半導(dǎo)體器件物理課件第八章

半導(dǎo)體器件物理課件第八章第一頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五8.1輻射復(fù)合與非輻射第二頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五8.1輻射復(fù)合和非輻射復(fù)合

在復(fù)合過程中電子多余的能量可以以輻射的形式（發(fā)射光子）釋放出來，這種復(fù)合稱為輻射復(fù)合，它是光吸收的逆過程。

在復(fù)合過程中電子的多余能量也可以以其它形式釋放出來，而不發(fā)射光子，這種復(fù)合稱為非輻射復(fù)合。

光電器件利用的是輻射復(fù)合過程，非輻射復(fù)合過程則是不利的。了解半導(dǎo)體中輻射復(fù)合過程和非輻射復(fù)合過程是了解光電器件的工作機(jī)制和進(jìn)行器件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。第三頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五8.1.1輻射復(fù)合

1.帶間輻射復(fù)合帶間輻射復(fù)合是導(dǎo)帶中的電子直接躍遷到價(jià)帶與價(jià)帶中的空穴復(fù)合。發(fā)射的光子的能量接近等于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度。

由于半導(dǎo)體材料能帶結(jié)構(gòu)的不同，帶間輻射復(fù)合又可以分為直接輻射復(fù)合和間接輻射合兩種:導(dǎo)帶價(jià)帶導(dǎo)帶價(jià)帶圖8-1帶間復(fù)合：（a）直接能隙復(fù)合（b）間接能隙復(fù)合第四頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五8.1.1輻射復(fù)合直接輻射復(fù)合對于直接帶隙半導(dǎo)體，導(dǎo)帶極小值和價(jià)帶極大值發(fā)生在布里淵區(qū)同一點(diǎn)如圖8.1a所示。電子在躍遷過程中必須遵守能量守恒和準(zhǔn)動(dòng)量守恒準(zhǔn)動(dòng)量守恒要求

（8-1）

=躍遷前電子的波矢量=躍遷后電子的波矢量=躍遷過程中輻射的光子的波矢量第五頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五8.1.1輻射復(fù)合

（8-2）(8-2)式說明這種躍遷發(fā)生在空間的同一地點(diǎn)，因此也被稱為豎直躍遷。能量守恒要求 （8-3）式中=躍遷前電子的能量=躍遷后電子的能量=輻射光子的能量第六頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五8.1.1輻射復(fù)合間接輻射復(fù)合

在這種半導(dǎo)體中，導(dǎo)帶極小值和價(jià)帶極大值不是發(fā)生在布里淵區(qū)的同一地點(diǎn)，因此這種躍遷是非豎直躍遷。準(zhǔn)動(dòng)量守恒要求在躍進(jìn)過程中必須伴隨聲子的吸收或放出。即

（8-4）為聲子的波矢，正號表示放出聲子，負(fù)號表示吸收聲子，相應(yīng)能量守恒的條件為

（8-5）為聲子頻率。一般比電子能量小得多，可以略去。為聲子的能量，第七頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五8.1.1輻射復(fù)合

2.淺能級和主帶之間的復(fù)合

它可以是淺施主與價(jià)帶空穴或淺受主與導(dǎo)帶電子之間的的復(fù)合，如圖8-2所示。圖8-2淺能級雜質(zhì)與主帶的復(fù)合第八頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五8.1.1輻射復(fù)合3.施主受主對（D-A對）復(fù)合施主受主對復(fù)合是施主俘獲的電子和受主俘獲的空穴之間的復(fù)合。在復(fù)合過程中發(fā)射光子光子的能量小于禁帶寬度。這是輻射能量小于禁帶寬度的一種重要的復(fù)合發(fā)光機(jī)制，這種復(fù)合也稱為D-A對復(fù)合。D-A對復(fù)合模型認(rèn)為，當(dāng)施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)同時(shí)以替位原子進(jìn)入晶格格點(diǎn)并形成近鄰時(shí)，這些集結(jié)成對的施主和受主系統(tǒng)由于距離較近，波函數(shù)相互交疊使施主和受主各自的定域場消失而形成偶極勢場，從而結(jié)合成施主受主對聯(lián)合發(fā)光中心，稱為D-A對。D-A對發(fā)光中心的能級如圖8-3所示。圖8-3D－A對復(fù)合能級圖第九頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五8.1.1輻射復(fù)合

