固體的能帶結(jié)構(gòu)介紹課件

固體的能帶結(jié)構(gòu)第三個(gè)內(nèi)容固體的能帶結(jié)構(gòu)第三個(gè)內(nèi)容1目錄§4.1固體的能帶§4.2導(dǎo)體和絕緣體§4.3半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)§4.4pn結(jié)△§4.5半導(dǎo)體器件

§4.6半導(dǎo)體激光器（補(bǔ)充）目錄§4.1固體的能帶§4.2導(dǎo)體和絕緣體§4.2

固體物理既是一門綜合性的理論學(xué)科又和固體物理是信息技術(shù)的物理基礎(chǔ)1928-29建立能帶理論并由實(shí)驗(yàn)證實(shí)1947發(fā)明晶體管1962制成集成電路實(shí)際應(yīng)用緊密結(jié)合（材料、激光、半導(dǎo)體…）固體物理既是一門綜合性的理論學(xué)科又和固體物理是信息技319828028613.4萬

80486120萬1993pentium320萬1995pentiumMMX550萬1997pentium2750萬集成度每10年增加1000倍！1971intel4004微處理器芯片2300晶體管1982802864

集成度的每一步提高，都和表面物理及光刻

沒有晶體管和超大規(guī)模集成電路，就沒有計(jì)現(xiàn)在在一個(gè)面積比郵票還小的芯片上可以集其上可以集成109個(gè)元件，度只有0.12微米。成一個(gè)系統(tǒng)，的研究分不開。算機(jī)的普遍應(yīng)用和今天的信息處理技術(shù)。溝道長集成度的每一步提高，都和表面物理及光刻沒有晶5先看兩個(gè)原子的情況.Mg.

Mg

根據(jù)泡利不相容原理，原來的能級(jí)已填滿不能再填充電子1s2s2p3s3p1s2s2p3s3p§4.1固體的能帶—分裂為兩條先看兩個(gè)原子的情況.Mg.Mg根據(jù)泡利不相容原理，6各原子間的相互作用原來孤立原子的能級(jí)發(fā)生分裂若有N個(gè)原子組成一體，對(duì)于原來孤立原子的一個(gè)能級(jí)，就分裂成N條靠得很近的能級(jí)，能帶的寬度記作E

E

～eV的量級(jí)

若N~1023，則能帶中兩相鄰能級(jí)的間距稱為能帶（energyband）。約為10-23eV。各原子間的相互作用原來孤立原子的能級(jí)發(fā)生分裂若有N個(gè)原子7能級(jí)能帶N條能隙，禁帶E一般規(guī)律：

1.越是外層電子，能帶越寬，E越大；

2.點(diǎn)陣間距越小，能帶越寬，E越大；3.兩個(gè)能帶有可能重疊。能級(jí)能帶N條能隙，禁帶E一般規(guī)律：1.越是外層電子，8離子間距a2P2S1SE0能帶重疊示意圖離子間距a2P2S1SE0能帶重疊示意圖9

一.電子在周期勢場中的運(yùn)動(dòng)電子共有化孤立原子中電子的勢阱電子能級(jí)+勢壘一.電子在周期勢場中的運(yùn)動(dòng)電子共有化孤立原子中電子的10

固體（這里指晶體）具有由大量分子、電子受到周期性勢場的作用：a原子或離子的規(guī)則排列而成的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。固體（這里指晶體）具有由大量分子、電子受到周期性勢場11

解定態(tài)薛定諤方程，可以得出兩點(diǎn)1.電子的能量是量子化的；2.電子的運(yùn)動(dòng)有隧道效應(yīng)。

原子的外層電子（在高能級(jí)）勢壘穿透

原子的內(nèi)層電子與原子核結(jié)合較緊，一般概率較大，電子可以在整個(gè)固體中運(yùn)動(dòng)，稱為共有化電子。重要結(jié)論：不是共有化電子。解定態(tài)薛定諤方程，可以得出兩點(diǎn)1.電子的能量是量子12二.能帶中電子的排布

固體中的一個(gè)電子只能處在某個(gè)能帶中1.排布原則：（1）服從泡里不相容原理（費(fèi)米子）

（2）服從能量最小原理

對(duì)孤立原子的一個(gè)能級(jí)Enl，它最多能

這一能級(jí)分裂成由N個(gè)能級(jí)組成的能帶，的某一能級(jí)上。容納2(2l+1)個(gè)電子。一個(gè)能帶最多能容納2

(2l+1)N

個(gè)電子。二.能帶中電子的排布固體中的一個(gè)電子只能處在某132p、3p能帶，最多容納6Ｎ個(gè)電子。例如，1s、2s能帶，最多容納2Ｎ個(gè)電子。每個(gè)能帶最多容納2Ｎ個(gè)電子每個(gè)能帶最多容納6Ｎ個(gè)電子單個(gè)Mg原子1s2s2p3s3p

晶體Mg（N個(gè)原子）

電子排布應(yīng)從最低的能級(jí)排起。2p、3p能帶，最多容納6Ｎ個(gè)電子。例如，1s、2s能帶，14

滿帶：填滿電子的能帶。

空帶：沒有電子占據(jù)的能帶。

不滿帶(也稱為導(dǎo)帶）：未填滿電子的能帶。

禁帶：不能填充電子的能區(qū)。

價(jià)帶：和價(jià)電子能級(jí)相應(yīng)的能帶，對(duì)半導(dǎo)體，價(jià)帶通常是滿帶。即最高的充有電子的能帶。2.幾個(gè)概念

滿帶E

不滿帶

禁帶

禁帶價(jià)帶

空帶滿帶：填滿電子的能帶。空帶：沒有電子占據(jù)的能帶。不滿15

不滿帶或滿帶以上最低的空帶，稱為導(dǎo)帶。3.能帶中電子的導(dǎo)電性滿帶不導(dǎo)電：…

電子交換能態(tài)并不改變能量狀態(tài)，所以滿帶不導(dǎo)電。

電子在電場作用下作定向運(yùn)動(dòng)，得到附加能量，電子能量發(fā)生變化。導(dǎo)帶導(dǎo)電：導(dǎo)帶中電子才能改變能量。

導(dǎo)電性：不滿帶或滿帶以16Ep價(jià)帶(滿帶)空帶(導(dǎo)帶)不滿帶(導(dǎo)帶)EEp導(dǎo)帶導(dǎo)電：Ep價(jià)帶(滿帶)空帶(導(dǎo)帶)不滿帶(導(dǎo)帶)EEp導(dǎo)帶導(dǎo)電：17§4.2導(dǎo)體和絕緣體

