led正導(dǎo)帶中電子-空穴復(fù)合成能量的研究

led正導(dǎo)帶中電子-空穴復(fù)合成能量的研究

布拉格是中國gaaeconomica的英語詞匯。綠色植物的發(fā)光電極由加亞哈布西翁（gap）、gap（磷酸）、gaasp（磷酸）和其他起始材料制成，其核心是pn結(jié)。這是一個固體半導(dǎo)電裝置。它能直接將能量轉(zhuǎn)化為光能嗎？要解決這個問題，首先要理解祖母的電導(dǎo)率，然后要理解晶體電極pn結(jié)的電導(dǎo)率。1半導(dǎo)體材料的種類何謂半導(dǎo)體?半導(dǎo)體(semiconductor),指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體(conductor)與絕緣體(insulator)之間的材料。自然界中,我們通常把導(dǎo)電和導(dǎo)熱性差的材料,如金剛石、陶瓷、塑料等稱為絕緣體。把導(dǎo)電、導(dǎo)熱性都比較好的金屬如金、銀、銅、鐵、鋁等稱為導(dǎo)體。而把導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料稱為半導(dǎo)體。半導(dǎo)體室溫時電阻率介于金屬和絕緣體之間(約為10-5~107歐·米)并有負(fù)的電阻溫度系數(shù),溫度升高時電阻率隨之減小。半導(dǎo)體材料很多,按化學(xué)成分可分為元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體兩大類。除上述晶態(tài)半導(dǎo)體外,還有非晶態(tài)的玻璃半導(dǎo)體、有機(jī)半導(dǎo)體等。2雜質(zhì)原子的作用和性質(zhì)本征半導(dǎo)體:不含雜質(zhì)且無晶格缺陷的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。在極低溫度下,半導(dǎo)體的價帶是滿帶,受到熱激發(fā)后,價帶中的部分電子會越過禁帶進(jìn)入能量較高的空帶,空帶中存在電子后成為導(dǎo)帶,價帶中缺少一個電子后形成一個帶正電的空位,稱為空穴。導(dǎo)帶中的電子和價帶中的空穴合稱電子-空穴對,均能自由移動,即載流子,它們在外電場作用下產(chǎn)生定向運(yùn)動而形成宏觀電流,分別稱為電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電。這種由于電子-空穴對的產(chǎn)生而形成的混合型導(dǎo)電稱為本征導(dǎo)電。導(dǎo)帶中的電子再落入空穴,電子-空穴對消失,稱為復(fù)合。在一定溫度下,電子-空穴對的產(chǎn)生和復(fù)合同時存在并達(dá)到動態(tài)平衡,此時半導(dǎo)體具有一定的載流子密度,從而具有一定的電阻率。溫度升高時,激發(fā)電子躍遷會產(chǎn)生更多的電子-空穴對,載流子密度增加,電阻率減小。無雜質(zhì)、無晶格缺陷的純凈半導(dǎo)體的電阻率極大。雜質(zhì)半導(dǎo)體:通過擴(kuò)散工藝,在本征半導(dǎo)體中摻入少量合適的雜質(zhì)元素,可得到雜質(zhì)半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體中的雜質(zhì)原子取代了本征半導(dǎo)體晶格中的原子后,雜質(zhì)原子干擾了原本征半導(dǎo)體晶格的周期性勢場,使能級發(fā)生了改變。因摻入Ⅲ族與Ⅴ族雜質(zhì)元素的不同,而分為P型和N型半導(dǎo)體,微量雜質(zhì)對半導(dǎo)體電阻率的影響非常大。N型半導(dǎo)體:在純凈的四價元素鍺或硅晶體中摻入微量五價元素(如磷、砷、銻等),少許雜質(zhì)原子取代了晶格中鍺或硅原子的位置,就形成了N型半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體中,雜質(zhì)原子的五個價電子中有四個與周圍的鍺(或硅)原子形成共價結(jié)合,多余的一個電子被束縛于雜質(zhì)原子附近,該多余電子能級位于禁帶上方靠近導(dǎo)帶底附近,因此該多余電子很易被激發(fā)到導(dǎo)帶成為電子載流子即自由電子。N型半導(dǎo)體中自由電子的濃度大于空穴的濃度,稱為多數(shù)載流子,空穴為少數(shù)載流子。N型半導(dǎo)體靠自由電子導(dǎo)電,摻入的雜質(zhì)越多,自由電子的濃度就越高,導(dǎo)電性能也就越強(qiáng)。P型半導(dǎo)體:在純凈的鍺或硅晶體中摻入微量三價雜質(zhì)元素(如硼、鋁、鎵等),使之取代晶格中鍺或硅原子的位置,雜質(zhì)原子與周圍四個鍺或硅原子形成共價結(jié)合時尚缺少一個電子,因而存在一個空位,形成P型半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體中,雜質(zhì)原子近處的電子空位的能量狀態(tài)通常位于禁帶下方靠近價帶處。