3.施主－受主對復(fù)合施主俘獲電子，受主俘獲空穴之后都呈電中性狀態(tài)。施主上的電子與受主上的空穴復(fù)合后，施主再帶正電，受主再帶負(fù)電。所以D－A對復(fù)合過程是中性組態(tài)產(chǎn)生電離施主受主對的過程，故復(fù)合是具有庫侖作用的。躍遷中庫侖作用的強(qiáng)弱取決于施主與受主之間的距離的大小。粗略地以類氫原子模型處理D－A對中心。在沒有聲子參與復(fù)合的情況下，發(fā)射的光子能量為（8-6）第十頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五8.1輻射復(fù)合3.施主受主對復(fù)合對于材料，不同雜質(zhì)原子和它們的替位狀態(tài)會造成對的電離能不同。例如：氧施主和碳受主雜質(zhì)替代磷的位置，在溫度為時(shí)，；而氧施主雜質(zhì)是磷替位和鋅受主雜質(zhì)是鎵替位，在溫度為時(shí)，。D-A對的發(fā)光在室溫下由于與聲子相互作用較強(qiáng)，很難發(fā)現(xiàn)D－A對復(fù)合的線光譜。但是，在低溫下可以明顯地觀察到對發(fā)射的線光譜系列。這種發(fā)光機(jī)構(gòu)已為實(shí)驗(yàn)證實(shí)并對發(fā)光光譜作出了合理的解釋。第十一頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五8.1輻射復(fù)合4.通過深能級的復(fù)合電子和空穴通過深能級復(fù)合時(shí)，輻射的光子能量遠(yuǎn)小于禁帶寬度，發(fā)射光的波長遠(yuǎn)離吸收邊。對于窄禁帶材料，要得到可見光是困難的，但對于寬禁帶材料，這類發(fā)光還是有實(shí)際意義的，例如中的紅色發(fā)光，便是屬于這類復(fù)合。深能級雜質(zhì)除了對輻射復(fù)合有影響外，往往是造成非輻射復(fù)合的根源，特別是在直接帶隙材料中更是如此。所以在實(shí)際工作中，往往需要盡量減少深能級，以提高發(fā)光效率。第十二頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五8.1輻射復(fù)合5.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(jià)帶激發(fā)。但由于庫侖作用，它仍然和價(jià)帶中留下的空穴聯(lián)系在一起，形成束縛狀態(tài)。這種被庫侖能束縛在一起的電子-空穴對就稱為激子。如果激子復(fù)合以輻射方式釋放能量，就可以形成發(fā)光過程。自由激子：對于直接帶隙半導(dǎo)體材料，自由激子復(fù)合發(fā)射光子的能量為式中為激子能級。對于間接帶隙半導(dǎo)體材料，自由激子復(fù)合發(fā)射光子的能量為式中表示吸收或放出能量為的個(gè)聲子。（8-7）（8-8）

第十三頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五8.1.1輻射復(fù)合5.激子復(fù)合束縛激子：若激子對雜質(zhì)的結(jié)合能為，則其發(fā)射光譜的峰值為是材料和束縛激子的中心的電離能的函數(shù)。近年來，在發(fā)光材料的研究中，發(fā)現(xiàn)束縛激子的發(fā)光起重要作用，而且有很高的發(fā)光效率。如材料中對產(chǎn)生的束縛激子引起紅色發(fā)光。氮等電子陷阱產(chǎn)生的束縛激子引起綠色發(fā)光。這兩種發(fā)光機(jī)制使發(fā)光二極管的發(fā)光效率大大提高，成為發(fā)光二極管的主要發(fā)光機(jī)制。激子發(fā)光的研究越來越受到人們的重視。（8-9）

第十四頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五8.1.1輻射復(fù)合6、等電子陷阱復(fù)合

等電子雜質(zhì)：周期表內(nèi)與半導(dǎo)體基質(zhì)原子同族的原子。等電子陷阱：由等電子雜質(zhì)代替晶格基質(zhì)原子而產(chǎn)生的束縛態(tài)。由于等電子雜質(zhì)與被替位的原子之間的電負(fù)性和原子半徑等方面是不同的，因而引起晶格勢場畸變，可以束縛電子或空穴形成帶電中心，就象在等電子雜質(zhì)的位置形成陷阱，將電子或空穴陷著，故稱為等電子陷阱。如果等電子雜質(zhì)的電負(fù)性比晶格原子的電負(fù)性大，則可以形成電子的束縛態(tài)，這樣的等電子陷阱也可稱為等電子的電子陷阱，這樣的雜質(zhì)稱為等電子受主(如氮原子取代中Gap磷原子)。如果等電子雜質(zhì)的電負(fù)性比晶格原子的電負(fù)性小，則形成空穴的束縛態(tài)，稱為等電子的空穴陷阱，產(chǎn)生這種束縛態(tài)的雜質(zhì)稱為等電子施主(如鉍原子取代Gap中磷原子)。當(dāng)?shù)入娮酉葳宸@了某一種載流子以后，成為帶電中心，這個(gè)帶電中心又由庫侖作用而俘獲帶電符號相反的載流子，形成束縛激子。當(dāng)激子復(fù)合時(shí)，就能以發(fā)射光子的形式釋放能量。第十五頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五8.1.1輻射復(fù)合

