半導(dǎo)體物理第十章

半導(dǎo)體物理第十章第一頁，共四十五頁，2022年，8月28日光電子器件：光子擔(dān)任主要角色的電子器件發(fā)光器件：將電能轉(zhuǎn)換為光能發(fā)光二極管(LightEmittingDiode，縮寫為LED)半導(dǎo)體激光器太陽能電池：將光能轉(zhuǎn)換為電能光電探測器：利用電子學(xué)方法檢測光信號的器件。第二頁，共四十五頁，2022年，8月28日輻射躍遷與光的吸收

吸收自發(fā)輻射受激輻射原子的能態(tài)光探測器和太陽電池受激輻射速率+自發(fā)輻射速率=吸收速率發(fā)光二極管激光二極管穩(wěn)態(tài)時：在固體中，光子和電子之間的相互作用有三種基本過程：吸收、自發(fā)發(fā)射和受激發(fā)射。第三頁，共四十五頁，2022年，8月28日pn結(jié)注入式場致發(fā)光原理半導(dǎo)體發(fā)光包括激發(fā)過程和復(fù)合過程。這兩個過程銜接，是發(fā)光必不可少的兩個環(huán)節(jié)。在pn結(jié)上施加正偏壓，產(chǎn)生注入效應(yīng)，使結(jié)區(qū)及其左右兩邊各一個少子擴(kuò)散長度范圍內(nèi)的少子濃度超過其熱平衡少子濃度。超過部分就是由電能激發(fā)產(chǎn)生的處于不穩(wěn)定高能態(tài)的非平衡載流子，它們必須通過第二過程：復(fù)合，達(dá)到恒定正向注入下的新穩(wěn)態(tài)。第四頁，共四十五頁，2022年，8月28日復(fù)合分為輻射復(fù)合和非輻射復(fù)合。輻射復(fù)合過程中，自由電子和空穴具有的能量將變成光而自然放出。非輻射復(fù)合過程中，釋放的能量將轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪?，如熱能。因此，為提高發(fā)光效率應(yīng)盡量避免非輻射復(fù)合。輻射復(fù)合的幾條途徑是：帶-帶復(fù)合、淺施主-價帶或?qū)?淺受主間復(fù)合、施-受主之間復(fù)合、通過深能級復(fù)合、激子復(fù)合等。激子復(fù)合：如果半導(dǎo)體吸收能量小于禁帶寬度的光子，電子被從價帶激發(fā)。但由于庫侖作用，它仍然和價帶中留下的空穴聯(lián)系起來，形成束縛狀態(tài)。這種被庫侖能束縛在一起的電子-空穴對稱為激子。激子作為一個整體，可以在晶體中自由運(yùn)動。由于在整體上它是電中性的，因此激子的運(yùn)動不會引起電流。激子是一個能量系統(tǒng)，這種束縛態(tài)可以把能量以輻射的方式或非輻射方式重新釋放出來。第五頁，共四十五頁，2022年，8月28日發(fā)光二極管：靠注入載流子自發(fā)復(fù)合而引起的自發(fā)輻射；非相干光。半導(dǎo)體激光器則是在外界誘發(fā)的作用下促使注入載流子復(fù)合而引起的受激輻射；相干光，具有單色性好、方向性強(qiáng)、亮度高等特點(diǎn)。10.1發(fā)光器件第六頁，共四十五頁，2022年，8月28日(1)發(fā)光二極管（LED）

發(fā)光二極管稱作LED（LightEmittingDiode）。LED低電壓、低功耗下發(fā)光，遠(yuǎn)比白熾燈壽命長，響應(yīng)速度也快。如下圖所示，使用LED的各種指示燈、七段數(shù)字顯示器和文字陣列、圖形顯示器等被廣泛應(yīng)用在家電產(chǎn)品、玩具直到產(chǎn)業(yè)設(shè)備等各個領(lǐng)域。第七頁，共四十五頁，2022年，8月28日特征參數(shù)：I-V特征：與普通二極管基本一致。開啟電壓低。

