors） CH4 半導(dǎo)體電荷耦合器件（CCD）CH5 半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）CH6 半導(dǎo)體激光器（LD）5層 次基本結(jié)構(gòu)與原理 主要概念與性能理論基礎(chǔ)與機(jī)

2、理 性能提升與措施重點(diǎn)理解與掌握基本物理概念 基本物理過程 基本物理圖像6Ch1 半導(dǎo)體光電子器件物理基礎(chǔ)一、 pn結(jié)二、 MIS結(jié)構(gòu)三、 金屬與半導(dǎo)體接觸四、 異質(zhì)結(jié)與量子阱五、 半導(dǎo)體光吸收與光輻射六、 平板介質(zhì)光波導(dǎo)基本理論 基本物理屬性 基本電學(xué)特性71-1 pn結(jié)（同質(zhì)）一、基本物理屬性 1、基本類型 2、空間電荷區(qū)與自建電場(chǎng) 3、能帶結(jié)構(gòu)（平衡與非平衡） 4、載流子分布（平衡與非平衡）二、基本電學(xué)特性 1、載流子輸運(yùn)過程 2、I-V特性 3、勢(shì)壘電容與擴(kuò)散電容 4、擊穿機(jī)制及機(jī)理8空間電荷區(qū)形成物理過程及屬性9能帶結(jié)構(gòu)及載流子分布?10P區(qū)n區(qū)pp0pn0nn0np0pn0exp(

3、qVF/kT)np0exp(qVF/kT)P區(qū)n區(qū)pp0pn0nn0np0pn0exp(qVR/kT)np0exp(qVR/kT)正 偏：反 偏：11費(fèi)米能級(jí)12載流子輸運(yùn)過程13I-V特性LnLp?WPWn14勢(shì)壘電容物理機(jī)制P區(qū)n區(qū)P區(qū)n區(qū)空穴補(bǔ)償電子補(bǔ)償空穴釋放電子釋放偏壓上升： 變窄偏壓下降： 變寬15擴(kuò)散電容物理機(jī)制P區(qū)n區(qū)pn161-2 MIS結(jié)構(gòu)一、MIS結(jié)構(gòu)物理基礎(chǔ) 1、半導(dǎo)體表面狀態(tài)與能帶結(jié)構(gòu) 2、半導(dǎo)體表面勢(shì)與表面電荷 3、氧化層電荷與界面態(tài)作用 4、強(qiáng)反型與閾值電壓 5、深耗盡狀態(tài)及機(jī)理二、MISFET電學(xué)特性 1、MISFET基本原理與結(jié)構(gòu) 2、MISFET基本類型與特

4、性17MIS基本結(jié)構(gòu)及屬性VGn-Si or p-SimetalinsulatorVoxVSSurface Space Charge Region18(WmWs)/q(EiEF)/q可略表面狀態(tài)與能帶結(jié)構(gòu)表面勢(shì)與表面電荷?強(qiáng)反型與閾值電壓?VG =VT=VFB (Q反+Q耗盡 )/ Cox +2F = VFBQ耗盡/ Cox +2F VFB = ms QSiO2 / Cox 19深耗盡狀態(tài)及機(jī)制VGVGVGdVG/dt ppp20VGVTp-SiMOSFET結(jié)構(gòu)、原理及類型n+n+結(jié)構(gòu)及類型?211-3 金屬與半導(dǎo)體接觸一、金-半接觸物理基礎(chǔ) 1、金-半接觸類型與能帶結(jié)構(gòu) 2、勢(shì)壘形成與界面態(tài)

