（无线电物理专业论文）采用光子晶体与全向反射镜提高led光提取效率.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 发光二极管 1 i g h t e m i t t i n gd i o d e l e d 是一种可将电能转化为光能的有源器 件 l e d 具有节能环保 寿命长 可靠性高 体积小等诸多优点 因此被广泛 地应用于移动设备 交通信号 平板显示 车辆照明 液晶显示 普通照明等 领域 显示出了巨大的应用前景 随着相关技术的飞速发展 l e d 将取代白炽 灯 荧光灯成为下一代最具优势的固态光源 但是传统l e d 的输出光功率仍然 很低 提高l e d 的量子效率成为最为关键的问题 目前部分l e d 的内量子效 率达到了8 0 以上 因此如何提高l e d 的光提取率成为了目前国内外的研究热 点之一 本文首先概述了l e d 及g a n 基l e d 的发展历程 分析了l e d 的应用及 发展前景 l e d 是由p n 结组成的电致发光器件 因此从半导体及其能带理论 角度分析了l e d 的发光原理 并详细讨论了l e d 的一些特性参数 重点分析 了光提取效率及造成普通l e d 光提取效率低的原因 本文是基于采用光子晶体 和全向反射镜结构来提高l e d 的光提取效率的 因此文章介绍了光子晶体的概 念 特性及其理论研究方法 分析了周期性结构是如何提取平板光波导中的导 模光的 重点研究了本文所采用的两种数值计算方法 时域有限差分算法 f d t d 和衍射模理论的严格耦合波分析法 r c w a 随后 概述了目前主要用以提高 l e d 光提取效率的方案 本文提出设计了结合优化参数的光子晶体和复合布拉 格反射层的l e d 结构 并采用f d t d 和r c w a 两种算法进行仿真与分析 结 果表明 该l e d 结构通过复合布拉格反射层解决了衬底等材料吸收损耗光的问 题 采用光子晶体提取波导模 从而有效地提高了其光提取效率 且结构中的 光子晶体相对容易制作实现 最后 对全文进行了简要的总结 并展望了下一 步的研究方向 总之 根据布拉格反射层和光子晶体的特性 采用f d t d 和r c w a 算法通 过反复仿真选择参数设计出效果比较理想的结构 以提高普通l e d 的光提取效 率 复合布拉格反射层构成全向反射镜设置在有源层和衬底之问 将有源层发 出的底向光反射回上表面 从而减小了有源层以下包括衬底 电极等材料的光 山东大学硕士学位论文 损耗 光子晶体设计在p g a n 层 通过光子禁带和衍射作用破坏l e d 内的导 模 减小l e d 材料和外围介质的全反射效果 最大化地提取l e d 内部光 结 构的仿真结果表明 该l e d 结构的光提取效率有了很明显的提高 并对该仿真 结果进行了详细的分析讨论 关键词 发光二极管 光子晶体 全向反射镜 光提取效率 复合布拉格反射 层 2 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t l i g h t e m i t t i n gd i o d e l e d i sa l l a c t i v eo p t i c a ld e v i c ew h i c hc a nc h a n g e e l e c t r i c a le n e r g yi n t oo p t i c a le n e r g y i th a sm a n ya d v a n t a g e s s u c ha se n e r g ys a v i n g e n v i r o n m e n tf r i e n d l y l o n gl i f es p a n h i g hr e l i a b i l i t y s m a l lv o l u m ea n ds oo i l s o l e dc a nb ew i d e l yu s e di nm a n yd o m a i n s f o re x a m p l em o b i l ed e v i c e s t r a f f i cs i g n a l l i g h t s f l a tp a n e ld i s p l a y t r a f f i ci l l u m i n a t i o n l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y g e n e r a l i l l u m i n a t i o na n ds oo n a n dt h a tr e v e a l st h es p l e n d i da p p l i c a t i o np r o s p e c t a sr e l a t e d t e c h n o l o g i e sd e v e l o p e dr a p i d l y l e d sw i l lr e p l a c e i n c a n d e s c e n tl i g h t b u l b s f l u o r e s c e n tt u b e sa n db e c o m et h en e x tg e n e r a t i o ns o l i ds t a t el i g h ts o u r c ew i t hg r e a t a d v a n t a g e s h o w e v e r t h eo u t p u to p t i c a lp o w e ro f t r a d i t i o nl e d si ss t i l lv e r yl o w s o i t i sac r u c i a lp r o b l e mt oi m p r o v et h eq u a n t u me f f i c i e n c y b e c a u s eo ft h eh i g h i n t e r n a lq u a n t u me f f i c i e n c yo fl e d sa d o p t i n gs o m en e wt e c h n o l o g i e s w h i c hu pt o 8 0 i tb e c o m e sa na t t r a c t i v eh o t p o th o wt oi m p r o v et h ee x t r a c t i o ne f f i c i e n c yo f l e d s f i r s t t h el e da n dg a n b a s e dl e dd e v e l o p i n gc o u r s e sa r ei n t r o d u c e di nt h e p a p e r i ti sn e c e s s a r y t oa