白光LEDs和半導(dǎo)體物理學(xué)

會(huì)計(jì)學(xué)1白光LEDs和半導(dǎo)體物理學(xué)大功率LEDs與傳統(tǒng)照明器件（白熾燈）的區(qū)別：●白熾燈發(fā)光存在一個(gè)功率閾值-約為0.4W,功率大于閾值時(shí),白熾燈發(fā)光效率隨著功率的增加很快,而且發(fā)光效率增加的幅度也隨著功率增加而增加。（黑體輻射規(guī)律）溫度升高，波長(zhǎng)向可見(jiàn)光移動(dòng)?！癞?dāng)大功率白光LED功率大于0.11W時(shí),發(fā)光效率隨功率增加開(kāi)始緩慢減小,隨著功率繼續(xù)增加,發(fā)光效率降低的速度也越來(lái)越快,在功率為1W時(shí),白光LED的發(fā)光效率為131lm/W。這種現(xiàn)象是在半導(dǎo)體照明中遇到的最大障礙之一,即發(fā)光效率與功率不能同時(shí)達(dá)到最大。第1頁(yè)/共54頁(yè)大功率白光LEDs發(fā)光規(guī)律：此圖為大功率白光LEDs功率與發(fā)光效率的關(guān)系,從圖可以看出，發(fā)光效率并不是功率的單調(diào)減函數(shù)，當(dāng)功率在0-0.11w的范圍內(nèi)，發(fā)光效率隨著功率迅速增加，在0.11w時(shí)達(dá)到最大，此時(shí)的發(fā)光效率為156lm/w。(功率較小時(shí),芯片本身發(fā)光效率較高,但強(qiáng)度弱,熒光粉層可能吸收一定光),隨著功率增加,發(fā)光效率降低,但強(qiáng)度增加,熒光粉激發(fā)幾率增加,當(dāng)功率為1w時(shí)，發(fā)光效率為131lm/w,這種現(xiàn)象就是半導(dǎo)體照明中遇到的最大障礙,發(fā)光效率與功率不能同時(shí)達(dá)到最大。第2頁(yè)/共54頁(yè)熒光燈發(fā)光規(guī)律：此圖為熒光燈發(fā)光效率隨功率的變化規(guī)律,對(duì)額定功率為1w的熒光燈研究,發(fā)現(xiàn)其存在一個(gè)功率閾值,這個(gè)閾值為0.4w,小于它不發(fā)光,高于時(shí)發(fā)光效率隨功率增加。第3頁(yè)/共54頁(yè)ηext=ηout*ηin-------ηext=10%ηout

為外量子效率；ηin為內(nèi)量子效率ηout:尋找合適的封裝技術(shù)如:Flipchipmethod

η

in:提高芯片質(zhì)量-改善其發(fā)光效率

decreasingthedislocationdensityintroducingconfinementstructureincreasingtheP-typedopingefficiency