5、 3、空間電荷區(qū)與電勢(shì)二、肖特基結(jié)基本電學(xué)特性 1、基本電學(xué)特性 2、載流子輸運(yùn)過程及機(jī)制22勢(shì)壘接觸23非勢(shì)壘接觸24非勢(shì)壘接觸（歐姆接觸？）25表面態(tài)影響與歐姆接觸EFm261-4 異質(zhì)結(jié)與量子阱一、異質(zhì)結(jié)物理基礎(chǔ) 1、基本類型與能帶結(jié)構(gòu) 2、空間電荷區(qū)與電勢(shì)二、異質(zhì)結(jié)基本電學(xué)特性 1、載流子輸運(yùn)過程 2、基本電學(xué)特性與特征三、量子阱與超晶格 1、量子阱 2、超晶格 3、量子點(diǎn)與量子線四、二維電子氣（2DEG）與二維空穴氣（2DHG）27一、異質(zhì)結(jié)物理基礎(chǔ) 異質(zhì)結(jié)： 兩種禁帶寬度不同的半導(dǎo)體材料組成的結(jié)。 1、基本類型與能帶結(jié)構(gòu) 類型： 異型異質(zhì)結(jié)-兩種材料導(dǎo)電類型不同； 同型異質(zhì)結(jié)-兩種

6、材料導(dǎo)電類型相同。 主要應(yīng)用： 微電子器件-提高增益、頻率特性、線性 度，減小噪聲、功耗等。 光電子器件-提高器件光電轉(zhuǎn)換效率等。 主要結(jié)構(gòu)材料： GaAs基材料，如，AlxGa1-xAs/GaAs、 InxGa1-xAs/GaAs；Si基：Si1-xGex/Si，- 28 2、能帶結(jié)構(gòu)特 征：導(dǎo)帶、價(jià)帶分別存在帶隙差EC和EV特點(diǎn)： 高、低勢(shì)壘ECEVEcor緩變異性異質(zhì)結(jié)293、空間電荷區(qū)與電勢(shì) 1）空間電荷區(qū)形成過程 2）電場(chǎng)及其分布 摻雜濃度：和； 介電常數(shù)p S和n Sxp x 0： 0 x xn：特征： 場(chǎng)線性分布； 電場(chǎng)在界面處不連續(xù)； 電位移失量連續(xù)。 303）接觸電位差-D

7、空間電荷區(qū)p區(qū)側(cè)-P n區(qū)側(cè)-n正、負(fù)空間電荷區(qū)電勢(shì)差與摻雜濃度關(guān)系 VDp/VDn = n s ND/p s NA !314） 空間電荷區(qū)寬度 聯(lián)解上述方程 非平衡異質(zhì)pn結(jié)-上式用（）替換。 -表示正偏；-表示反偏。 p區(qū)側(cè)：n區(qū)側(cè)：325） 勢(shì)壘電容 空間電荷區(qū)正的或負(fù)的電荷量 : 單位面積勢(shì)壘電容 與摻雜濃度、偏置電壓的關(guān)系與同質(zhì)結(jié)相同33二、異質(zhì)結(jié)基本電學(xué)特性(n區(qū)寬帶p區(qū)窄帶為例) 1、載流子輸運(yùn)過程（載流子勢(shì)壘）圖a)和(c)所示異質(zhì)結(jié)： 電子從n區(qū)導(dǎo)帶渡越到p區(qū) 導(dǎo)帶跨越的勢(shì)壘高度為 ： （qVD-EC） 空穴從p區(qū)價(jià)帶渡越到n區(qū) 價(jià)帶跨越的勢(shì)壘高度為： （qVD+Ev）圖(b

8、)所示異質(zhì)結(jié)： 電子從n區(qū)導(dǎo)帶到p區(qū)導(dǎo)帶跨越勢(shì)壘高度為：qVDn 空穴從p區(qū)到n區(qū)跨越勢(shì)壘高度仍為（qVDE） 特征: 電子和空穴渡越的勢(shì)壘高度不同 VDn低勢(shì)壘異質(zhì)結(jié)高勢(shì)壘異質(zhì)結(jié)緩變異質(zhì)結(jié)342、基本電學(xué)特性與特征 1）基本電學(xué)特性 低勢(shì)壘異質(zhì)結(jié)和緩變異質(zhì)結(jié): 形式與同質(zhì)pn結(jié)相同，但少子密度項(xiàng)表示有差別35 高勢(shì)壘異質(zhì)結(jié)： 36 2）電子流與空穴流特征-注入比同質(zhì)結(jié)電子流與空穴流注入比 異質(zhì)結(jié)電子流與空穴流注入比 若Eg = 250mv，注入比可以比同質(zhì)結(jié)高104倍以上37要 點(diǎn)能帶結(jié)構(gòu)及特征； 載流子渡越勢(shì)壘特征； I-V方程形式； 電流注入比。38IVB#異質(zhì)結(jié)基本應(yīng)用A1. 限制BJ