n a l y z et h ea p p l i c a t i o np r o s p e c to fl e d s t h el e di sa n e l e c t r o l u m i n e s c e n td e v i c ec o n s i s t i n go fp nj u n c t i o n a sar e s u l t t h el u m i n e s c e n c e p r i n c i p l eo fl e d si sd i s c u s s e df r o mt h ep o i n to fs e m i c o n d u c t o ra n de n e r g yg a p t h e o r y t h e ns o m ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fl e d sa r ei n t r o d u c e d t h ep a r a m e t e r e x t r a c t i o ne f f i c i e n c ya n dt h er e a s o no fl o we x t r a c t i o ne f f i c i e n c ya r em a i n l ys t r e s s e d t h ep a p e rf o c u s e so ni m p r o v i n gt h ee x t r a c t i o ne f f i c i e n c yb ya d o p t i n gp h o t o n i c c r y s t a la n d a no m n i d i r e c t i o n a lr e f l e c t o r s oi ta l s or e f e r st op h o t o n i cc r y s t a lc o n c e p t c h a r a c t e r i s t i c sa n dr e s e a r c hm e t h o d s t h e ni tb a s i c a l l yr e a c h e st oh o wt h ep e r i o d i c a l s t r u c t u r e st o e x t r a c tt h el i g h tf r o mp l a n a rw a v e g u i d e t w on u m e r i c a lm e t h o d s f d t da n dr c w a a r em a i n l ye x p l o r e d t h em a i nm e t h o d st oi m p r o v el i g h t e x t r a c t i o ne f f i c i e n c ya r es u m m a r i z e d w ep r o p o s ea n dd e s i g nt h el e ds t r u c t u r ew i t h a no p t i m i z e do l n n i d i r e c t i o n a lr e f l e c t o ra n dp h o t o n i cc r y s t a l w h i c hi ss i m u l a t e da n d 3 山东大学硕士学位论文 a n a l y z e db yf d t da n dr c w a t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h ec o m p o s i t ed b r c a ns o l v et h ep r o b l e mo fl i g h ta b s o r p t i o nb ys u b s t r a t ea n de l e c t r o d e s t h ep h o t o n i c c r y s t a lc a ne x t r a c tt h ei n n e rl i g h t sb yd e s t r o y i n gt h ew a v e g u i d em o d e t h el i g h t e x t r a c t i o ne f f i c i e n c yc a nh e n c eb ee f f e c t i v e l ye n h a n c e d a n dt h ed e s i g n e dp h o t o n i c c r y s t a li s f a b r i c a t e dm o r ee a s i l yc o r r e s p o n d i n g l y a tl a s t t h er e s e a r c hw o r ki s c o n c l u d e d a n dt h e nb e c a u s et h e r ea r es o m ed e f i c i e n c i e sa n dd e f e c t sa n ds o m en e w m e t h o d sc o m eu p t h en e x tr e s e a r c hd i r e c t i o n sa r el o o k e df o r w a r dt o i nc o n c l u s i o n t h ew o r ki sm a i n l yd e v o t e dt od e s i g n i n gp h o t o n i cc r y s t a la n da n o m n i d i r e c t i o n a lr e f l e c t o rt oi m p r o v et h ee x t r a c t i o ne f f i c i e n c yo fl e d sb e c a u s eo f t h e i rc h a r a c t e r i s t i c s t h e c o m p o s i t ed i s t r i b u t e db r a g gr e f l e c t o r d b r i s l a i d b e t w e e nt h ea c t i v el a y e ra n ds u b s t r a t el a y e r s oi tc a nr e f l e c tt h ed o w n w a r dl i g h t b a c kt ot h eu p p e rs u r f a c e t h a tw i l lm i l l i s hl i g h tl o s si n d u c e db ys u b s t r a t e e l e c t