提高大功率LEDs的方法與技術(shù)：第4頁(yè)/共54頁(yè)1、提高內(nèi)量子效率的方法1、尋找合適的襯底材料，與GaN及其合金小的熱失配和晶格失配襯底材料，目前SiC,LiAlO2等具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?、提高制備薄膜和器件的工藝技術(shù)，減少薄膜或器件的刃位錯(cuò)和堆積位錯(cuò)密度。3、尋找最佳的熒光粉材料（性能穩(wěn)定、發(fā)光效率和質(zhì)量高），并提高目前熒光粉質(zhì)量。4、改善器件的制備工藝，量子阱數(shù)量和寬度等。5、提高p型摻雜的程度第5頁(yè)/共54頁(yè)一條有效的途徑：生長(zhǎng)無(wú)極性GaN薄膜或器件優(yōu)勢(shì)：第一點(diǎn)：無(wú)極性GaN及合金顯著的減弱輻射波長(zhǎng)的紅移趨勢(shì)，與極性量子阱比較而言，這種波長(zhǎng)偏移減弱了十倍或以上的現(xiàn)象預(yù)示了在非極性量子阱中不存在極化誘導(dǎo)電荷。第二點(diǎn)：可以有效的提高p型摻雜濃度，目前報(bào)道的電子激活程度的最好結(jié)果僅僅是在1-2×1018cm-3之間，加州大學(xué)圣芭芭拉分校的研究者們發(fā)現(xiàn)對(duì)于m面的GaN，產(chǎn)生電子激活的鎂摻雜濃度能達(dá)到7×1018cm-3,這些比較高的p型摻雜能級(jí)能夠降低接觸電阻，減弱p-n結(jié)的啟動(dòng)電壓和串聯(lián)阻抗，產(chǎn)生出高光學(xué)輸出效率的LEDs和LDs。第三點(diǎn)：無(wú)極性LEDs和LDs可產(chǎn)生同行偏振光輻射，可直接被用作背光LCD顯示和放映，因?yàn)槠窆庠茨軌蛉コ駷V波器并使屏幕更薄，更亮，更節(jié)能。上述研究小組從m面GaN基LEDs產(chǎn)生的偏振光輻射其偏振度為0.17度（無(wú)規(guī)則方向和全偏振光的偏振度分別為0.0和1.0），當(dāng)更多的工作只剩下提高偏振度時(shí)，最初的工作顯示了m面GaN器件能夠瞄準(zhǔn)這一極性GaN不能企及的獨(dú)一無(wú)二的領(lǐng)域。第6頁(yè)/共54頁(yè)2、提高外量子效率的方法主要涉及：封裝技術(shù)主要介紹兩種目前流行的技術(shù)：第一：倒裝芯片和低熱阻封裝第二：TIP結(jié)構(gòu)、表面粗化結(jié)構(gòu)和芯片黏貼技術(shù)第7頁(yè)/共54頁(yè)第一：倒裝芯片和低熱阻封裝技術(shù)

傳統(tǒng)的藍(lán)寶石襯底GaN芯片結(jié)構(gòu),電極剛好位于芯片的出光面,在這種結(jié)構(gòu)中,小部分p-GaN層和“發(fā)光層”被刻蝕,以便與下面的n-GaN層形成電接觸,光從最上面的p-GaN取出,所以要求在p-GaN層表面在沉淀一層電流擴(kuò)散金屬層,但卻會(huì)吸收部分光,從而降低了芯片的出光效率;同時(shí)此封裝結(jié)構(gòu)的熱量是通過(guò)藍(lán)寶石襯底導(dǎo)出去,導(dǎo)熱路徑長(zhǎng),由于藍(lán)寶石的導(dǎo)熱系數(shù)比金屬低,所以這種結(jié)構(gòu),出光效率和熱性能都不可能是最優(yōu)的。為了克服上述缺點(diǎn)---開(kāi)發(fā)了倒裝芯片結(jié)構(gòu)第8頁(yè)/共54頁(yè)倒裝芯片和低熱阻結(jié)構(gòu)示意圖