9、T頻率特性因素存在極限？39 A2.解決途徑HBT(異質(zhì)結(jié)雙極晶體管)qVpqVnEmitterBaseCollectorSi BJTqVn=qVpqVpqVnEmitterBaseCollectorSiGe HBTqVn qVp40勢(shì)壘# 三、量子阱與超晶格 1、量子阱 二個(gè)異質(zhì)結(jié)組成，其中間層導(dǎo)帶底最低、價(jià)帶頂 最高；或僅導(dǎo)帶底最低；或僅價(jià)帶頂最高。 2、超晶格 量子阱（或不同導(dǎo)電類型材料）組成的一維周期性結(jié) 構(gòu)，其勢(shì)壘寬度小于電子的德布羅意波長。L小于德布羅意波長( 50nm）LEg1Eg2ECEVpnn異質(zhì)結(jié)超晶格摻雜超晶格4142 3、量子線與量子點(diǎn) 量子線： 二個(gè)方向物理尺寸小于德

10、布羅意波長 量子點(diǎn)： 三個(gè)方向物理尺寸小于德布羅意波長43 1、量子阱載流子能量量子化 量子阱近似0LV0 1）單量子阱中電子狀態(tài)-遵循薛定諤方程xxyz44二維電子氣（2DEG）二維空穴氣（2DEG）0LV0 xxyz45EhhELh0L46EhhELh47 2）單量子阱中電子狀態(tài)密度(E)482、超晶格 1） 多量子阱 單量子阱周期性組成，勢(shì)壘寬度大于德布羅意波長。 量子阱內(nèi)電子狀態(tài)與單量子阱相同。EhhELh49 2）超晶格 勢(shì)壘寬度小于德布羅意波長的多量子阱。 特點(diǎn)：電子在阱間共優(yōu)化運(yùn)動(dòng)； 量子化能級(jí)展寬成微帶； 量子阱xy面內(nèi)電子能量仍連續(xù)。EhhELh50 3、量子線與量子點(diǎn) 量子

11、線： 二個(gè)方向物理尺寸小于德布羅意波長 量子點(diǎn)： 三個(gè)方向物理尺寸小于德布羅意波長3D2D1D0D51# 超晶格能級(jí)狀態(tài) -載流子受晶格周期性勢(shì)場(chǎng)和可控的超晶格周期性勢(shì)場(chǎng)作用。那么載流子的波函數(shù)也可人為控制。薛定諤方程邊界條件V(z)=0 0 z Eg 轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?6、表面反射 (1.41.6eV)？1017、寄生電阻影響(非理想I-V方程)寄生電阻影響大RS=0RSh= RS=0RSh=100 RS=5RSh= RS=5RSh=100 RSRshVRS=5降30%102八、太陽電池設(shè)計(jì)考慮 幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)(尺寸)、表面反射、復(fù)合主要考慮因素。 摻雜分布與結(jié)深一般決定開路電壓和光生電流。 pn結(jié)