量子效率：注入的載流子復(fù)合產(chǎn)生光量子的效率。

外量子效率：單位時間內(nèi)輸出二極管的光子數(shù)目與注入的載流子數(shù)目之比。內(nèi)量子效率：單位時間內(nèi)半導(dǎo)體的輻射復(fù)合產(chǎn)生的光子數(shù)目與注入的載流子數(shù)目之比。第八頁，共四十五頁，2022年，8月28日LED的結(jié)構(gòu)及工作原理低輝度發(fā)光的同質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)

由于緊靠pn結(jié)附近發(fā)出的光從單晶出來到外部之前被吸收掉的比例高，所以發(fā)光效率低。LED都采用pn結(jié)或異質(zhì)結(jié)的注入式場致發(fā)光的方法發(fā)光。第九頁，共四十五頁，2022年，8月28日當(dāng)陽極加正電壓、陰極加負(fù)電壓時，發(fā)光二極管正向偏置，則n區(qū)自由電子通過pn結(jié)向p區(qū)移動，p區(qū)空穴通過pn結(jié)向n區(qū)移動。此時，自由電子和空穴的一部分因復(fù)合而消失。光的波長根據(jù)pn結(jié)處禁帶寬度來確定，禁帶寬度越大波長越短。即發(fā)光的波長即“色”取決于材料。第十頁，共四十五頁，2022年，8月28日高輝度發(fā)光的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)是一種將禁帶寬度窄的活性層用禁帶寬的包覆層從兩側(cè)夾住的結(jié)構(gòu)。一側(cè)包覆層是p型材料，另一側(cè)包覆層為n型材料，活性層可以為p型或n型任何一種。當(dāng)加正向偏壓時，在p型包覆層和活性層之間形成對于電子的電勢壘，在n型包覆層和活性層之間形成對于空穴的電勢壘，阻擋了電子和空穴的相互擴(kuò)散。由于活性層中電子和空穴的密度變高產(chǎn)生了抑制效應(yīng)，在此狀態(tài)下，電子和空穴能實(shí)現(xiàn)有效的復(fù)合。因此，異質(zhì)結(jié)比同質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)發(fā)光效率高。第十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日LED主要分為可見光和近紅外光兩類。下圖為一些有代表性的發(fā)光二極管的相對發(fā)光光譜響應(yīng)。圖中虛線表示人眼對可見光的相對靈敏度，其最大靈敏度在＝0.55m的綠光。LED的分類第十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日可見光發(fā)光二極管常用的材料是摻雜的間接躍遷材料GaP以及GaP與GaAs的混晶材料GaAs1-xPx。GaP是一種間接帶隙半導(dǎo)體，雖然帶－帶輻射躍遷效率比直接帶隙材料GaAs的低得多，但是通過摻雜，發(fā)光效率比其它間接帶隙的高。第十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日如摻氮是GaP發(fā)綠光的最主要機(jī)構(gòu)。擴(kuò)散Zn也可發(fā)綠光。摻鉍是GaP發(fā)橙光的最主要機(jī)構(gòu)。摻Zn-O是GaP發(fā)紅光的最主要機(jī)構(gòu)。實(shí)際上，在同一發(fā)光管中，有可能同時存在幾種發(fā)光中心，只是以一種為主，其它發(fā)光比較微弱而已。