它們的導(dǎo)電性能不同，是因?yàn)樗鼈兊哪軒ЫY(jié)構(gòu)不同。固體按導(dǎo)電性能的高低可以分為導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體§4.2導(dǎo)體和絕緣體它們的導(dǎo)電性能不同，是因?yàn)?8一.導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)

空帶

導(dǎo)帶E某些一價(jià)金屬，如:Li…

滿帶

空帶E某些二價(jià)金屬，如:Be,Ca,Mg,Zn,Ba…

導(dǎo)帶

空帶E如:Na,K,Cu,Al,Ag…一.導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)空帶導(dǎo)帶E某些一19

導(dǎo)體在外電場的作用下，大量共有化電子

從能級(jí)圖上來看，是因?yàn)槠涔灿谢娮雍芤讖牡湍芗?jí)躍遷到高能級(jí)上去。E很易獲得能量，集體定向流動(dòng)形成電流。導(dǎo)體在外電場的作用下，大量共有化電子從能級(jí)20二.絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)E

空帶

空帶

滿帶禁帶ΔEg=3～6eV從能級(jí)圖來看，是因?yàn)闈M帶

絕緣體在外電場的作用下，

當(dāng)外電場足夠強(qiáng)時(shí)，共有化電子還是能越過共有化電子很難從低能級(jí)（滿帶）躍遷到高能級(jí)（空帶）上去。的能量，所以形不成電流。（Eg：3～6eV），與空帶間有一個(gè)較寬的禁帶禁帶躍遷到上面的空帶中，使絕緣體被擊穿。共有化電子很難接受外電場二.絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)E空帶空帶21§4.3半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)一.本征半導(dǎo)體（semiconductor）

本征半導(dǎo)體是指純凈的半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能在導(dǎo)體與絕緣體之間。1.本征半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)Eg=0.12eVE空帶（導(dǎo)帶）

滿帶禁帶本征半導(dǎo)體所以加熱、光照、加電場都能把電子從滿帶激到發(fā)空帶中去，同時(shí)在滿帶中形成“空穴”（hole）。半導(dǎo)體的禁帶寬度ΔEg

很窄（0.1～2eV），§4.3半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)一.本征半導(dǎo)體（semicond22例如半導(dǎo)體CdS：滿帶空帶hEg=2.42eV

滿帶上的一個(gè)電子躍遷到空帶后，滿帶中出現(xiàn)一個(gè)帶正電的空位，稱為“空穴”。

電子和空穴總是成對(duì)出現(xiàn)的。

電子和空穴叫本征載流子，它們形成半導(dǎo)體的本征導(dǎo)電性。

當(dāng)光照

h>ΔEg

時(shí)，

可發(fā)生本征吸收，形成本征光電導(dǎo)。例如半導(dǎo)體CdS：滿帶空帶hEg=2.42eV232.兩種導(dǎo)電機(jī)構(gòu)（1）電子導(dǎo)電

—半導(dǎo)體的主要載流子是電子解【例】要使半導(dǎo)體CdS產(chǎn)生本征光電導(dǎo)，求激發(fā)電子的光波的波長最大多長？2.兩種導(dǎo)電機(jī)構(gòu)（1）電子導(dǎo)電—半導(dǎo)體的主要載流子是電24

在外電場作用下，電子可以躍遷到空穴上來，這相當(dāng)于空穴反向躍遷。

空穴躍遷也形成電流，這稱為空穴導(dǎo)電?？諑M帶Eg（2）空穴導(dǎo)電

—半導(dǎo)體的主要載流子是空穴在外電場作用下，電子可以躍遷到空穴上來，這相當(dāng)于空25當(dāng)外電場足夠強(qiáng)時(shí)，共有化電子還是能越半導(dǎo)體導(dǎo)體擊穿過禁帶躍遷到上面的空帶中，使半導(dǎo)體擊穿。當(dāng)外電場足夠強(qiáng)時(shí)，共有化電子還是能越半導(dǎo)體導(dǎo)體擊穿過禁帶躍遷26二.雜質(zhì)（impurity）半導(dǎo)體1.n型半導(dǎo)體又稱n型半導(dǎo)體。

量子力學(xué)表明，這種摻雜后多余的電子的能級(jí)在禁帶中緊靠空帶處，ED～10-2eV，極易形成電子導(dǎo)電。本征半導(dǎo)體Si、Ge等的四個(gè)價(jià)電子，與另四個(gè)原子形成共價(jià)結(jié)合，當(dāng)摻入少量五價(jià)的雜質(zhì)元素（如P、As等）時(shí)，就形成了電子型半導(dǎo)體，二.雜質(zhì)（impurity）半導(dǎo)體1.n型半導(dǎo)體又稱n27

n型半導(dǎo)體空帶滿帶施主能級(jí)EDEgSiSiSiSiSiSiSiP

這種靠近空帶的附加能級(jí)稱為施主（donor）能級(jí)。如下圖示：n型半導(dǎo)體空帶滿帶施主能級(jí)EDEgSiSiSi28則P原子濃度～1018cm3np=1.5×1010cm3+1018=1018cm3

室溫下：本征激發(fā)雜質(zhì)激發(fā)導(dǎo)帶中電子濃度nn=1.5×1010滿帶中空穴濃度設(shè)Si中P的含量為104電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。在n型半導(dǎo)體中：電子濃度nn～施主雜質(zhì)濃度ndSi原子濃度～1022cm3則P原子濃度～1018cm3np=1.5×1010292.p型半導(dǎo)體

四價(jià)的本征半導(dǎo)體Si、Ｇe等摻入少量三價(jià)的雜質(zhì)元素（如Ｂ、Ga、In等）時(shí)，就形成空穴型半導(dǎo)體，又稱p型半導(dǎo)體。

量子力學(xué)表明，這種摻雜后多余的空穴能級(jí)在禁帶中緊靠滿帶處，EA

<10-1eV，極易產(chǎn)生空穴導(dǎo)電。2.p型半導(dǎo)體四價(jià)的本征半導(dǎo)體Si、Ｇe等摻入少30空帶EA滿帶受主能級(jí)

P型半導(dǎo)體SiSiSiSiSiSiSi+BEg

這種靠近滿帶的附加能級(jí)稱為受主（acceptor）能級(jí)。如下圖示：空帶EA滿帶受主能級(jí)P型半導(dǎo)體SiSiSiSiSi31則B原子濃度～1018cm3np=1.5×1010

室溫下：本征激發(fā)雜質(zhì)激發(fā)導(dǎo)帶中電子濃度nn=1.5×1010cm3滿帶中空穴濃度設(shè)Si中B的含量為10－4+1018=1018cm3空穴是多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子。空穴濃度np～受主雜質(zhì)濃度na在p型半導(dǎo)體中：Si原子濃度～1022cm