12、厚度（吸收系數(shù)決定）： Si吸收系數(shù)小（=10-210-3/m）,典型300400。 直接帶隙半導(dǎo)體，典型1。 層厚度： 底層厚度：Ln1；Si Ln300 m。 頂層厚度：高能光子主要在表面吸收，xj-0.30.5 ； 紫光電池， xj-0.10.2 。 摻雜濃度： 表層：基于寄生電阻， ND盡量高，典型51019/cm3。 低層： NA高，反向飽和電流低，開路電壓高； 遷移率和壽命低，短路電流小； 典型1016/cm3。103103九、常規(guī)pn結(jié)太陽電池不足太陽電池關(guān)鍵參數(shù)效率 光生載流子在表面與襯底復(fù)合； 擴(kuò)散至擴(kuò)散長度外復(fù)合。 低的表面區(qū)摻雜接觸電阻高。 表面反射降低光吸收。Si表面反

13、射系數(shù) 30%。 調(diào)節(jié)pn結(jié)厚度，使表面反射光與襯底反射光相位差/4，反射消 失。此時(shí)最小反射系數(shù) 高能粒子在半導(dǎo)體表面產(chǎn)生缺陷，降低載流子壽命。(p)(n)104十、其它結(jié)構(gòu)太陽電池1.異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu) 光子窄帶區(qū)吸收； 寬帶表面高摻雜； 抗輻射能力強(qiáng)。2.背面高摻雜結(jié)構(gòu) 控制擴(kuò)散長度外載流子復(fù)合。3.絨面結(jié)構(gòu) 增加吸收。 4.“陽光”結(jié)構(gòu)5.肖特基結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)7. 結(jié)聯(lián)結(jié)構(gòu)8.量子阱結(jié)構(gòu)9.集光 - - - - - -pnnpEg1Eg2Eg1Eg2105十一、高效太陽電池結(jié)構(gòu) 1、異質(zhì)結(jié)電池2、級(jí)聯(lián)電池三級(jí)： 32%四級(jí)： 40%光生載流子復(fù)合產(chǎn)生的熒光在pn結(jié)再產(chǎn)生電子-空穴對(duì)1063、量子阱電

14、池 pin結(jié)構(gòu)，i層中有量子阱（阱寬615nm，勢(shì)壘5nm）4、聚光電池 聚集太陽光，提高光強(qiáng)。i增加光譜吸收范圍提高量子效率615nm5nmI-V fig13.29,30輸出電壓（V）輸出電壓（V）107十二、其它材料太陽電池多晶體；非晶體；有機(jī)薄膜； - - - - - -。十三、其它 轉(zhuǎn)換效率：Si-1418%(24%); GaAs-1821%; GaInP/GaAs/Ge-2629%(三結(jié)) 電流容限：并聯(lián) 電壓容限：串聯(lián) 效率關(guān)鍵：光子吸收效率； 光生載流子輸運(yùn)效率。108太陽電池原理、開路電壓、短路電流物理機(jī)制；開路、短路、負(fù)載等效電路；光生載流子有貢獻(xiàn)區(qū)域；光電流常數(shù)（結(jié)構(gòu)與光強(qiáng)

15、一定）；光譜吸收特性；光吸收系數(shù)與np結(jié)和pn結(jié)；寄生電阻影響。109Ch3 半導(dǎo)體光電探測(cè)器Photodetectors一、光電探測(cè)器物理基礎(chǔ)二、光電探測(cè)器性能參數(shù)三、光電導(dǎo)體四、光電二極管五、pin光電二極管六、雪崩光電二極管七、光電晶體管八、色敏光電二極管110一、光電探測(cè)器物理基礎(chǔ)-光生載流子 1、光子效應(yīng) 光子與電子直接相互作用 電子受激躍遷至高能級(jí) hE 本征躍遷， hEg ； 雜質(zhì)電離； hE D，or，hEA 2、光熱效應(yīng) 吸收光子能量轉(zhuǎn)換成晶格振動(dòng)能量 溫度升高激發(fā)載流子躍遷 h Eg hE 111 3、光電探測(cè)器工作的主要物理過程 1）吸收光子能量，產(chǎn)生光生載流子； （通常