此結(jié)構(gòu)中,光從藍(lán)寶石襯底取出,不必從電流擴(kuò)散層取出,這樣不透光的擴(kuò)散層可以加厚,增加了Flipchip的電流密度,同時(shí)這種結(jié)構(gòu)中,pn結(jié)的熱量可直接通過(guò)金屬禿點(diǎn)導(dǎo)給熱導(dǎo)系數(shù)高的硅襯底,散熱效果好;而且在pn結(jié)與p電極之間增加了一個(gè)反光層,又消除了電極和引線的擋光;因此這種結(jié)構(gòu)具有電、光、熱等方面的最優(yōu)的特性。第9頁(yè)/共54頁(yè)基于Flipchip的大功率LEDs熱分析表征系統(tǒng)熱性能的一個(gè)重要參數(shù)是系統(tǒng)的熱阻。其定義為：在熱平衡的條件下,兩規(guī)定點(diǎn)(或區(qū)域)溫度差與產(chǎn)生這兩點(diǎn)溫度差的熱耗散功率之比。(單位：K/w)倒裝型大功率LED表面一般貼裝金屬線路板或者再安裝金屬熱沉,增加散熱效果。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖：第10頁(yè)/共54頁(yè)大功率LEDs芯片電極：其電極上焊接的數(shù)個(gè)Bump(金球)與Si襯底上對(duì)應(yīng)的Bump通過(guò)共晶焊接在一起,Si襯底通過(guò)粘結(jié)材料與器件內(nèi)部熱沉粘結(jié)在一起,為了增加取光效果,熱沉上制作有一個(gè)聚光杯,芯片安裝在杯的中央,熱沉選用高導(dǎo)熱系數(shù)的金屬材料(Cu,Al等),穩(wěn)態(tài)時(shí)LEDs熱阻的等效連接如下圖：第11頁(yè)/共54頁(yè)系統(tǒng)熱阻：第12頁(yè)/共54頁(yè)襯底粘結(jié)材料對(duì)大功率LEDs熱特性的影響LED倒裝芯片被粘結(jié)在管座里,可以通過(guò)三種形式：導(dǎo)熱膠粘貼、導(dǎo)熱型銀漿粘貼和錫漿粘貼(其中錫漿粘貼的熱導(dǎo)特性是三種方式中最優(yōu)的)。生產(chǎn)中往往容易忽略襯底粘結(jié)材料對(duì)熱導(dǎo)特性的影響,其實(shí)襯底粘結(jié)材料是影響器件熱導(dǎo)特性因素中一個(gè)重要因素。設(shè)倒裝芯片襯底的橫截面積為A(m2),粘結(jié)材料的熱導(dǎo)系數(shù)為λ（W/m·K）,粘結(jié)材料的高度為h(m),則粘結(jié)材料的熱阻為：第13頁(yè)/共54頁(yè)下面分析臺(tái)灣國(guó)聯(lián)光電公司的Flipchip,芯片submount是邊長(zhǎng)為55mil的正方形,即A為1.96×10-6m2,分析熱導(dǎo)系數(shù)為λ對(duì)粘貼材料熱阻的影響,當(dāng)當(dāng)h=20μm時(shí)，則第14頁(yè)/共54頁(yè)這三種情況的熱阻與熱導(dǎo)系數(shù)的關(guān)系曲線：當(dāng)選用鉛錫焊料63Sn/37Pb，λ=39W/m·K，同時(shí)其厚度等于20μm時(shí)，RθAttach等于0.026（K/W），即使其厚度為100μm，RΘAttach也只等于0.131（K/W）；當(dāng)選用熱沉粘接膠Ablefilm5020K，λ=0.7W/m·K，同時(shí)其厚度等于20μm時(shí)，RΘAttach等于1.457（K/W），當(dāng)其厚度為100μm時(shí)，RΘAttach等于7.286（K/W）；當(dāng)選用導(dǎo)電型芯片粘接膠Ablebond84-1LMISR4，λ=2.5W/m·K，同時(shí)其厚度等于20μm時(shí)，RΘAttach等于0.408（K/W），當(dāng)其厚度為100μm時(shí)，RΘAttach等于2.041（K/W）。

第15頁(yè)/共54頁(yè)小結(jié)：LED芯片結(jié)溫最高允許125℃，如果其最差工作環(huán)境溫度為65℃，則對(duì)一個(gè)1W的大功率LED來(lái)說(shuō)，考慮到從大功率器件外部熱沉的熱阻一般為40K/W，器件pn結(jié)至器件的熱阻應(yīng)小于20（K/W）。而對(duì)一個(gè)5W的大功率LED來(lái)說(shuō)，如果其最差工作環(huán)境溫度為65℃，則從pn結(jié)至環(huán)境的熱阻要小于12K/W才能保證芯片結(jié)溫不超過(guò)125℃，而如果選用Ablefilm5020K熱沉粘接膠，λ=0.7W/m·K同時(shí)其厚度為100μm，僅芯片粘貼材料的熱阻RΘAttach就等于7.286（K/W）。因此，在Flipchip大功率LED器件的封裝中，選用合適的芯片襯底粘貼材料并在批量生產(chǎn)工藝中保證粘貼厚度盡量小，對(duì)保證器件的可靠性和出光特性是十分重要的。第16頁(yè)/共54頁(yè)第二：TIP結(jié)構(gòu)、表面粗化結(jié)構(gòu)和芯片黏貼技術(shù)等