3則B原子濃度～1018cm3np=1.5×101323.n型化合物半導(dǎo)體

例如，化合物GaAs中摻Te，六價(jià)的Te替代五價(jià)的As可形成施主能級(jí)，成為n型GaAs雜質(zhì)半導(dǎo)體。4.p型化合物半導(dǎo)體

例如，化合物GaAs中摻Zn，二價(jià)的Zn替代三價(jià)的Ga可形成受主能級(jí)，成為p型GaAs雜質(zhì)半導(dǎo)體。3.n型化合物半導(dǎo)體例如，化合物GaAs中摻Te33三.雜質(zhì)的補(bǔ)償作用

實(shí)際的半導(dǎo)體中既有施主雜質(zhì)（濃度nd），又有受主雜質(zhì)（濃度na），兩種雜質(zhì)有補(bǔ)償作用：

若ndna——為n型（施主）

若ndna——為p型（受主）利用雜質(zhì)的補(bǔ)償作用，可以制成p-n結(jié)。三.雜質(zhì)的補(bǔ)償作用實(shí)際的半導(dǎo)體中既有施主雜質(zhì)（濃度34§4.4p-n結(jié)一.p-n結(jié)的形成

在n型半導(dǎo)體基片的一側(cè)摻入較高濃度的面附近產(chǎn)生了一個(gè)內(nèi)建阻止電子和空穴進(jìn)一步擴(kuò)散。電子和空穴的擴(kuò)散，在p型和n型半導(dǎo)體交界p型半導(dǎo)體(補(bǔ)償作用)。受主雜質(zhì)，（電）場該區(qū)就成為n型p型§4.4p-n結(jié)一.p-n結(jié)的形成在35

內(nèi)建場大到一定程度，不再有凈電荷的流動(dòng)，達(dá)到了新的平衡。

在p型和n型交界面附近形成的這種特殊結(jié)構(gòu)稱為p-n結(jié)（阻擋層，耗盡層），其厚度約為0.1m。p-n結(jié)p型n型內(nèi)建場大到一定在p型和n型交界面附近形成的36U0電勢電子電勢能p-n結(jié)npU0電勢電子電勢能p-n結(jié)np37

由于p-n結(jié)的存在，電子的能量應(yīng)考慮進(jìn)勢

這使電子能帶出現(xiàn)彎曲：空帶空帶p-n結(jié)施主能級(jí)受主能級(jí)滿帶滿帶壘帶來的附加勢能。由于p-n結(jié)的存在，電子的能量應(yīng)考慮進(jìn)勢這使電子38二.p-n結(jié)的單向?qū)щ娦?.正向偏壓p-n結(jié)的p型區(qū)接電源正極，叫正向偏壓。向p區(qū)運(yùn)動(dòng)，阻擋層勢壘降低、變窄，有利于空穴向n區(qū)運(yùn)動(dòng)，也有利于電子和反向，這些都形成正向電流（mＡ級(jí)）。p型n型I+二.p-n結(jié)的單向?qū)щ娦?.正向偏壓p-n結(jié)的p型39

外加正向電壓越大，形成的正向電流也越大，且呈非線性的伏安特性。U（伏）302010（毫安）正向00.21.0I鍺管的伏安特性曲線外加正向電壓越大，U（伏）302010（毫安）正向402.反向偏壓p-n結(jié)的p型區(qū)接電源負(fù)極，叫反向偏壓。也不利于電

阻擋層勢壘升高、變寬，不利于空穴向n區(qū)運(yùn)動(dòng)，和同向，會(huì)形成很弱的反向電流，稱漏電流（Ａ級(jí)）。I無正向電流p型n型+子向p區(qū)運(yùn)動(dòng)。但是由于少數(shù)載流子的存在，2.反向偏壓p-n結(jié)的p型區(qū)接電源負(fù)極，叫反向偏壓。也不利41

當(dāng)外電場很強(qiáng)，反向電壓超過某一數(shù)值后，反向電流會(huì)急劇增大—反向擊穿。V(伏)I-10-20-30（微安）反向-20-30

用pn結(jié)的單向?qū)щ娦?，擊穿電壓用pn結(jié)的光生伏特效應(yīng)，可制成光電池。p-n結(jié)的應(yīng)用：做整流、開關(guān)用。

加反向偏壓時(shí)，pn結(jié)的伏安特性曲線如左圖?？芍瞥删w二極管（diode），當(dāng)外電場很強(qiáng)，反向電壓超過某一數(shù)值后，V(伏)I42半導(dǎo)體發(fā)光二極管半導(dǎo)體發(fā)光二極管43

1、發(fā)光二極管定義和應(yīng)用1、發(fā)光二極管定義和應(yīng)用44根據(jù)應(yīng)用劃分的超高亮度發(fā)光二極管市場根據(jù)應(yīng)用劃分的超高亮度發(fā)光二極管市場45LED水下燈飾LED照明的會(huì)議室LED水下燈飾LED照明的會(huì)議室46汽車燈草坪燈

LED特點(diǎn)：電壓低，小于5伏；響應(yīng)時(shí)間短，幾十nS；壽命長，幾萬小時(shí)以上;耗能低；

無污染

LED應(yīng)用：背光源、大屏幕顯示、燈具、防偽、生物、醫(yī)學(xué)白光LED流明效率達(dá)到150流明/瓦（lm/W）流明效率已經(jīng)超過日光燈（80lm/W)汽車燈草坪燈LED特點(diǎn)：電壓低，小于5伏；47在電流作用下，n型層的電子和p型層的空穴發(fā)生擴(kuò)散，電子和空穴復(fù)合發(fā)光。

2、LED發(fā)光原理在電流作用下，n型層的電子和p型層的空穴發(fā)生擴(kuò)散，電子和48可見光波長：380nm～770nm(700nm),

發(fā)光二極管波長：紫:380-410nm;

藍(lán):430-480nm;

綠:510-550nm;

黃:570-600nm;

紅:620-700nm發(fā)光波長由光子能量決定,光子能量一般由禁帶寬度決定光子能量:E=hυυ：頻率，h：普朗克常數(shù)

（4.14×10-15eV·s）

發(fā)光波長:λ=c/υ=hc/E=1240/E（nm）

禁帶寬度2.0eV,發(fā)光波長：620nm

可見光波長：380nm～770nm(700nm),發(fā)光波長49

白光LED發(fā)光原理

1:藍(lán)光芯片激發(fā)黃光熒光粉:成本低,應(yīng)用最廣2:紫光或紫外光芯片激發(fā)藍(lán),黃,紅熒光粉芯片發(fā)光效率不高3:紅,綠,藍(lán)芯片組合成本高,高檔場所應(yīng)用白光LED發(fā)光原理