16、為電子-空穴對(duì)） 2）載流子定向輸運(yùn)； （產(chǎn)生增益或無增益） 3）在器件端點(diǎn)或外電路形成與光對(duì)應(yīng)信息。 4、光電探測(cè)器類型 電導(dǎo)型（光致電導(dǎo)）； pn結(jié)型； 量子阱、超晶格型。112二、光電探測(cè)器主要性能參數(shù) 1、量子效率-（關(guān)鍵參數(shù)） Ip：光電流；P-入射光功率；hv-光子能量 P：如為入射探測(cè)器表面的光功率-外量子效率 P：如為探測(cè)器吸收的光功率-內(nèi)量子效率 理想情況下內(nèi)量子效率：113 2、響應(yīng)度-R 3、靈敏度-S 4、光譜響應(yīng)率-單色 Vp-輸出光電壓Ip-輸出光電流# P-某光譜范圍內(nèi)光功率1145、響應(yīng)時(shí)間（響應(yīng)速度）ptItI00.37I00.63I01156、探測(cè)器噪聲參數(shù)

17、1）噪聲表述 類型：固有噪聲，自然噪聲 特點(diǎn)：隨機(jī)，不可預(yù)測(cè)； 統(tǒng)計(jì)平均值為0。 表征：均方值（方均值）表述。 總噪聲： 噪聲特性： 與頻率相關(guān), or 與頻率無關(guān)-白噪聲。tt1162）噪聲源 熱噪聲-載流子無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)（白噪聲） 散粒噪聲-載流子輸運(yùn)(含渡越勢(shì)壘區(qū))隨機(jī)起伏（白噪聲） 產(chǎn)生-復(fù)合噪聲：載流子產(chǎn)生-復(fù)合隨機(jī)起伏 1/f 噪聲-低頻（ If)P+P-nP+P-nWinn-P+WiP+nQ0常規(guī)9156（B）pin光電二極管基本原理 對(duì)光電流貢獻(xiàn)區(qū)域： 中性區(qū) 擴(kuò)散區(qū) 本征區(qū)n+-Si-+pppnP (1-R)exp(-x)W 通過調(diào)制本征區(qū)寬度： 提高量子效率； 提高頻率響應(yīng)特

18、性。1571.光生電流1) 勢(shì)壘區(qū)量子效率pin0W1582) 擴(kuò)散區(qū)pnXW加！159# 中性區(qū)pnXH0因pin結(jié)構(gòu)希望光生電流在本征區(qū)，所以討論效率略該區(qū)1603) 量子效率？可略加！即希望光生載流子在本征區(qū)161（C） 頻率響應(yīng) -載流子渡越勢(shì)壘區(qū)延遲 （交流狀態(tài)，渡越勢(shì)壘區(qū)有傳導(dǎo)電流與位移電流）npx0162163？提高和f 希望光子在本征區(qū)吸收p反射層n-+？不足：p/n區(qū)吸收164P型窄帶反射層N型窄帶-+折射率半絕緣InPp+-InPp+-InGaAsPi-InGaAsn+-InGaAsP優(yōu)點(diǎn)： 1、效率高； 2、響應(yīng)快折射率# 利用異質(zhì)結(jié)改善性能？ 結(jié)構(gòu)考慮165（D） 噪聲

19、166pin結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)；pin光電二極管工作物理機(jī)制；效率與頻率響應(yīng)措施。167同質(zhì)pn結(jié)光電二極管異質(zhì)pn結(jié)光電二極管金-半結(jié)光電二極管pin結(jié)光電二極管缺點(diǎn)：光生載流子不能放大雪崩光電二極管；雙極型光電晶體管；單極型光電晶體管。解決方案？1681.基本結(jié)構(gòu)示意圖(六) 雪崩光電二極管(APD)p+-pn+n+-npp+金-半結(jié)p+nn+p+-p-n+nnp+-+pn+nn+n+pE+nP+EE1692.基本工作原理 a. 器件偏置于臨界雪崩狀態(tài)； b. 光生載流子渡越空間電荷區(qū)雪崩倍增。 輸出載流子獲得增益。 優(yōu)勢(shì)：有增益； 噪聲低1703.雪崩增益-Mph雪崩倍增輸出光電流與雪崩倍增前光電