各種摻雜的GaP的輻射復(fù)合第十四頁，共四十五頁，2022年，8月28日GaAs1-xPx是由直接帶隙型GaAs和間接帶隙型GaP組成的混晶。當(dāng)混晶比x<0.45時，混晶屬直接躍遷，發(fā)紅光。當(dāng)混晶比x>0.45時，混晶屬間接躍遷，性質(zhì)接近GaP。隨著x的增大，發(fā)光波長縮短，從橙色光變成綠光。第十五頁，共四十五頁，2022年，8月28日光子從pn結(jié)結(jié)面發(fā)射到所有方向上，可是，僅有一部分光子能從半導(dǎo)體表面透出，達(dá)到人眼中。損失部分由三種原因造成：LED材料的本征吸收損失；反射損失；臨界角損失。圖(a)GaAs襯底對發(fā)射光不透明，因而，它對LED結(jié)面向下發(fā)射及反射的光子的本征吸收損失高達(dá)85%左右，而圖(b)中透明的GaP襯底底部鍍上反射電極，只有25%左右被吸收掉，大部分發(fā)射光子被反射向上，因而可以極大地提高發(fā)光效率。第十六頁，共四十五頁，2022年，8月28日為了消除發(fā)射光子的臨界損失并降低光發(fā)散度，可以改進(jìn)LED管芯幾何形狀的設(shè)計(jì)，圖（a）的矩形截面可以改成下圖所示的三種截面形狀：半球形、截球形和拋物體形。LED的三種截面設(shè)計(jì)不同截面LED的發(fā)光強(qiáng)度角分布曲線顯然，拋物體形發(fā)光強(qiáng)度角分布最佳。第十七頁，共四十五頁，2022年，8月28日GaN—第三代半導(dǎo)體的曙光第一代材料：Si、Ge第二代材料：GaAs、InP、GaP第三代材料：SiC、ZnSe、GaN寬禁帶半導(dǎo)體材料具有禁帶寬度大，電子漂移飽和速度高，介電常數(shù)小，導(dǎo)熱性能好等特點(diǎn)，非常適合于制作抗輻射、高頻、大功率和高密度集成的電子器件；而利用其特有的禁帶寬度，還可以制作藍(lán)、綠光和紫外光的發(fā)光器件和光探測器件。第十八頁，共四十五頁，2022年，8月28日21世紀(jì)綠色照明－白光LED半導(dǎo)體晶體管以及集成電路的發(fā)明和發(fā)展使計(jì)算機(jī)成為人類社會不可或缺的東西，這數(shù)得上是２０世紀(jì)最重要的技術(shù)革命。那么，半導(dǎo)體引起的下一個技術(shù)革命將是什么呢？那就是半導(dǎo)體燈。半導(dǎo)體照明燈將逐步取代電真空燈泡和日光燈管，成為又一個影響人類社會物質(zhì)文明的電子革命的產(chǎn)物。半導(dǎo)體燈小巧、可靠、壽命長、低壓、省電、節(jié)能等占盡了優(yōu)點(diǎn)。普通燈泡只能用1000小時，GaN白光LED燈可用10萬小時，可以說人的一生從建房開始裝上就不用再更換了，而且半導(dǎo)體燈消耗的電能只是白熾燈的10％～25％。第十九頁，共四十五頁，2022年，8月28日目前利用LED實(shí)現(xiàn)白光主要有兩種方法，一是利用藍(lán)光LED芯片和熒光粉制備的白光LED產(chǎn)品；另一種是利用紅色、綠色、藍(lán)色LED制備LED白光組件。國際上比較活躍的是第一種方法。日本和美國有多家公司推出了白光LED產(chǎn)品，目前日本日亞公司的水平最高。第二十頁，共四十五頁，2022年，8月28日白光LED的基本原理白光LED主要利用藍(lán)光LED為基礎(chǔ)光源，將藍(lán)色LED發(fā)光的一部分藍(lán)光用來激發(fā)熒光粉，使熒光粉發(fā)出黃綠光或紅光和綠光，另一部分藍(lán)光透射出來，由熒光粉和黃綠光或紅光和綠光與透射的藍(lán)光組成白光。由發(fā)光峰值在430nm或470nm的藍(lán)光LED與黃綠色（580nm）熒光粉組成白光稱其為二基色白光LED。由發(fā)光峰值在430nm或470nm的藍(lán)光LED與紅色（650nm）和綠光（540nm）組成的白光其為三基色白光LED。熒光粉的要求是熒光粉的激發(fā)波長與發(fā)光二極管的發(fā)射波長相匹配，以確保獲得很高的轉(zhuǎn)換效率。同時要求熒光粉的發(fā)光與藍(lán)光LED的發(fā)光可以配成白光。第二十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日GaN基發(fā)光器件的應(yīng)用高亮度藍(lán)光LED的商品化使動態(tài)信息顯示平板實(shí)現(xiàn)全色顯示；照明光源實(shí)現(xiàn)固體器件化——半導(dǎo)體燈；以高亮度LED取代傳統(tǒng)的信號指示燈；應(yīng)用藍(lán)光LED（LaserDiode）可以大幅度增加信息的光存儲密度。第二十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日（2）半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器與發(fā)光二極管在于光的放大作用的有無。LED是依據(jù)電子與空穴復(fù)合時具有的能量來產(chǎn)生光，這個能量是有分布的，發(fā)光的波長也分布在一個較寬范圍內(nèi)。半導(dǎo)體激發(fā)，電子和空穴的密度一提高就會激勵發(fā)光，加速了電子和空穴的結(jié)合而進(jìn)入受激發(fā)射狀態(tài)。因?yàn)閮H僅特定能量的載流子相結(jié)合，所以成為單一波長的強(qiáng)光。第二十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日材料要求：直接帶隙低界面態(tài)異質(zhì)結(jié)構(gòu)—晶格匹配工作原理：分布反轉(zhuǎn):電子在較高能級的濃度大于在較低能級的濃度.能帶圖光約束結(jié)構(gòu)簡并型p-n結(jié),正偏時,此區(qū)域分布反轉(zhuǎn).導(dǎo)帶中有大量電子,價帶中有大量空穴.第二十四頁，共四十五頁，2022年，8月28日10.2光電探測器光電探測器：對各種光輻射進(jìn)行接收和探測的器件。熱探測器利用探測元吸收入射光(通常是紅外光)產(chǎn)生熱量，引起溫度上升，然后再借助各種物理效應(yīng)把溫度的變化轉(zhuǎn)變成電學(xué)參量。光子探測器