1:藍(lán)光芯片激發(fā)黃光熒光粉50注入的電子和空穴數(shù)目；非輻射復(fù)合中心的數(shù)目；輻射復(fù)合幾率；出光效率

3、決定LED強(qiáng)度因素hvnp注入的電子和空穴數(shù)目；3、決定LED強(qiáng)度因素hvnp51獲得較高載流子濃度的p型和n型材料；減少缺陷和雜質(zhì)濃度；提高電子和空穴的復(fù)合幾率；提高出光效率。

4、提高LED性能途徑獲得較高載流子濃度的p型和n型材料；4、提高LED性能途52提高復(fù)合幾率（內(nèi)量子效率）:量子阱結(jié)構(gòu)提高復(fù)合幾率（內(nèi)量子效率）:量子阱結(jié)構(gòu)53提高出光效率提高出光效率54(1)發(fā)光波長（λ）；一般用nm表示。(2)正向電壓:20mA時(shí)所用電壓；一般用Vf

。(3)輸出光功率:20mA時(shí)的輸出光功率，用mW，W表示。

20mA時(shí)的輸出光功率，單位：坎德拉，cd；mcd；照明光源：流明/瓦；lm/W；白熾燈（25lm/W）；日光燈（80lm/W）(4)反向漏電流：反向5伏或10伏時(shí)的反向電流。

5、LED的電流電壓特性和性能參數(shù)(1)發(fā)光波長（λ）；一般用nm表示。5、LED的電流電壓55外延片生長芯片制備封裝n型電極p型電極

6、LED制備流程外延片生長芯片制備封裝n型電極p型電極6、LED制備流程56（1）外延片生長：金屬有機(jī)氣相沉積

metalorgannicchemicalvapordeposition（MOCVD）生長參數(shù)：溫度、氣壓、原材料、流量、摻雜劑量熱電偶尾氣管GaN-MOCVD反應(yīng)室管有機(jī)源

NH3光學(xué)探頭冷卻水尾氣管(CH3)3Ga+NH3GaN+3CH4H2（1）外延片生長：熱電偶尾氣管GaN-MOCVD反應(yīng)室管有機(jī)57LED外延片結(jié)構(gòu)：同質(zhì)結(jié)、異質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)、量子阱、量子點(diǎn)發(fā)光二極管材料的選擇：

1.帶隙寬度合適

2.有合適的襯底材料

3.可獲得高電導(dǎo)率n型和p型材料

4.載流子復(fù)合幾率大,可獲得異質(zhì)結(jié)或量子阱結(jié)構(gòu)LED外延片結(jié)構(gòu)：同質(zhì)結(jié)、異質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)、量子阱、量子點(diǎn)58藍(lán)寶石緩沖層未摻雜GaNn-GaN:SiP-AlGaN:MgBarrierGaNWellInGaNP-GaN:Mg金屬電極n-AlGaN:Si金屬電極量子阱（2）芯片制備：

藍(lán)寶石緩沖層未摻雜GaNn-GaN:SiP-AlGaN:59光刻刻蝕鍍膜光刻、刻蝕合金鍍膜鍍膜光刻、刻蝕合金光刻、刻蝕外延片工序：光刻、刻蝕、鍍膜、合金、劃片（切割）、裂片、分選設(shè)備：

光刻機(jī)、刻蝕機(jī)、電子束蒸發(fā)臺(tái)（鍍膜機(jī)）、合金爐、磨片機(jī)、劃片機(jī)、裂片機(jī)、芯片分選設(shè)備制備環(huán)節(jié)多，各環(huán)節(jié)的穩(wěn)定性，成品率對(duì)于規(guī)?；a(chǎn)極為重要。

光刻刻蝕鍍膜光刻、刻蝕合金鍍膜鍍膜光刻、刻蝕合金光刻、刻蝕外60增加外量子效率：厚的窗口層及透明基板增加外量子效率：厚的窗口層及透明基板61表面編織表面編織62改變芯片幾何形狀改變芯片幾何形狀63采用光子晶體技術(shù)

采用光子晶體技術(shù)64（3）、LED封裝：

工序：裝架、鍵合、封裝、等國內(nèi)絕大數(shù)公司從事LED封裝和應(yīng)用產(chǎn)品生產(chǎn)外延片生長和芯片制備產(chǎn)業(yè)薄弱（3）、LED封裝：65△§4.5半導(dǎo)體器件p-n結(jié)的適當(dāng)組合可以作成具有放大作用的晶體三極管（trasistor）和其他一些半導(dǎo)體器件。集成電路大規(guī)模集成電路超大規(guī)模集成電路晶體管（1947）（1962）（80年代）103105甚大規(guī)模集成電路巨大規(guī)模集成電路107109

（70年代）（90年代）（現(xiàn)在）△§4.5半導(dǎo)體器件p-n結(jié)的適當(dāng)組合可以作成具66晶體管的發(fā)明1947年12月23日，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的半導(dǎo)體小組做出世界上第一只具有放大作用的點(diǎn)接觸型晶體三極管。1956年小組的三位成員獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。巴丁J.Bardeen布拉頓W.H.Brattain肖克利W.Shockley晶體管的發(fā)明1947年12月23日，美國貝爾實(shí)驗(yàn)67

每一個(gè)集成塊（圖中一個(gè)長方形部分）約為手指甲大小，它有300多萬個(gè)三極管。INMOST900微處理器每一個(gè)集成塊（圖中一個(gè)長方形部分）約為手指甲大小，它68

同質(zhì)結(jié)激光器—由同種材料制成的p-n結(jié)半導(dǎo)體激光器分兩類：

異質(zhì)結(jié)激光器—由兩種不同材料制成的p-I-n

§4.6半導(dǎo)體激光器（補(bǔ)充）

半導(dǎo)體激光器是光纖通訊中的重要光源，在創(chuàng)建信息高速公路的工程中起著極重要的作用。（重?fù)诫s）結(jié)（I為本征半導(dǎo)體）同質(zhì)結(jié)激光器—由同種材料制成的p-n結(jié)半導(dǎo)體激光69重?fù)诫spn滿帶空帶pn滿帶空帶普通摻雜1.同質(zhì)結(jié)激光器重?fù)诫spn滿帶空帶pn滿帶空帶普通摻雜1.同質(zhì)結(jié)激70加正向偏壓V