20、流比一般取100左右VRR雪崩擊穿電壓M=C?MC M nn p1743）最大信噪比175 (七) 光電晶體管n+pn1、雙極型光電晶體管異質(zhì)結(jié)晶體管？增益近似為1210-11176IVB#異質(zhì)結(jié)基本應(yīng)用A1. 限制BJT頻率特性因素？0:fmax:fT:177 A2.解決途徑HBT(異質(zhì)結(jié)雙極晶體管)qVpqVnEmitterBaseCollectorSi BJTqVn=qVpqVpqVnEmitterBaseCollectorSiGe HBTqVn 2|F|； 耗盡層寬度大: xd xdm ； 存在熱弛豫時(shí)間： 頻率周期小于弛豫時(shí)間，反型電荷來不及積累； 反型后表面勢(shì)降低。xd1892.信

21、號(hào)檢測(cè)電輸入光輸入hEg n+p1VinVG0V10p1VG0V10SDSDS (n+)完成儲(chǔ)存深耗盡反型輸入柵表面反型狀態(tài)1903.信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移t12310V? 2V?表面反型狀態(tài)12191三、線陣信號(hào)電荷讀出2.線陣信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移與儲(chǔ)存1.線陣信號(hào)電荷檢測(cè)1 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 3hv-信號(hào)區(qū)轉(zhuǎn)移區(qū)1 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 3儲(chǔ)存區(qū)1923.線陣信號(hào)電荷輸出-電流輸出n+VD+DS32VG01931 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31

22、 2 31 2 31 2 31 2 31 2 3儲(chǔ)存區(qū)1 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 31 2 3獲取信號(hào)區(qū)321321321321四、面陣信號(hào)轉(zhuǎn)移、儲(chǔ)存、讀出-CCD攝像器件第一行向外傳的同時(shí)，讀取下一幀194 五、CCD 器件主要性能參數(shù) 1.電荷轉(zhuǎn)移損失率(t) t時(shí)刻轉(zhuǎn)移結(jié)束仍留在電極下的電荷Q(t)與原在該電極下電荷Q(0)之比 那么轉(zhuǎn)移效率 初始為Q(0)的電荷，經(jīng)過n次轉(zhuǎn)移后，所剩電荷

23、若=99%，n=192,那么Q(n)=14Q0%MIS界面復(fù)合；漏電；頻率高電荷損失機(jī)理？胖零-表面始終耗盡狀態(tài)措施？1952.工作頻率f 頻率若少子轉(zhuǎn)移時(shí)間為t，壽命為，對(duì)三相有（ T-周期） t tth頻率上限頻率再低時(shí)，載流子傳輸不到下一勢(shì)阱則被復(fù)合。頻率再高時(shí)，載流子傳輸跟不上驅(qū)動(dòng)信號(hào)，輸運(yùn)不到下一阱。t Egab# 直接帶隙復(fù)合: h Eg 間接帶隙復(fù)合: h Eg+ n (1)帶間復(fù)合 (2)雜質(zhì)與帶間復(fù)合fjdec.導(dǎo)帶受主d.施主價(jià)帶e.施主受主(3)深能級(jí)雜質(zhì)復(fù)合 ch俄歇復(fù)合202 (4)激子復(fù)合 激子-電子和空穴束縛形成的可在晶體中移動(dòng)的中性粒子。激子中電子和空穴復(fù)合-激

24、子復(fù)合。(5)等電子復(fù)合: 同價(jià)原子取代主原子-稱為等電子。但原子序數(shù)不同，內(nèi)層電子結(jié)構(gòu)不同，電負(fù)性不同。原子序數(shù)小的，電子親和力大，易俘獲電子成為負(fù)電中心。原子序數(shù)大的，易俘獲空穴成為正電中心。該中心稱為等電子中心。 等電子中心再俘獲相反類型載流子形成束縛激子。之后復(fù)合發(fā)光-稱等電子復(fù)合。(6)等分子復(fù)合: 一種分子取代主分子-稱為等分子。若其電子親和力大，易俘獲電子成為負(fù)電中心。反之，易俘獲空穴成為正電中心。然后再俘獲相反類型載流子復(fù)合-稱等分子復(fù)合。 2032. 非輻射復(fù)合（1）多聲子躍遷 電子和空穴復(fù)合所放出的能量產(chǎn)生聲子，這一過程叫 做子躍遷。聲子躍遷的結(jié)果，使電子放出的能量轉(zhuǎn)變?yōu)?