改變LEDs形狀是一個(gè)有效提升發(fā)光效率的方法即TIP(Truncated-Inverted-Pyramid)型晶粒結(jié)構(gòu),4個(gè)截面將不再互相平行,光很有效地被引出來(lái),外部量子效率則大幅提升。由于硬度極高的藍(lán)寶石基板和SiC基GaN難以加工成特定的規(guī)則形狀,所以此項(xiàng)技術(shù)尚無(wú)進(jìn)一步的發(fā)展;第17頁(yè)/共54頁(yè)表面粗化(sufaceroughness)技術(shù)此方法是將組件的內(nèi)部及外部的幾何形狀粗化,破壞光線在組件內(nèi)部的全反射,提升組件的出光效率。其粗化方法基本上是在組件的幾何形狀上形成規(guī)則的凹凸形狀，而這種規(guī)則分布的結(jié)構(gòu)也依所在位置的不同分為兩種形式，一種是在組件內(nèi)設(shè)置凹凸形狀，另一種方式是在組件上方制作規(guī)則的凹凸形狀，并在組件背面設(shè)置反射層。由于使用傳統(tǒng)制程即可在GaN系化合物半導(dǎo)體層的界面設(shè)置凹凸形狀，因此上述第一種方式具有較高的實(shí)用性。目前若使用波長(zhǎng)為405nm的紫外組件，可獲得43%外部量子效率，取出效率為60%，為目前全球最高的外部量子效率與取出效率。第18頁(yè)/共54頁(yè)芯片黏貼技術(shù)(waferbonding)此法采用透明基板粘貼技術(shù),主要是將發(fā)光二極管晶粒先在高溫環(huán)境下施加壓力,并將透明的GaP基板粘貼上去,之后再將GaAs除去,如此便可提高二倍的光線取出率。第19頁(yè)/共54頁(yè)總結(jié)：1、主要系統(tǒng)學(xué)習(xí)了影響大功率發(fā)光二極管發(fā)光效率的因素；2、對(duì)白光發(fā)光二極管和熒光燈的發(fā)光機(jī)理進(jìn)行了分析3、詳細(xì)分析了白光發(fā)光二極管的內(nèi)量子效率和外量子效率的影響因素。第20頁(yè)/共54頁(yè)半導(dǎo)體物理學(xué)第21頁(yè)/共54頁(yè)第一章：半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)目的：半導(dǎo)體具有許多獨(dú)特的物理性質(zhì)，這與半導(dǎo)體中電子的狀態(tài)及其運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)有密切的關(guān)系。研究方法：半導(dǎo)體單晶或其他固態(tài)材料，都是由大量原子周期性重復(fù)排列而成，而每個(gè)原子又包含原子核和許多電子，如果能寫出所有相互作用著的原子核和電子系統(tǒng)的薛定諤方程，并求解，便可以了解其性質(zhì)。出現(xiàn)問(wèn)題：這是一個(gè)非常復(fù)雜的多體問(wèn)題，不可能求出其嚴(yán)格解，只能用近似的處理方法。采用的方法：?jiǎn)坞娮咏疲芯抗虘B(tài)晶體中的電子能態(tài)。定義：假設(shè)每個(gè)電子是在周期性排列且固定不動(dòng)的原子核勢(shì)場(chǎng)及其他電子的平均勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)。用單電子近似法研究晶體中電子狀態(tài)的理論稱為能帶論。第22頁(yè)/共54頁(yè)1.1、原子的能級(jí)和晶體的能帶