6.等電子陷阱復(fù)合

等電子雜質(zhì)對電子的束縛是短程力，因此，被束縛的電子定域在雜質(zhì)原子附近很窄的范圍內(nèi)。電子的波函數(shù)在位形空間中的定域是很確定的。根據(jù)海森堡測不準(zhǔn)關(guān)系，電子波函數(shù)在動(dòng)量空間中會擴(kuò)展到很寬的范圍，因而被束縛在等電子陷阱的電子在空間中從到X的幾率改變，使電子在點(diǎn)的幾率密度提高，如圖8-5所示。氮等電子陷阱的引入，使點(diǎn)出現(xiàn)電子的幾率比間接躍遷的材料提高3個(gè)數(shù)量級左右，從而使電子通過等電子陷阱實(shí)現(xiàn)躍遷而無需聲子參與，大大地提高的發(fā)光效率。第十六頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五8.1.1輻射復(fù)合圖8-5，和的等電子陷阱束縛電子的幾率密度在空間的分布第十七頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五8.1.2非輻射復(fù)合

1.多聲子過程非輻射復(fù)合

圖8-6多聲子躍遷

0125102050100200300400500600光子能量（meV）第十八頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五8.1.2非輻射復(fù)合2.俄歇(Auger)過程圖8-7俄歇過程第十九頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五8.1.2非輻射復(fù)合2.俄歇(Auger)過程圖8-7俄歇過程第二十頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五8.1.2非輻射復(fù)合2.俄歇(Auger)過程圖8-7俄歇過程第二十一頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五8.1.2非輻射復(fù)合3.表面復(fù)合晶體表面處晶格的中斷，產(chǎn)生能從周圍吸附雜質(zhì)的懸掛鍵。因而能夠產(chǎn)生高濃度的深的和淺的能級，它們可以充當(dāng)復(fù)合中心。雖然對這些表面態(tài)的均勻分布沒有確定的論據(jù)，當(dāng)假定是均勻分布時(shí)，表面態(tài)的分布為，與實(shí)驗(yàn)的估計(jì)良好地一致。第二十二頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五8.2LED的基本結(jié)構(gòu)和工作過程第二十三頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五8.2LED的基本結(jié)構(gòu)和工作過程

平面結(jié)構(gòu)鎵砷磷紅光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖

圖8-9磷化鎵發(fā)光二極管

（a）磷化鎵發(fā)光二極管管芯截面圖（b）封裝后的磷化鎵發(fā)光二極管

第二十四頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五8.2LED的基本結(jié)構(gòu)和工作過程

PN結(jié)的電致發(fā)光圖8-10P-N的電致發(fā)光結(jié)：（a）零偏壓，（b）正向偏壓V第二十五頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五8.3LED的特性參數(shù)8.3.1V-I特性發(fā)光二極管的電流—電壓特性和普通二極管大體一致。發(fā)光二極管的開啟電壓很低，是1.0伏，、大約1.5伏。（紅光）大約1.8伏，（綠光）大約2.0伏。工作電流約為10。工作電壓和工作電流低，使得可以把它們做的很小，以至于看作點(diǎn)光源，這使得LED極適宜用于光顯示。第二十六頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五8.3.2量子效率量子效率是發(fā)光二極管特性中一個(gè)與輻射量有關(guān)的重要參數(shù)。它反映了注入載流子復(fù)合產(chǎn)生光量子的率。量子效率又有內(nèi)量子效率和外量子效率兩個(gè)概念:外量子效率：單位時(shí)間內(nèi)輸出二極管外的光子數(shù)目與注入的載流子數(shù)目之比。內(nèi)量子效率：單位時(shí)間內(nèi)半導(dǎo)體的輻射復(fù)合產(chǎn)生的光子數(shù)與注入的載流子數(shù)目之比。第二十七頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五8.3.2量子效率1.注射效率圖8-12

帶尾對帶帶復(fù)合的影響；（a）型，（b）型＞＜（a）（b）第二十八頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五8.3.2量子效率注射效率就是可以產(chǎn)生輻射復(fù)合的二極管電流在二極管的總電流中所占的百分比。根據(jù)（8-15）式提高注射效率的途徑是：(a)P區(qū)受主濃度要小于N區(qū)施主濃度，即結(jié)。(b)減小耗盡層中的復(fù)合電流。這就要求LED所用的材料和制造工藝盡可能保證晶體完整，盡量避免有害雜質(zhì)的摻入。(c)選用電子遷移率比空穴遷移率大的材料。由于族化合物半導(dǎo)體的電子遷移率比空穴遷移率大很多，例如，所以它們是制造LED的上選材料。第二十九頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五8.3.2量子效率

2.輻射效率發(fā)生輻射復(fù)合的電子數(shù)與總的注入電子數(shù)