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。

pn阻擋層E內(nèi)-++-+-+-+-Ｅ外E內(nèi)pn阻擋層+-----++++pn滿帶空帶eU0pn滿帶空帶e(U0-V)電子空穴復(fù)合發(fā)光，由自發(fā)輻射引起受激輻射。.加正向偏壓V粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。pn阻擋層E內(nèi)-++-+-+71解理面p-n結(jié)p-n結(jié)它的兩個(gè)端面就相當(dāng)于兩個(gè)反射鏡，光振蕩并利于選頻。．的反射系數(shù)，激勵(lì)能源就是外接電源（電泵）。使電子空穴的復(fù)合不斷進(jìn)行，維持激光的輸出。p-n結(jié)本身就形成一個(gè)光學(xué)諧振腔，它提供正向電流，適當(dāng)鍍膜達(dá)到所要求可形成解理面p-n結(jié)p-n結(jié)它的兩個(gè)端面就相光振蕩并利于選頻。．的72解理面p-n結(jié)核心部分：p型GaAsn型GaAs典型尺寸（m）：長

L=250-500寬W=5-10厚d=0.1-0.2GaAs同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器2.異質(zhì)結(jié)激光器作為概念上的過渡，先介紹同質(zhì)p-I-n結(jié)。

同質(zhì)結(jié)的缺點(diǎn)是需要重?fù)诫s，且光損耗大。解理面p-n結(jié)核心部分：p型GaAsn型GaAs典型尺73加正向偏壓實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。需要電壓較高。導(dǎo)帶禁帶價(jià)帶pInpIn-------++++++E內(nèi)U0導(dǎo)帶禁帶價(jià)帶三塊半導(dǎo)體緊密接觸，形成p-I-n結(jié)Inp（本征）+-pInE內(nèi)E外加正向偏壓實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。需要電壓較高。導(dǎo)帶禁帶價(jià)帶pInp74

異質(zhì)p-I-n結(jié)激光器：Ga1-xAlxAsGaAsGa1-xAlxAs加正向偏壓后，很容易實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。GaAs和GaAlAs,晶格常數(shù)基本相同，禁帶寬度不同，折射率不同緊密接觸,形成p-I-n結(jié)導(dǎo)帶禁帶價(jià)帶pIn導(dǎo)帶禁帶價(jià)帶U0InppIn-------++++++E內(nèi)+-pInE內(nèi)E外異質(zhì)p-I-n結(jié)激光器：Ga1-xAlxAsGaA75（2）GaAs的折射率比兩側(cè)高5%，可形成全實(shí)際使用的都是異質(zhì)結(jié)激光器。異質(zhì)結(jié)激光器的優(yōu)點(diǎn)：（1）無須重?fù)诫s；（3）閾值電流密度低，可在室溫下連續(xù)工作。反射，把激光束限制在激活區(qū)內(nèi)；（2）GaAs的折射率比兩側(cè)高5%，可形成全實(shí)76半導(dǎo)體激光器的特點(diǎn)：功率可達(dá)102mW效率高制造方便成本低所需電壓低（對(duì)GaAs只需1.5V

）體積小極易與光纖接合電能直接變成光能壽命長可達(dá)百萬小時(shí)

用于激光通訊、信息儲(chǔ)存、處理和顯示器件、測距、制導(dǎo)、夜視等。半導(dǎo)體激光器的特點(diǎn)：功率可達(dá)102mW效率高制造方便成77

固體的能帶結(jié)構(gòu)第三個(gè)內(nèi)容固體的能帶結(jié)構(gòu)第三個(gè)內(nèi)容78目錄§4.1固體的能帶§4.2導(dǎo)體和絕緣體§4.3半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)§4.4pn結(jié)△§4.5半導(dǎo)體器件

§4.6半導(dǎo)體激光器（補(bǔ)充）目錄§4.1固體的能帶§4.2導(dǎo)體和絕緣體§4.79

固體物理既是一門綜合性的理論學(xué)科又和固體物理是信息技術(shù)的物理基礎(chǔ)1928-29建立能帶理論并由實(shí)驗(yàn)證實(shí)1947發(fā)明晶體管1962制成集成電路實(shí)際應(yīng)用緊密結(jié)合（材料、激光、半導(dǎo)體…）固體物理既是一門綜合性的理論學(xué)科又和固體物理是信息技8019828028613.4萬

80486120萬1993pentium320萬1995pentiumMMX550萬1997pentium2750萬集成度每10年增加1000倍！1971intel4004微處理器芯片2300晶體管19828028681

集成度的每一步提高，都和表面物理及光刻

沒有晶體管和超大規(guī)模集成電路，就沒有計(jì)現(xiàn)在在一個(gè)面積比郵票還小的芯片上可以集其上可以集成109個(gè)元件，度只有0.12微米。成一個(gè)系統(tǒng)，的研究分不開。算機(jī)的普遍應(yīng)用和今天的信息處理技術(shù)。溝道長集成度的每一步提高，都和表面物理及光刻沒有晶82先看兩個(gè)原子的情況.Mg.

Mg

根據(jù)泡利不相容原理，原來的能級(jí)已填滿不能再填充電子1s2s2p3s3p1s2s2p3s3p§4.1固體的能帶—分裂為兩條先看兩個(gè)原子的情況.Mg.Mg根據(jù)泡利不相容原理，83各原子間的相互作用原來孤立原子的能級(jí)發(fā)生分裂若有N個(gè)原子組成一體，對(duì)于原來孤立原子的一個(gè)能級(jí)，就分裂成N條靠得很近的能級(jí)，能帶的寬度記作E

E

～eV的量級(jí)

若N~1023，則能帶中兩相鄰能級(jí)的間距稱為能帶（energyband）。約為10-23eV。各原子間的相互作用原來孤立原子的能級(jí)發(fā)生分裂若有N個(gè)原子84能級(jí)能帶N條能隙，禁帶E一般規(guī)律：

1.越是外層電子，能帶越寬，E越大；

2.點(diǎn)陣間距越小，能帶越寬，E越大；3.兩個(gè)能帶有可能重疊。能級(jí)能帶N條能隙，禁帶E一般規(guī)律：1.越是外層電子，85離子間距a2P2S1SE0能帶重疊示意圖離子間距a2P2S1SE0能帶重疊示意圖86

一.電子在周期勢場中的運(yùn)動(dòng)電子共有化孤立原子中電子的勢阱電子能級(jí)+勢壘一.電子在周期勢場中的運(yùn)動(dòng)電子共有化孤立原子中電子的87

固體（這里指晶體）具有由大量分子、電子受到周期性勢場的作用：a原子或離子的規(guī)則排列而成的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。固體（這里指晶體）具有由大量分子、電子受到周期性勢場88