晶體中電子作共有化運(yùn)動(dòng)，當(dāng)兩個(gè)原子靠近時(shí)，原子中的電子除了受到本身原子勢(shì)場(chǎng)作用外，還要受到另外一個(gè)原子勢(shì)場(chǎng)的作用，其結(jié)果是每個(gè)二度簡(jiǎn)并的能級(jí)都分裂為兩個(gè)彼此相距很近的能級(jí)?，F(xiàn)在考慮由N個(gè)原子組成的晶體，當(dāng)N個(gè)原子相互靠近結(jié)合成晶體后，每個(gè)電子都要受到周圍原子勢(shì)場(chǎng)的作用，其結(jié)果是每一個(gè)N度簡(jiǎn)并的能級(jí)都分裂成N個(gè)彼此相距很近的能級(jí)，這N個(gè)能級(jí)組成一個(gè)能帶。這是電子不再屬于某一個(gè)原子而是在晶體中作共有化的運(yùn)動(dòng)。分裂的每一個(gè)能帶都成為允帶，允帶之間因沒(méi)有能級(jí)稱為禁帶。內(nèi)殼層電子處于低能級(jí)，共有化運(yùn)動(dòng)很弱，能級(jí)分裂很小，能帶窄，而外殼層處于高能級(jí)，能級(jí)分裂厲害，能帶很寬。第23頁(yè)/共54頁(yè)1.2、半導(dǎo)體中電子的狀態(tài)和能帶電子在周期性勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的基本特點(diǎn)和自由電子的運(yùn)動(dòng)十分相似。晶體中的電子在周期性勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的波函數(shù)與自由電子的波函數(shù)形式相似。其波函數(shù)為：布拉赫定理第24頁(yè)/共54頁(yè)根據(jù)波函數(shù)的意義，在空間某一點(diǎn)找到電子的概率與波函數(shù)的強(qiáng)度（即）成比例。對(duì)于晶體中的電子，但是與晶格同周期的函數(shù)，在晶體中波函數(shù)的強(qiáng)度也隨晶格周期性變化，所以在晶體中各點(diǎn)找到該電子的概率也具有周期性變化性質(zhì)。這反映了電子不再完全局限在某一個(gè)原子上，而是可以從晶胞中某一點(diǎn)自由地運(yùn)動(dòng)到其它晶胞內(nèi)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，因而電子可以在整個(gè)晶體中運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)稱為電子在晶體內(nèi)的共有化運(yùn)動(dòng)。組成晶體的原子的外層電子共有化運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)，其行為與自由電子相似。而內(nèi)層電子的共有化運(yùn)動(dòng)較弱，其行為與孤立原子中的電子相似。第25頁(yè)/共54頁(yè)三維晶格的布里淵區(qū)描述：首先做出晶體的倒格子，任選一倒格子點(diǎn)為原點(diǎn)，由原點(diǎn)到最近及次近的倒格點(diǎn)引倒格矢；然后作倒格矢的垂直平分面，此面就是布里淵區(qū)的邊界，在這些邊界上能量發(fā)生不連續(xù)，面所圍成的最小多面體就是第一布里淵區(qū)。第26頁(yè)/共54頁(yè)1.3半導(dǎo)體中的電子的運(yùn)動(dòng)有效質(zhì)量有效質(zhì)量的意義：半導(dǎo)體中的電子在外力作用下，描述電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的方程出現(xiàn)的有效質(zhì)量。并不是電子的慣性質(zhì)量。半導(dǎo)體中的電子受力即由外電場(chǎng)作用，又受到半導(dǎo)體內(nèi)部原子及其他電子的勢(shì)場(chǎng)作用。電子的加速度應(yīng)該是半導(dǎo)體內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)和外電場(chǎng)的綜合結(jié)果。但是要找出內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)的具體形式并且求出加速度，遇到一定的困難，引入有效質(zhì)量可使問(wèn)題變得簡(jiǎn)單研究電子在外力作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，不涉及到半導(dǎo)體內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)的作用，特別是有效質(zhì)量可以直接測(cè)定，因而方便解決電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律第27頁(yè)/共54頁(yè)能帶底部或頂部E(k)與k的關(guān)系：其中為能帶底或頂電子的有效質(zhì)量。半導(dǎo)體中電子的平均速度，能帶極值附近電子的速度為：半導(dǎo)體中電子的加速度：第28頁(yè)/共54頁(yè)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)半導(dǎo)體中除了導(dǎo)帶上電子導(dǎo)電作用外，價(jià)帶中空穴也參與導(dǎo)電，對(duì)于本征半導(dǎo)體，導(dǎo)帶中出現(xiàn)多少電子，價(jià)帶中相應(yīng)的出現(xiàn)多少空穴，導(dǎo)帶上電子參與導(dǎo)電，價(jià)帶上空穴也參與導(dǎo)電，這就是本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)第29頁(yè)/共54頁(yè)第二章半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布目的：計(jì)算熱平衡載流子濃度及其隨溫度的變化規(guī)律方法：了解允許的量子態(tài)能量分布情況；了解電子在允許的量子態(tài)中如何分布。第一：允許的量子態(tài)能量如何分布？K空間中量子態(tài)的分布，k的允許值為：第30頁(yè)/共54頁(yè)