25、晶格振動(dòng)能。（2）俄歇復(fù)合 電子和空穴復(fù)合時(shí)，把多余的能量傳給第三個(gè)載流子。 獲得能量的載流子又會(huì)產(chǎn)生多聲子過程。這種復(fù)合稱為俄 歇復(fù)合。 另外還存在許多其它的非輻射復(fù)合過程。 # 色散: 由于熱能,電子能量略高于EC，空穴能量略低于EV， 所以，發(fā)射光子能量204二、半導(dǎo)體發(fā)光二極管1.基本結(jié)構(gòu)2.基本工作原理少子擴(kuò)散長度pnn+襯底正偏；非平衡少子輻射復(fù)合；能量-動(dòng)量守恒。205a.本征型 直接帶隙 動(dòng)量守恒-效率高； 能量守恒 間接帶隙 動(dòng)量不等-效率低。 直接躍遷間接躍遷直接躍遷206Zn-OZnN施主-受主（幾個(gè)晶格距離）：激子： 等電子中心-等分子中心- b.非本征型2073.發(fā)光

26、效率 內(nèi)效率：外量子效率：2084.截至頻率2094、影響發(fā)光效率因素1）LED材料吸收2）菲涅耳（fresnel）損耗 光子從一種介質(zhì)入射另一種介質(zhì)，因折射率不同而 部分光子被反射回，稱菲涅耳損耗。3）斯涅耳（snell）損耗 光子從折射率大的介質(zhì)向折射率小的介質(zhì)入射時(shí)， 若入射角大于其臨界角C ，則，入射光從界面全 反射回原介質(zhì)。4）表面反射2103）菲涅耳（fresnel）損耗 GaAs: C= 16；GaP: C= 171）LED材料吸收 h Eg（襯底、表面）-吸收。 GaAs吸收85%，GaP吸收25%2）斯涅耳（snell）損耗pn襯底pn襯底C2115、考慮效率的LED結(jié)構(gòu) 1

27、）抗反射膜 垂直入射光菲涅爾反射系數(shù)2122）異質(zhì)結(jié)LED+-有源層限制層限制層有源層摻雜濃度與效率p型限制層摻雜濃度與效率n型限制層摻雜濃度與效率P型1017n型1017降低吸收；減小臨界角角101710181016 1017 2133）封裝外形與效率2147、光纖通信LED 8、側(cè)光高強(qiáng)度LED 2159、白光LED 1）多基色 2）單色LED覆蓋色彩轉(zhuǎn)換材料 如熒光材料、有機(jī)染料、半導(dǎo)體材料等，吸收原色后發(fā) 出寬譜。 3）藍(lán)光LED覆蓋黃色磷，藍(lán)光與磷產(chǎn)生的黃光合成白光。電致發(fā)光光致發(fā)光21610、發(fā)光二極管主要材料紅-GaP:Zn-O; GaAs0.6P0.4; Ga0.7Al0.3A

28、s -6500 7600 橙-GaAs0.35P0.65; In0.3Ga0.7P - 5900 6500 黃-GaP:N:N; GaAs0.15P0.85 - 5900 6500 綠- GaP:N ；GaInP- 5700 5900 蘭-GaN ;GaInP- 4300 4600 易獲電子易獲空穴可見光：4000 7600 ；Eg2172181、GaAs1-xPx（ GaAs+ GaP）-紅、橙、黃、綠，亮度較低 轉(zhuǎn)化為間接帶隙，效率降低 措施：GaAs1-x（Px）1-y：Ny引入等電子中心 機(jī)理：等電子中心復(fù)合能級(jí)接近導(dǎo)帶底。 電子波函數(shù)在空間高度局域化，基于測(cè)不準(zhǔn)原理，波函數(shù)動(dòng)量 在k

