2022-2023學(xué)年高二物理課件：半導(dǎo)體外量子效率

半導(dǎo)體外量子效率根據(jù)外量子效率公式（8-28）指出提高外量子效率的主要途徑。公式說明可以通過減少、、通過增加來提高外量子效率：1.減小結(jié)深。但把結(jié)深減小到距離表面不足一個(gè)擴(kuò)散長(zhǎng)度，會(huì)使更多的少數(shù)載流子引到表面，表面復(fù)合中心會(huì)俘獲注入載流子的一大部分，這樣會(huì)減小內(nèi)量子效率。2.產(chǎn)生

的發(fā)光可以使減小，由于發(fā)射的光子具有低于的能量，因而得到了高效率。〔（8-28）〕半導(dǎo)體外量子效率逸出率：也叫出光效率，定義為P-N結(jié)輻射復(fù)合產(chǎn)生的光子中出射到晶體外部的百分?jǐn)?shù)。內(nèi)量子效率：產(chǎn)生輻射復(fù)合的電子數(shù)（等于輻射的總光子數(shù)）占總的注入載流子數(shù)的百分比。外量子效率：出射的光子數(shù)與總的注入載流子數(shù)之比。3.采用光學(xué)窗口。比如在GaAs二極管的頂面上生長(zhǎng)一附加的AlGaAs層，因?yàn)锳lGaAs材料的禁帶寬度大于GaAs的禁帶寬度，所以發(fā)射的光子不會(huì)被附加層所吸收。與此同時(shí)，在AlGaAs-GaAs界面上的復(fù)合中心密度顯著的低于沒有AlGaAs層的表面的GaAs復(fù)合中心密度。因而，距離界面的結(jié)深可以做得很小。4.減少內(nèi)反射。采用折射率在空氣和半導(dǎo)體之間的光學(xué)介質(zhì)，澆注成的半球形圓頂，可使外量子效率增至2-3倍。畫出能帶圖說明PN結(jié)LED工作原理：答：圖8.10。當(dāng)正向偏壓加于P-N結(jié)的兩端時(shí)，載流子注入，使得少數(shù)載流子濃度超過熱平衡值，形成過量載流子。過量載流子復(fù)合，能量可能以光（光子）的形式釋放。在光子發(fā)射過程中，我們從偏壓的電能量得到光能量。這種現(xiàn)象稱為注入式電致發(fā)光。在P側(cè)，注入的非平衡少數(shù)載流子電子從導(dǎo)帶向下躍遷與價(jià)帶中的空穴復(fù)合，發(fā)射能量為的光子。在P-N結(jié)的N側(cè)，注入的非平衡少數(shù)載流子空穴與導(dǎo)帶電子復(fù)合，同樣發(fā)出能量為的光子。（a）（b）

VF圖8-10P-N的電致發(fā)光結(jié)：（a）零偏壓，（b）正向偏壓

等電子陷阱能夠有效地提高GaP的發(fā)光效率的物理原理是什么？等電子陷阱能夠有效地提高GaP的發(fā)光效率的實(shí)際意義在于緩和間接能隙躍遷的選擇定則。GaP材料是間接帶隙半導(dǎo)體，帶間電子躍遷幾率是很小，不能實(shí)現(xiàn)有效的發(fā)光。當(dāng)?shù)舆M(jìn)入GaP取代磷原子形成等電子陷阱時(shí)，等電子雜質(zhì)對(duì)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(cè)不準(zhǔn)關(guān)系，電子波函數(shù)在動(dòng)量空間中會(huì)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的幾率改變，

使電子在點(diǎn)的幾率密度提高。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GaP材料提高3個(gè)數(shù)量級(jí)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GaP:N的發(fā)光效率。8.1若在GaAsLED中，證明與電子電流相比較，空穴擴(kuò)散電流是可以忽略的。用證明：

又因?yàn)樗砸虼丝梢哉f空穴擴(kuò)散電流與電子擴(kuò)散電流相比較是可以忽略的。

證明鏡像力使肖特基勢(shì)壘高度降低：

其中證明：半導(dǎo)體中距金屬表面為的電子受到的鏡像力為

電勢(shì)能為其中邊界條件取為時(shí)，和時(shí)，。（2）（1）對(duì)于肖特基勢(shì)壘，這個(gè)勢(shì)能將迭加到理想肖特基勢(shì)壘能帶圖上，將原來的肖特基勢(shì)壘近似地看成是線性的，因而界面附近的導(dǎo)帶底勢(shì)能曲線為其中為表面附近的電場(chǎng)，等于勢(shì)壘區(qū)最大電場(chǎng)?？倓?shì)能為設(shè)勢(shì)壘高度降低的位置發(fā)生在處，勢(shì)壘高度降低值為。令，由（3）式得到（3）

由于

故（4）（5）4-3．畫出金屬在P型半導(dǎo)體上的肖脫基勢(shì)壘的能帶結(jié)構(gòu)圖，忽略表面態(tài)，指出（a）和（b）兩種情形是整流節(jié)還是非整流結(jié)，并確定自建電勢(shì)和勢(shì)壘高度。解：如下圖所示

A.B.4-10．（a）推導(dǎo)出在肖特基二極管中作為電流密度的函數(shù)表達(dá)式。假設(shè)少數(shù)載流子可以