利用入射光子與半導(dǎo)體中處于束縛態(tài)的電子(或空穴)相互作用，將它們激發(fā)為自由態(tài)，引起半導(dǎo)體的電阻降低或者產(chǎn)生電動勢。第二十五頁，共四十五頁，2022年，8月28日光電效應(yīng)

當(dāng)光照射到某種物體上時，光能量作用于物體而釋放出電子的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。光電效應(yīng)分為內(nèi)、外光電效應(yīng)兩大類。第二十六頁，共四十五頁，2022年，8月28日1、外光電效應(yīng)—光電發(fā)射效應(yīng)

在光線作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)?；谶@類效應(yīng)的器件有光電管、光電倍增管。能否產(chǎn)生光電效應(yīng)由愛因斯坦光電效應(yīng)方程判別：從上式可知：當(dāng)光子能量大于逸出功時，才產(chǎn)生光電效應(yīng)；當(dāng)光子能量恰好等于逸出功時的0稱為紅限頻率(對應(yīng)于長波限)。小于紅限頻率的入射光，光強(qiáng)再大也不會產(chǎn)生光電效應(yīng)。反之，入射頻率高于紅限頻率，即使光線微弱也會有光電效應(yīng)。（每個光子具有的能量=電子動能+逸出功）式中：m—電子質(zhì)量；v—電子逸出速度第二十七頁，共四十五頁，2022年，8月28日2、內(nèi)光電效應(yīng)

受光照物體電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光電動勢的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。

(1)光電導(dǎo)效應(yīng)

在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)而引起材料電阻率的變化，此現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。光電導(dǎo)可分為：本征光電導(dǎo)和雜質(zhì)光電導(dǎo)。第二十八頁，共四十五頁，2022年，8月28日第二十九頁，共四十五頁，2022年，8月28日光電導(dǎo)材料的電導(dǎo)率無光照時：σ0=n0qμn+p0qμp(暗電導(dǎo))有光照時：σ=σ0+Δσpn

其中：Δσpn=Δnqμn+Δpqμp(光電導(dǎo))第三十頁，共四十五頁，2022年，8月28日(a)本征光電導(dǎo)只有能量足以使電子越過禁帶寬度Eg的光照射時才能出現(xiàn)，相應(yīng)的長波限：λ0=hc/Eg=1240/Eg(nm)(Eg—(eV)；h—普朗克常數(shù)；c—光速)

(b)雜質(zhì)光電導(dǎo)

長波限則取決于雜質(zhì)電離能EI：

λ0I=hc/EI=1240/EI(nm)