半導(dǎo)體導(dǎo)帶底附近的狀態(tài)密度，為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，考慮能帶極值在k=0，等能面為球面的情況。導(dǎo)帶附近E(k)與k的關(guān)系為：在k空間中，以為半徑作一球面，為能量為E(k)的等能面；再作以K+dK為半徑的球面，它是能量為E+dE的等能面。要計(jì)算能量在E到E+dE之間的量子態(tài)數(shù)，只要計(jì)算這兩個(gè)球殼之間的量子態(tài)數(shù)即可。兩個(gè)球殼之間的體積是,而k空間中，量子態(tài)密度是2V,所以，在能量E到E+dE間的量子態(tài)數(shù)為：所以，第31頁(yè)/共54頁(yè)導(dǎo)帶底能量E附近單位能量間隔的量子態(tài)數(shù)，即導(dǎo)帶底附近狀態(tài)密度gc(E)為導(dǎo)帶底附近單位能量間隔內(nèi)的量子態(tài)數(shù)目，隨著電子的能量增加按拋物線關(guān)系增加，即電子能量越高，狀態(tài)密度越大第32頁(yè)/共54頁(yè)第二：電子在允許的量子態(tài)中如何分布？

在一定的溫度下，半導(dǎo)體中的大量電子不停地作無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，電子既可以從晶格熱振動(dòng)獲得能量，從低能量的量子態(tài)躍遷到高能量的量子態(tài)，也可以從高能量的量子態(tài)躍遷到低能量的量子態(tài)，將多余的能量釋放出來(lái)成為晶格熱振動(dòng)的能量。從大量電子的整體來(lái)看，在熱平衡狀態(tài)下，電子按能量大小具有一定的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律性，即這時(shí)電子在不同能量的量子態(tài)上統(tǒng)計(jì)分布概率是一定的。根據(jù)量子統(tǒng)計(jì)理論，服從泡利不相容原理的電子遵循費(fèi)米統(tǒng)計(jì)律。對(duì)于能量為E的一個(gè)量子態(tài)被一個(gè)電子占據(jù)的概率f(E)為：其中f(E)稱為電子的費(fèi)米分布函數(shù)，描寫熱平衡狀態(tài)下，電子在允許的量子態(tài)上如何分布的一個(gè)統(tǒng)計(jì)分布函數(shù)其中代表系統(tǒng)的化學(xué)勢(shì)，F(xiàn)是系統(tǒng)的自由能。上式的意義是：當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)，也不對(duì)外界作功的情況下，系統(tǒng)中增加一個(gè)電子所引起系統(tǒng)自由能的變化，等于系統(tǒng)的化學(xué)勢(shì)，也就是等于系統(tǒng)的費(fèi)米能級(jí)。而處于熱平衡狀態(tài)的系統(tǒng)有統(tǒng)一的化學(xué)勢(shì)，所以處于熱平衡狀態(tài)的電子系統(tǒng)有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)。