價帶中的電子很易激發(fā)到雜質(zhì)原子近處電子空穴能級上填補(bǔ)這個空位,使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。價帶中由于缺少一個電子而形成一個空穴載流子。因三價雜質(zhì)原子的存在,在價帶中形成空穴載流子所需能量比本征半導(dǎo)體形成空穴要小得多。半導(dǎo)體摻雜后其電阻率大大下降。P型半導(dǎo)體空穴的濃度大于自由電子的濃度,稱為多數(shù)載流子,自由電子為少數(shù)載流子。P型半導(dǎo)體靠空穴導(dǎo)電,摻入的雜質(zhì)越多,空穴的濃度就越高,導(dǎo)電性能也就越強(qiáng)。顯然:半導(dǎo)體中多數(shù)載流子的濃度決定于雜質(zhì)元素濃度;少數(shù)載流子的濃度決定于溫度。3p區(qū)和n區(qū)之間的接觸電勢差和阻擋層P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體相互接觸時,其交界區(qū)域稱為PN結(jié)。P區(qū)中的自由空穴和N區(qū)中的自由電子要相向擴(kuò)散(如圖1),造成正負(fù)電荷在PN結(jié)兩側(cè)的積累,形成電偶極層(如圖2)。電偶極層中的自建電場(方向N區(qū)→P區(qū))會阻止擴(kuò)散的進(jìn)一步進(jìn)行,當(dāng)由于載流子密度不等引起的擴(kuò)散作用與電偶極層中電場的作用達(dá)到平衡時,P區(qū)和N區(qū)之間形成一定的電勢差,稱為接觸電勢差。由于P區(qū)中的空穴向N區(qū)擴(kuò)散后與N區(qū)中的電子復(fù)合,而N區(qū)中的電子向P區(qū)擴(kuò)散后與P區(qū)中的空穴復(fù)合,導(dǎo)致電偶極層中自由載流子數(shù)減少而形成高阻層,故電偶極層也叫阻擋層,阻擋層的電阻值往往是原來P型N型半導(dǎo)體原有阻值的幾十倍乃至幾百倍。晶體二極管就是由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體形成的PN結(jié),簡稱二極管(diode)。當(dāng)PN結(jié)的外界加有正向電壓時,外界電場與自建電場互相產(chǎn)生抑消作用——導(dǎo)致阻擋層變薄,使載流子的擴(kuò)散作用增強(qiáng)形成正向電流。當(dāng)外界加有反向電壓時,外界電場與自建電場方向相同,等于進(jìn)一步加強(qiáng)了自建電場(導(dǎo)致阻擋層變厚),使載流子的擴(kuò)散嚴(yán)重受阻,在一定反向偏置電壓范圍內(nèi),反向偏置電流幾乎為零。所以,PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。?dāng)外加的反向偏置電壓高到一定程度時,PN結(jié)空間電荷層中的電場強(qiáng)度達(dá)到臨界值發(fā)生載流子的倍增過程,產(chǎn)生大量電子空穴對,會形成數(shù)值很大的反向擊穿電流,稱為二極管的擊穿現(xiàn)象。4led光的制備LED發(fā)光二極管不但具有一般PN結(jié)的電學(xué)特性,即正向?qū)?反向截止、擊穿特性。此外,在一定條件下,它還具有發(fā)光特性。LED加正向電壓后,電子由N區(qū)注入P區(qū),空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進(jìn)入對方區(qū)域的少數(shù)載流子(少子)一部分與多數(shù)載流子(多子)復(fù)合而發(fā)光,如圖3所示。就能源源不斷地從相對的方向?qū)⒋罅康亩鄶?shù)空穴載流子與大量的多數(shù)電子載流子分別注入PN結(jié),大量的空穴-電子載流子在PN結(jié)中復(fù)合時會把多余的能量以光的形式釋放出來,從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。這種利用注入載流子的電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管,通稱LED。當(dāng)電流從LED陽極(P區(qū))流向陰極(N區(qū))時,半導(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線,光的顏色與LED的晶體材料種類有關(guān),光的強(qiáng)弱與電流強(qiáng)度有關(guān)。理論和實(shí)踐證明,光的峰值波長與發(fā)光區(qū)域的半導(dǎo)體材料禁帶寬度Eg有關(guān),即≈1240/Eg(nm)式中Eg的單位為電子伏特(eV)。若能產(chǎn)生可見光(波長在380nm紫光~780nm紅光),半導(dǎo)體材料的Eg應(yīng)在3.26~1.63eV之間。比紅光波長長的光為紅外光?，F(xiàn)在已有紅外、紅、黃、綠及藍(lán)光LED發(fā)光