半導體器件物理課件第八章

半導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輻射復合和非輻射復合

在復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，這種復合稱為輻射復合，它是光吸收的逆過程。

在復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，這種復合稱為非輻射復合。

光電器件利用的是輻射復合過程，非輻射復合過程則是不利的。了解半導體中輻射復合過程和非輻射復合過程是了解光電器件的工作機制和進行器件設計的基礎。第三頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五8.1.1輻射復合

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

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

（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輻射復合

（8-2）(8-2)式說明這種躍遷發(fā)生在空間的同一地點，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輻射復合間接輻射復合

在這種半導體中，導帶極小值和價帶極大值不是發(fā)生在布里淵區(qū)的同一地點，因此這種躍遷是非豎直躍遷。準動量守恒要求在躍進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，負號表示吸收聲子，相應能量守恒的條件為

（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輻射復合

2.淺能級和主帶之間的復合

它可以是淺施主與價帶空穴或淺受主與導帶電子之間的的復合，如圖8-2所示。圖8-2淺能級雜質(zhì)與主帶的復合第八頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五8.1.1輻射復合3.施主受主對（D-A對）復合施主受主對復合是施主俘獲的電子和受主俘獲的空穴之間的復合。在復合過程中發(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合發(fā)光機制，這種復合也稱為D-A對復合。D-A對復合模型認為，當施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)同時以替位原子進入晶格格點并形成近鄰時，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輻射復合

3.施主－受主對復合施主俘獲電子，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合后，施主再帶正電，受主再帶負電。所以D－A對復合過程是中性組態(tài)產(chǎn)生電離施主受主對的過程，故復合是具有庫侖作用的。躍遷中庫侖作用的強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輻射復合3.施主受主對復合對于材料，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，；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，。D-A對的發(fā)光在室溫下由于與聲子相互作用較強，很難發(fā)現(xiàn)D－A對復合的線光譜。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)光機構(gòu)已為實驗證實并對發(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輻射復合4.通過深能級的復合電子和空穴通過深能級復合時，輻射的光子能量遠小于禁帶寬度，發(fā)射光的波長遠離吸收邊。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)光還是有實際意義的，例如中的紅色發(fā)光，便是屬于這類復合。深能級雜質(zhì)除了對輻射復合有影響外，往往是造成非輻射復合的根源，特別是在直接帶隙材料中更是如此。所以在實際工作中，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輻射復合5.激子復合如果半導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：對于直接帶隙半導體材料，自由激子復合發(fā)射光子的能量為式中為激子能級。對于間接帶隙半導體材料，自由激子復合發(fā)射光子的能量為式中表示吸收或放出能量為的個聲子。（8-7）（8-8）

第十三頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期五8.1.1輻射復合5.激子復合束縛激子：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輻射復合6、等電子陷阱復合

等電子雜質(zhì)：周期表內(nèi)與半導體基質(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)的電負性比晶格原子的電負性大，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)的電負性比晶格原子的電負性小，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?shù)入娮酉葳宸@了某一種載流子以后，成為帶電中心，這個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。當激子復合時，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輻射復合

6.等電子陷阱復合

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)海森堡測不準關系，電子波函數(shù)在動量空間中會擴展到很寬的范圍，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，使電子在點的幾率密度提高，如圖8-5所示。氮等電子陷阱的引入，使點出現(xiàn)電子的幾率比間接躍遷的材料提高3個數(shù)量級左右，從而使電子通過等電子陷阱實現(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非輻射復合

1.多聲子過程非輻射復合

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非輻射復合3.表面復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，它們可以充當復合中心。雖然對這些表面態(tài)的均勻分布沒有確定的論據(jù)，當假定是均勻分布時，表面態(tài)的分布為，與實驗的估計良好地一致。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與輻射量有關的重要參數(shù)。它反映了注入載流子復合產(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概念:外量子效率：單位時間內(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：單位時間內(nèi)半導體的輻射復合產(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)生輻射復合的電子數(shù)與總的注入電子數(shù)