第33頁(yè)/共54頁(yè)費(fèi)米分布函數(shù)f(E)的一些特性：圖4給出了溫度為0，300，1000，1500K時(shí)費(fèi)米分布函數(shù)f(E)與E的曲線。從圖中看出，隨著溫度升高，電子占據(jù)能量小于費(fèi)米能級(jí)的量子態(tài)的概率下降，而占據(jù)能量大于費(fèi)米能級(jí)的量子態(tài)的概率增大電子與空穴的波爾茲曼分布函數(shù)：費(fèi)米能級(jí)EF位于禁帶內(nèi)，而且與導(dǎo)帶底或價(jià)帶頂?shù)木嚯x遠(yuǎn)大于koT,導(dǎo)帶中的所有量子態(tài)來(lái)說(shuō)，被電子占據(jù)的概率，一般都滿足f(E)<<1,故半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的電子分布可以用電子的波爾茲曼分布函數(shù)描寫。由于隨著能量E的增大，f(E)迅速減小，所以導(dǎo)帶中絕大多數(shù)電子分布在導(dǎo)帶底附近。同理，對(duì)半導(dǎo)體價(jià)帶中的所有量子態(tài)來(lái)說(shuō)，被空穴占據(jù)的概率，一般都滿足1-f(E)<<1。故價(jià)帶中的空穴分布服從空穴的波爾茲曼分布函數(shù)。由于隨著能量E的增大，1-f(E)迅速增大，所以價(jià)帶中絕大多數(shù)空穴分布在價(jià)帶頂附近。通常把服從波爾茲曼統(tǒng)計(jì)律的電子系統(tǒng)稱為非簡(jiǎn)并性系統(tǒng)，而服從費(fèi)米統(tǒng)計(jì)律的電子系統(tǒng)稱為簡(jiǎn)并性系統(tǒng)。第34頁(yè)/共54頁(yè)導(dǎo)帶中的電子濃度與價(jià)帶中空穴濃度圖5中畫出了能帶、函數(shù)f(E)、1-f(E)、gc(E)、gv(E)以及f(E)gc(E)和[1-f(E)]gv(E)等曲線。圖4(e)中用陰影線標(biāo)出了的面積就是導(dǎo)帶中能量E到E+dE間的電子數(shù)，所以f(E)gc(E)曲線與能量軸之間的面積除以半導(dǎo)體體積后就等于導(dǎo)帶的電子濃度。第35頁(yè)/共54頁(yè)在非簡(jiǎn)并情況下，導(dǎo)帶中電子濃度可計(jì)算如下：在能量E到E+dE間的電子數(shù)dN為單位體積中電子數(shù)為：第36頁(yè)/共54頁(yè)稱為導(dǎo)帶的有效狀態(tài)濃度，顯然，是溫度的函數(shù)

第37頁(yè)/共54頁(yè)稱為價(jià)帶的有效狀態(tài)密度。顯然，是溫度的函數(shù)

是空穴占據(jù)能量為的量子態(tài)的概率。

所以可以看出導(dǎo)帶中電子濃度和價(jià)帶中空穴濃度都隨著溫度和費(fèi)米能級(jí)的不同而變化，其中溫度的影響，一方面來(lái)源于Nv和Nc；另一方面，也是更主要的來(lái)源，是由于波爾茲曼分布函數(shù)中的指數(shù)隨溫度迅速變化。另外費(fèi)米能級(jí)也與溫度及半導(dǎo)體中所含雜質(zhì)情況密切相關(guān)。因此，在一定溫度下，由于半導(dǎo)體中所含雜質(zhì)的類型和數(shù)量的不同，電子濃度no和空穴濃度Po也將隨之變化。第38頁(yè)/共54頁(yè)載流子濃度乘積n0po