解定態(tài)薛定諤方程，可以得出兩點(diǎn)1.電子的能量是量子化的；2.電子的運(yùn)動(dòng)有隧道效應(yīng)。

原子的外層電子（在高能級(jí)）勢壘穿透

原子的內(nèi)層電子與原子核結(jié)合較緊，一般概率較大，電子可以在整個(gè)固體中運(yùn)動(dòng)，稱為共有化電子。重要結(jié)論：不是共有化電子。解定態(tài)薛定諤方程，可以得出兩點(diǎn)1.電子的能量是量子89二.能帶中電子的排布

固體中的一個(gè)電子只能處在某個(gè)能帶中1.排布原則：（1）服從泡里不相容原理（費(fèi)米子）

（2）服從能量最小原理

對(duì)孤立原子的一個(gè)能級(jí)Enl，它最多能

這一能級(jí)分裂成由N個(gè)能級(jí)組成的能帶，的某一能級(jí)上。容納2(2l+1)個(gè)電子。一個(gè)能帶最多能容納2

(2l+1)N

個(gè)電子。二.能帶中電子的排布固體中的一個(gè)電子只能處在某902p、3p能帶，最多容納6Ｎ個(gè)電子。例如，1s、2s能帶，最多容納2Ｎ個(gè)電子。每個(gè)能帶最多容納2Ｎ個(gè)電子每個(gè)能帶最多容納6Ｎ個(gè)電子單個(gè)Mg原子1s2s2p3s3p

晶體Mg（N個(gè)原子）

電子排布應(yīng)從最低的能級(jí)排起。2p、3p能帶，最多容納6Ｎ個(gè)電子。例如，1s、2s能帶，91

滿帶：填滿電子的能帶。

空帶：沒有電子占據(jù)的能帶。

不滿帶(也稱為導(dǎo)帶）：未填滿電子的能帶。

禁帶：不能填充電子的能區(qū)。

價(jià)帶：和價(jià)電子能級(jí)相應(yīng)的能帶，對(duì)半導(dǎo)體，價(jià)帶通常是滿帶。即最高的充有電子的能帶。2.幾個(gè)概念

滿帶E

不滿帶

禁帶

禁帶價(jià)帶

空帶滿帶：填滿電子的能帶?？諑В簺]有電子占據(jù)的能帶。不滿92

不滿帶或滿帶以上最低的空帶，稱為導(dǎo)帶。3.能帶中電子的導(dǎo)電性滿帶不導(dǎo)電：…

電子交換能態(tài)并不改變能量狀態(tài)，所以滿帶不導(dǎo)電。

電子在電場作用下作定向運(yùn)動(dòng)，得到附加能量，電子能量發(fā)生變化。導(dǎo)帶導(dǎo)電：導(dǎo)帶中電子才能改變能量。

導(dǎo)電性：不滿帶或滿帶以93Ep價(jià)帶(滿帶)空帶(導(dǎo)帶)不滿帶(導(dǎo)帶)EEp導(dǎo)帶導(dǎo)電：Ep價(jià)帶(滿帶)空帶(導(dǎo)帶)不滿帶(導(dǎo)帶)EEp導(dǎo)帶導(dǎo)電：94§4.2導(dǎo)體和絕緣體

它們的導(dǎo)電性能不同，是因?yàn)樗鼈兊哪軒ЫY(jié)構(gòu)不同。固體按導(dǎo)電性能的高低可以分為導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體§4.2導(dǎo)體和絕緣體它們的導(dǎo)電性能不同，是因?yàn)?5一.導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)

空帶

導(dǎo)帶E某些一價(jià)金屬，如:Li…

滿帶

空帶E某些二價(jià)金屬，如:Be,Ca,Mg,Zn,Ba…

導(dǎo)帶

空帶E如:Na,K,Cu,Al,Ag…一.導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)空帶導(dǎo)帶E某些一96

導(dǎo)體在外電場的作用下，大量共有化電子

從能級(jí)圖上來看，是因?yàn)槠涔灿谢娮雍芤讖牡湍芗?jí)躍遷到高能級(jí)上去。E很易獲得能量，集體定向流動(dòng)形成電流。導(dǎo)體在外電場的作用下，大量共有化電子從能級(jí)97二.絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)E

空帶

空帶

滿帶禁帶ΔEg=3～6eV從能級(jí)圖來看，是因?yàn)闈M帶

絕緣體在外電場的作用下，

當(dāng)外電場足夠強(qiáng)時(shí)，共有化電子還是能越過共有化電子很難從低能級(jí)（滿帶）躍遷到高能級(jí)（空帶）上去。的能量，所以形不成電流。（Eg：3～6eV），與空帶間有一個(gè)較寬的禁帶禁帶躍遷到上面的空帶中，使絕緣體被擊穿。共有化電子很難接受外電場二.絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)E空帶空帶98§4.3半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)一.本征半導(dǎo)體（semiconductor）

本征半導(dǎo)體是指純凈的半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能在導(dǎo)體與絕緣體之間。1.本征半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)Eg=0.12eVE空帶（導(dǎo)帶）

滿帶禁帶本征半導(dǎo)體所以加熱、光照、加電場都能把電子從滿帶激到發(fā)空帶中去，同時(shí)在滿帶中形成“空穴”（hole）。半導(dǎo)體的禁帶寬度ΔEg

很窄（0.1～2eV），§4.3半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)一.本征半導(dǎo)體（semicond99例如半導(dǎo)體CdS：滿帶空帶hEg=2.42eV

滿帶上的一個(gè)電子躍遷到空帶后，滿帶中出現(xiàn)一個(gè)帶正電的空位，稱為“空穴”。

電子和空穴總是成對(duì)出現(xiàn)的。

電子和空穴叫本征載流子，它們形成半導(dǎo)體的本征導(dǎo)電性。

當(dāng)光照

h>ΔEg

時(shí)，

可發(fā)生本征吸收，形成本征光電導(dǎo)。例如半導(dǎo)體CdS：滿帶空帶hEg=2.42eV1002.兩種導(dǎo)電機(jī)構(gòu)（1）電子導(dǎo)電

—半導(dǎo)體的主要載流子是電子解【例】要使半導(dǎo)體CdS產(chǎn)生本征光電導(dǎo)，求激發(fā)電子的光波的波長最大多長？2.兩種導(dǎo)電機(jī)構(gòu)（1）電子導(dǎo)電—半導(dǎo)體的主要載流子是電101

在外電場作用下，電子可以躍遷到空穴上來，這相當(dāng)于空穴反向躍遷。

空穴躍遷也形成電流，這稱為空穴導(dǎo)電?？諑M帶Eg（2）空穴導(dǎo)電

—半導(dǎo)體的主要載流子是空穴在外電場作用下，電子可以躍遷到空穴上來，這相當(dāng)于空102當(dāng)外電場足夠強(qiáng)時(shí)，共有化電子還是能越半導(dǎo)體導(dǎo)體擊穿過禁帶躍遷到上面的空帶中，使半導(dǎo)體擊穿。當(dāng)外電場足夠強(qiáng)時(shí)，共有化電子還是能越半導(dǎo)體導(dǎo)體擊穿過禁帶躍遷103二.雜質(zhì)（impurity）半導(dǎo)體1.n型半導(dǎo)體又稱n型半導(dǎo)體。