29、空間可有較大的范圍，動(dòng)量的變化量被等電子雜質(zhì)吸收。 Eg：0 0.5 1.01.53.02.02.5xxxX0.45：帶隙轉(zhuǎn)化0 0.5 1.00.0011.00.010.1x未摻N摻N歸一化效率2192、(AlxGa1-x)yIn1-yP -紅、橙、黃，高亮度 x 0. 53轉(zhuǎn)換為間接帶隙； 常用作雙異質(zhì)結(jié)LED有源區(qū)材料，長波長小較低， 0.45轉(zhuǎn)換為間接帶隙；與GaAs晶格匹配220221影響內(nèi)外發(fā)光效率因素；增強(qiáng)發(fā)光效率的主要技術(shù)措施。222Ch6 半導(dǎo)體激光器-Semiconductor Lasers-223一、 半導(dǎo)體激光器物理光諧振光子限定受激輻射受激吸收1.光子與電子的相互作用

30、ECEVh受激吸收ECEVhhh受激發(fā)射ECEVh自發(fā)發(fā)射2242.基本結(jié)構(gòu)-正偏pn結(jié)hpn有源區(qū)-諧振腔 光子限定區(qū)3.基本本特性 相干光束方向、頻率、相位差相同2254.產(chǎn)生激光條件a.受激輻射+自發(fā)輻射 受激吸收 受激輻射+自發(fā)輻射受激輻射 受激吸收 （粒子數(shù)反轉(zhuǎn)）b.光子限定； 光子限定于確定區(qū)域。c.光諧振 -產(chǎn)生諧振：使增益大于損耗； 形成單色光。 光諧振光子限定受激輻射受激吸收226a.受激輻射 受激吸收 pn結(jié)處非平衡狀態(tài) 用準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)227228粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件229物理意義：受激發(fā)射大于受激吸收：導(dǎo)帶底電子占據(jù)幾率 價(jià)帶頂電子占據(jù)幾率。EFn EFp h Eg：簡(jiǎn)并半導(dǎo)體，

31、但不能使其形成負(fù)阻效應(yīng)粒子數(shù)翻轉(zhuǎn)-又稱電子限定輻射復(fù)合區(qū)域ECECEVEVEFECEVECEVEFnEFp230b.光子限定hpn有源區(qū)-復(fù)合發(fā)光區(qū)npp 型區(qū)折射率；n1 有源區(qū)折射率；nn n型區(qū)折射率。根據(jù)斯捏耳(Snell Law):c1 = arc sin(np/n1)c2 = arc sin(nn/n1)有：n1np; n1nn光波導(dǎo)-又稱光子限定，折射率差是產(chǎn)生光波導(dǎo)效應(yīng)基礎(chǔ)。光子被反射c2 c1 231xzy0-d/2+d/2# 光波導(dǎo)理論-光在平板介質(zhì)波導(dǎo)中的傳輸特性 (對(duì)稱三層介質(zhì)波導(dǎo))傳播方向：Z考慮y方向偏振的TE波： Ez=0 波導(dǎo)寬度(y)厚度(x)， 根據(jù)Maxwell方程，只有Ey存在，其波動(dòng)方程滿足232xzy0-d/2+d/2233234# 對(duì)稱三層介質(zhì)波導(dǎo)中光的限定因子-235結(jié)構(gòu)：AlxGa1-xAs/ Ga As/ AlxGa1-xAsEg(x)=1.42+1.247x (eV)n(x)=3.590-0.710 x+0.091x2電場(chǎng)平方與波導(dǎo)內(nèi)位置關(guān)系基波md m限定因子與折