電子與空穴的濃度乘積和費(fèi)米能級(jí)無(wú)關(guān)。對(duì)一定的半導(dǎo)體材料，乘積只決定于溫度T，與所含雜質(zhì)無(wú)關(guān)。當(dāng)半導(dǎo)體處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，載流子濃度的乘積保持恒定，如果電子濃度增加，那么空穴的濃度就要減少，反之亦然。

第39頁(yè)/共54頁(yè)本征半導(dǎo)體的載流子濃度本征載流子濃度ni為試驗(yàn)測(cè)定高溫下的霍爾系數(shù)和電導(dǎo)率，從而得到很寬溫度范圍內(nèi)本征載流子濃度與溫度的關(guān)系，作出關(guān)系直線，從直線的斜率可求得T=0K時(shí)禁帶寬度斜率。第40頁(yè)/共54頁(yè)雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子濃度n型半導(dǎo)體電中性條件為：等式左邊是單位體積中負(fù)電荷數(shù)，實(shí)際上為導(dǎo)帶中的電子濃度；等式右邊是單位體積中的正電荷數(shù)，實(shí)際上是價(jià)帶中的空穴濃度與電離施主濃度之和。即可得：第41頁(yè)/共54頁(yè)上式子中除EF之外，其余各量均為已知，因而在一定溫度下可以將EF決定出來(lái)。但是從上式求EF的一般解析式還是困難，下面分析不同溫度范圍的情況1、低溫弱電離區(qū)第42頁(yè)/共54頁(yè)2、中間電離區(qū)施主雜質(zhì)有1/3電離3、強(qiáng)電離區(qū)No=ND4、過(guò)渡區(qū)第43頁(yè)/共54頁(yè)P(yáng)型半導(dǎo)體低溫弱電離區(qū)：強(qiáng)電離區(qū)（飽和區(qū)）過(guò)渡區(qū)：第44頁(yè)/共54頁(yè)圖8給出了不同摻雜情況下費(fèi)米能級(jí)圖強(qiáng)p型中，NA大，導(dǎo)帶中電子最少，價(jià)帶中電子也最少。故可以說(shuō)，強(qiáng)p型半導(dǎo)體中，電子填充能帶的水平最低，EF也最低；弱p型中，導(dǎo)帶及價(jià)帶中電子稍多，能帶被電子填充的水平也稍高，EF也升高了；本征半導(dǎo)體，無(wú)摻雜，導(dǎo)帶及價(jià)帶中載流子數(shù)一樣多；弱n型中，導(dǎo)帶及價(jià)帶中電子更多了，能帶被電子填充的水平也更高，EF升到禁帶中線以上；強(qiáng)n型中，導(dǎo)帶及價(jià)帶中電子最多，能帶被電子填充的水平最高，EF也最高。第45頁(yè)/共54頁(yè)第三章

半導(dǎo)體的導(dǎo)電性3.1半導(dǎo)體的主要散射機(jī)構(gòu)半導(dǎo)體內(nèi)部除了周期性勢(shì)場(chǎng)外，又存在一個(gè)附加勢(shì)場(chǎng)從而使周期性勢(shì)場(chǎng)發(fā)生變化，由于附加勢(shì)場(chǎng)的作用，就會(huì)使能帶中的電子發(fā)生在不同k狀態(tài)間的躍遷。此附加勢(shì)場(chǎng)產(chǎn)生的主要原因：電離雜質(zhì)的散射晶格振動(dòng)的散射其它因素引起的散射3.2遷移率與雜質(zhì)和溫度的關(guān)系不同散射機(jī)構(gòu)，遷移率與溫度的關(guān)系為：電離雜質(zhì)散射：(2)晶格振動(dòng)散射：聲學(xué)波散射光學(xué)波散射由于任何時(shí)候都有幾種散射機(jī)構(gòu)同時(shí)存在,所以