量子力學(xué)表明，這種摻雜后多余的電子的能級(jí)在禁帶中緊靠空帶處，ED～10-2eV，極易形成電子導(dǎo)電。本征半導(dǎo)體Si、Ge等的四個(gè)價(jià)電子，與另四個(gè)原子形成共價(jià)結(jié)合，當(dāng)摻入少量五價(jià)的雜質(zhì)元素（如P、As等）時(shí)，就形成了電子型半導(dǎo)體，二.雜質(zhì)（impurity）半導(dǎo)體1.n型半導(dǎo)體又稱n104

n型半導(dǎo)體空帶滿帶施主能級(jí)EDEgSiSiSiSiSiSiSiP

這種靠近空帶的附加能級(jí)稱為施主（donor）能級(jí)。如下圖示：n型半導(dǎo)體空帶滿帶施主能級(jí)EDEgSiSiSi105則P原子濃度～1018cm3np=1.5×1010cm3+1018=1018cm3

室溫下：本征激發(fā)雜質(zhì)激發(fā)導(dǎo)帶中電子濃度nn=1.5×1010滿帶中空穴濃度設(shè)Si中P的含量為104電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。在n型半導(dǎo)體中：電子濃度nn～施主雜質(zhì)濃度ndSi原子濃度～1022cm3則P原子濃度～1018cm3np=1.5×10101062.p型半導(dǎo)體

四價(jià)的本征半導(dǎo)體Si、Ｇe等摻入少量三價(jià)的雜質(zhì)元素（如Ｂ、Ga、In等）時(shí)，就形成空穴型半導(dǎo)體，又稱p型半導(dǎo)體。

量子力學(xué)表明，這種摻雜后多余的空穴能級(jí)在禁帶中緊靠滿帶處，EA

<10-1eV，極易產(chǎn)生空穴導(dǎo)電。2.p型半導(dǎo)體四價(jià)的本征半導(dǎo)體Si、Ｇe等摻入少107空帶EA滿帶受主能級(jí)

P型半導(dǎo)體SiSiSiSiSiSiSi+BEg

這種靠近滿帶的附加能級(jí)稱為受主（acceptor）能級(jí)。如下圖示：空帶EA滿帶受主能級(jí)P型半導(dǎo)體SiSiSiSiSi108則B原子濃度～1018cm3np=1.5×1010

室溫下：本征激發(fā)雜質(zhì)激發(fā)導(dǎo)帶中電子濃度nn=1.5×1010cm3滿帶中空穴濃度設(shè)Si中B的含量為10－4+1018=1018cm3空穴是多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子?？昭舛萵p～受主雜質(zhì)濃度na在p型半導(dǎo)體中：Si原子濃度～1022cm

3則B原子濃度～1018cm3np=1.5×1011093.n型化合物半導(dǎo)體

例如，化合物GaAs中摻Te，六價(jià)的Te替代五價(jià)的As可形成施主能級(jí)，成為n型GaAs雜質(zhì)半導(dǎo)體。4.p型化合物半導(dǎo)體

例如，化合物GaAs中摻Zn，二價(jià)的Zn替代三價(jià)的Ga可形成受主能級(jí)，成為p型GaAs雜質(zhì)半導(dǎo)體。3.n型化合物半導(dǎo)體例如，化合物GaAs中摻Te110三.雜質(zhì)的補(bǔ)償作用

實(shí)際的半導(dǎo)體中既有施主雜質(zhì)（濃度nd），又有受主雜質(zhì)（濃度na），兩種雜質(zhì)有補(bǔ)償作用：

若ndna——為n型（施主）

若ndna——為p型（受主）利用雜質(zhì)的補(bǔ)償作用，可以制成p-n結(jié)。三.雜質(zhì)的補(bǔ)償作用實(shí)際的半導(dǎo)體中既有施主雜質(zhì)（濃度111§4.4p-n結(jié)一.p-n結(jié)的形成

在n型半導(dǎo)體基片的一側(cè)摻入較高濃度的面附近產(chǎn)生了一個(gè)內(nèi)建阻止電子和空穴進(jìn)一步擴(kuò)散。電子和空穴的擴(kuò)散，在p型和n型半導(dǎo)體交界p型半導(dǎo)體(補(bǔ)償作用)。受主雜質(zhì)，（電）場該區(qū)就成為n型p型§4.4p-n結(jié)一.p-n結(jié)的形成在112

內(nèi)建場大到一定程度，不再有凈電荷的流動(dòng)，達(dá)到了新的平衡。

在p型和n型交界面附近形成的這種特殊結(jié)構(gòu)稱為p-n結(jié)（阻擋層，耗盡層），其厚度約為0.1m。p-n結(jié)p型n型內(nèi)建場大到一定在p型和n型交界面附近形成的113U0電勢電子電勢能p-n結(jié)npU0電勢電子電勢能p-n結(jié)np114

由于p-n結(jié)的存在，電子的能量應(yīng)考慮進(jìn)勢

這使電子能帶出現(xiàn)彎曲：空帶空帶p-n結(jié)施主能級(jí)受主能級(jí)滿帶滿帶壘帶來的附加勢能。由于p-n結(jié)的存在，電子的能量應(yīng)考慮進(jìn)勢這使電子115二.p-n結(jié)的單向?qū)щ娦?.正向偏壓p-n結(jié)的p型區(qū)接電源正極，叫正向偏壓。向p區(qū)運(yùn)動(dòng)，阻擋層勢壘降低、變窄，有利于空穴向n區(qū)運(yùn)動(dòng)，也有利于電子和反向，這些都形成正向電流（mＡ級(jí)）。p型n型I+二.p-n結(jié)的單向?qū)щ娦?.正向偏壓p-n結(jié)的p型116

外加正向電壓越大，形成的正向電流也越大，且呈非線性的伏安特性。U（伏）302010（毫安）正向00.21.0I鍺管的伏安特性曲線外加正向電壓越大，U（伏）302010（毫安）正向1172.反向偏壓p-n結(jié)的p型區(qū)接電源負(fù)極，叫反向偏壓。也不利于電