光電導(dǎo)效應(yīng)的強(qiáng)弱可用光電導(dǎo)與暗電導(dǎo)的比值來判斷：Δσpn/σ0=(Δnμn+Δqμp)/(n0qμn+p0qμp)利用光電導(dǎo)效應(yīng)可以制造出各種波長范圍的光敏電阻、光敏二極管、光敏晶體管和CCD圖象傳感器。第三十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日(2)光生伏特效應(yīng)

半導(dǎo)體受光照射產(chǎn)生電勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。這里介紹pn結(jié)光生伏特效應(yīng)。光照引起pn結(jié)兩端產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象稱為pn結(jié)光生伏特效應(yīng)。當(dāng)光照射到結(jié)區(qū)時，產(chǎn)生電子與空穴對，其中電子被內(nèi)建電場掃向n區(qū)、空穴被內(nèi)建電場掃向p區(qū)，電子在n區(qū)積累而空穴在p區(qū)積累，使pn結(jié)兩端出現(xiàn)由光照而產(chǎn)生的電動勢。第三十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日光照使PN結(jié)勢壘降低等效于PN結(jié)外加正向偏壓，它同樣能引起P區(qū)空穴和N區(qū)電子向?qū)Ψ阶⑷?，形成正向注入電流。這個電流的方向與光生電流的方向正好相反，稱為暗電流，是太陽能電池中的不利因素，應(yīng)當(dāng)設(shè)法使之減小。太陽電池理想等效電路I-V太陽電池特性：PN結(jié)的結(jié)電壓即為負(fù)載R上的電壓降。第三十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日P-N結(jié)上的電壓為

在開路情況下，I=0，得到開路電壓（這是太陽電池能提供的最大電壓）

在短路情況下（V=0），

這是太陽電池能提供的最大電流。太陽電池向負(fù)載提供的功率為第三十四頁，共四十五頁，2022年，8月28日太陽電池的效率

太陽電池的效率指的是太陽電池的功率轉(zhuǎn)換效率。它是太陽電池的最大輸出電功率與入光功率的百分比：

式中為輸入光功率，太陽電池的最大輸出功率：

第三十五頁，共四十五頁，2022年，8月28日影響太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的主要因素有：表面太陽光的反射、pn結(jié)漏電流和寄生串聯(lián)電阻等第三十六頁，共四十五頁，2022年，8月28日實(shí)際的接觸是采用柵格形式。這種結(jié)構(gòu)能夠有大的曝光面積，而同時又使串聯(lián)電阻保持合理的數(shù)值。

P上擴(kuò)散N的硅電池的簡單結(jié)構(gòu)串聯(lián)電阻考慮：提高太陽電池效率的考慮

第三十七頁，共四十五頁，2022年，8月28日表面反射采用抗反射層：聚光：用聚光器面積代替許多太陽能電池的面積，從而降低太陽能電池造價。它的另一個優(yōu)點(diǎn)是增加效率。提高太陽電池效率的考慮

第三十八頁，共四十五頁，2022年，8月28日光子探測器光敏電阻：光敏電阻通常由一塊狀或薄膜狀半導(dǎo)體及其兩邊的歐姆接觸構(gòu)成。光敏電阻第三十九頁，共四十五頁，2022年，8月28日光電二極管光電二極管：光電二極管實(shí)際上就是一個工作在反向偏置條件下的pn結(jié)。

與普通的硅二極管相比，光電二極管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：(a)具有較大的受光面(電極作得較小)，以獲得盡可能大的光生電流。(b)pn結(jié)做得較淺(一般小于0.1m)，使pn結(jié)盡量靠近硅片表面，這樣可更充分地利用短波光，從而提高管子的短波響應(yīng)靈敏度和光電轉(zhuǎn)換效率。(c)選用高阻單晶(大于500Ω.cm)，便可使管芯的耗盡區(qū)在加反向電壓后擴(kuò)展到幾十微米，從而可以吸收長波光，以提高管子的長波光響應(yīng)靈敏度。第四十頁，共四十五頁，2022年，8月28日說明：不同波長的入射光在硅材料中被吸收的情況是不同的，波長短的光容易被硅材料吸收，透入硅中的深度淺；波長長的光不容易被硅材料吸收，因而透入硅中的深度深。但是入射光所產(chǎn)生的光生載流子中