阻擋層勢壘升高、變寬，不利于空穴向n區(qū)運(yùn)動(dòng)，和同向，會(huì)形成很弱的反向電流，稱漏電流（Ａ級(jí)）。I無正向電流p型n型+子向p區(qū)運(yùn)動(dòng)。但是由于少數(shù)載流子的存在，2.反向偏壓p-n結(jié)的p型區(qū)接電源負(fù)極，叫反向偏壓。也不利118

當(dāng)外電場很強(qiáng)，反向電壓超過某一數(shù)值后，反向電流會(huì)急劇增大—反向擊穿。V(伏)I-10-20-30（微安）反向-20-30

用pn結(jié)的單向?qū)щ娦?，擊穿電壓用pn結(jié)的光生伏特效應(yīng)，可制成光電池。p-n結(jié)的應(yīng)用：做整流、開關(guān)用。

加反向偏壓時(shí)，pn結(jié)的伏安特性曲線如左圖?？芍瞥删w二極管（diode），當(dāng)外電場很強(qiáng)，反向電壓超過某一數(shù)值后，V(伏)I119半導(dǎo)體發(fā)光二極管半導(dǎo)體發(fā)光二極管120

1、發(fā)光二極管定義和應(yīng)用1、發(fā)光二極管定義和應(yīng)用121根據(jù)應(yīng)用劃分的超高亮度發(fā)光二極管市場根據(jù)應(yīng)用劃分的超高亮度發(fā)光二極管市場122LED水下燈飾LED照明的會(huì)議室LED水下燈飾LED照明的會(huì)議室123汽車燈草坪燈

LED特點(diǎn)：電壓低，小于5伏；響應(yīng)時(shí)間短，幾十nS；壽命長，幾萬小時(shí)以上;耗能低；

無污染

LED應(yīng)用：背光源、大屏幕顯示、燈具、防偽、生物、醫(yī)學(xué)白光LED流明效率達(dá)到150流明/瓦（lm/W）流明效率已經(jīng)超過日光燈（80lm/W)汽車燈草坪燈LED特點(diǎn)：電壓低，小于5伏；124在電流作用下，n型層的電子和p型層的空穴發(fā)生擴(kuò)散，電子和空穴復(fù)合發(fā)光。

2、LED發(fā)光原理在電流作用下，n型層的電子和p型層的空穴發(fā)生擴(kuò)散，電子和125可見光波長：380nm～770nm(700nm),

發(fā)光二極管波長：紫:380-410nm;

藍(lán):430-480nm;

綠:510-550nm;

黃:570-600nm;

紅:620-700nm發(fā)光波長由光子能量決定,光子能量一般由禁帶寬度決定光子能量:E=hυυ：頻率，h：普朗克常數(shù)

（4.14×10-15eV·s）

發(fā)光波長:λ=c/υ=hc/E=1240/E（nm）

禁帶寬度2.0eV,發(fā)光波長：620nm

可見光波長：380nm～770nm(700nm),發(fā)光波長126

白光LED發(fā)光原理

1:藍(lán)光芯片激發(fā)黃光熒光粉:成本低,應(yīng)用最廣2:紫光或紫外光芯片激發(fā)藍(lán),黃,紅熒光粉芯片發(fā)光效率不高3:紅,綠,藍(lán)芯片組合成本高,高檔場所應(yīng)用白光LED發(fā)光原理

1:藍(lán)光芯片激發(fā)黃光熒光粉127注入的電子和空穴數(shù)目；非輻射復(fù)合中心的數(shù)目；輻射復(fù)合幾率；出光效率

3、決定LED強(qiáng)度因素hvnp注入的電子和空穴數(shù)目；3、決定LED強(qiáng)度因素hvnp128獲得較高載流子濃度的p型和n型材料；減少缺陷和雜質(zhì)濃度；提高電子和空穴的復(fù)合幾率；提高出光效率。

4、提高LED性能途徑獲得較高載流子濃度的p型和n型材料；4、提高LED性能途129提高復(fù)合幾率（內(nèi)量子效率）:量子阱結(jié)構(gòu)提高復(fù)合幾率（內(nèi)量子效率）:量子阱結(jié)構(gòu)130提高出光效率提高出光效率131(1)發(fā)光波長（λ）；一般用nm表示。(2)正向電壓:20mA時(shí)所用電壓；一般用Vf

。(3)輸出光功率:20mA時(shí)的輸出光功率，用mW，W表示。

20mA時(shí)的輸出光功率，單位：坎德拉，cd；mcd；照明光源：流明/瓦；lm/W；白熾燈（25lm/W）；日光燈（80lm/W）(4)反向漏電流：反向5伏或10伏時(shí)的反向電流。

5、LED的電流電壓特性和性能參數(shù)(1)發(fā)光波長（λ）；一般用nm表示。5、LED的電流電壓132外延片生長芯片制備封裝n型電極p型電極

6、LED制備流程外延片生長芯片制備封裝n型電極p型電極6、LED制備流程133（1）外延片生長：金屬有機(jī)氣相沉積

metalorgannicchemicalvapordeposition（MOCVD）生長參數(shù)：溫度、氣壓、原材料、流量、摻雜劑量熱電偶尾氣管GaN-MOCVD反應(yīng)室管有機(jī)源

NH3光學(xué)探頭冷卻水尾氣管(CH3)3Ga+NH3GaN+3CH4H2（1）外延片生長：熱電偶尾氣管GaN-MOCVD反應(yīng)室管有機(jī)134LED外延片結(jié)構(gòu)：同質(zhì)結(jié)、異質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)、量子阱、量子點(diǎn)發(fā)光二極管材料的選擇：

1.帶隙寬度合適

2.有合適的襯底材料

3.可獲得高電導(dǎo)率n型和p型材料

4.載流子復(fù)合幾率大,可獲得異質(zhì)結(jié)或量子阱結(jié)構(gòu)LED外延片結(jié)構(gòu)：同質(zhì)結(jié)、異質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)、量子阱、量子點(diǎn)135藍(lán)寶石緩沖層未摻雜GaNn-GaN:SiP-AlGaN:MgBarrierGaNWellInGaNP-GaN:Mg金屬電極n-AlGaN:Si金屬電極量子阱（2）芯片制備：

藍(lán)寶石緩沖層未摻雜GaNn-GaN:SiP-AlGaN:136光刻刻蝕鍍膜光刻、刻蝕合金鍍膜鍍膜光刻、刻蝕合金光刻、刻蝕外延片工序：光刻、刻蝕、鍍膜、合金、劃片（切割）、裂片、分選設(shè)備：

光刻機(jī)、刻蝕機(jī)、電子束蒸發(fā)臺(tái)（鍍膜機(jī)）、合金爐、磨片機(jī)、劃片機(jī)、裂片機(jī)、芯片分選設(shè)備制備環(huán)節(jié)多，各環(huán)節(jié)的穩(wěn)定