r o d e a n ds o m eo t h e rm a t e r i a l su n d e rt h ea c t i v el a y e r p h o t o n i cc r y s t a li sd e s i g n e di n p g a nl a y e r b yi t sb a n d g a pa n dd i f f r a c t i o nt h eg u i d e dm o d ei nl e d sc a nb e d e s t r o y e d a n dt o t a li n t e r n a lr e f l e c t i o ni sa l s od e c r e a s e d s ol i g h t si nt h el e d sc a n b ee x t r a c t e da tu t m o s t t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h es t r u c t u r e sd e s i g n e d c a ni m p r o v et h ee x t r a c t i o ne f f i c i e n c yo fl e d s a n dt h er e s u l t sa r ea n a l y z e da n d d i s c u s s e di nd e t a i l k e y w o r d s l i g h t e m i t t i n gd i o d e p h o t o n i cc r y s t a l o m n i d i r e c t i o n a lr e f l e c t o r e x t r a c t i o ne f f i c i e n c y c o m p o s i t ed i s t r i b u t e db r a g gr e f l e c t o r 4 山东大学硕士学位论文 l e d f d t d r c l 张 l e e b i s q w m q w t m p w m m s t f e m p m l b p c d b r 缩略名词索引 l i g h t e m i t t i n gd i o d e发光二极管 f i n i t e d i f f e r e n c et i m e d o m a i n时域有限差分算法 r i g o r o u sc o u p l e dw a v ea n a l y s i s 严格耦合波分析法 l o w e n e r g ye l e c t r o n b e a mi r r a d i a t i o n低能电子束辐射法 s i n g l eq u a n m mw e l l 单量子阱 m u l t i q u a n t u mw e l l 多量子阱 t r a n s f e rm a t r i xm e t h o d p l a nw a v em e t h o d 转移矩阵法 平面波法 m u l t i p l e s c a t t e r i n gt h e o r y 多重散射理论 f i m t ee l e m e n tm e t h o d p e r f e c t l ym a t c h e dl a y e r 有限元法 完全匹配层 b l o c h sp e r i o d i cb o u n d a r yc o n d i t i o nb l o c h 周期性边界条件 d i s t r i b u t e db r a g gr e f l e c t o r分布布拉格反射层 m o c v d m e t a l o r g a n i cc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n 金属有机化学气相沉积法 l l o 0 d r p h c k k r l a s e rl i f t o f f o m n i d i r e c t i o n a lr e f l e c t o r p h o t o n i cc r y s t a l 激光剥离技术 全向反射镜 光子晶体 k o r r i n g a k o h n r o s t o k e rm e t h o d k k r 算法 原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独 立进行研究所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果 对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本声明 的法律责任由本人承担 论文作者签名 煎趣连 e l 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留 使用学位论文的规定 同意学 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e d 产业界和学术界的广泛重视 日本 日亚公司利用蓝光l e d 激发黄粉和红粉得到白光l e d 发光效率达到了 6 0 1 m w 美国c r e e 公司利用s i c 衬底生长的g a n 的白光l e d 发光效率达到了 7 0 1 m w 同时功率型白光l e d 的封装也被许多厂商所重视 尤以美国的 l u m i l e d s 公司的进展最为迅速 他们已经使用f l i p c h i p 工艺研制出了4 组1 l m m 蓝光芯片用黄粉封装的l e d 灯 1 4 0 0 m a 电流下的光通量达到1 8 7 1 m 6 当薹查耋登耋耋竺兰三 1 2g a n 基l e d 的发展历程 g a n 基l e d 的研究与发展主要经历了以下几个阶段 1 2 1 幡结构l e d 早在1 9 7 1 年 g a n 基l e d 就已经问世 但由于当时不能进行g a n 的p 型 掺杂 只能采用金属 绝缘体 半导体o d i s 结构 此种l e d 的基本结构如图1 1 所示 m i s 结构l e d 的发光峰值波长约为4 8 5 n m 光谱半峰宽为7 0 r t r n 典型 工作电压 当输入电流为2 0 m a 时 为7 5 v 1 0 m a 下具有2 m e d 的光输出 这种 l e d 的使用寿命较长 但发光效率较低 仅有0 0 3 0 0 4 1 1 3 7 1 1 2 2p n 结l e d h 肌 一 图1 1 m 1 s 结构的g a n 基l e d 示意图 1 9 8 3 年 y o s h i d a 等人在蓝宝石衬底与g a n 层之间沉积了一层a i n 作为缓 冲层 g a n 的晶体质量和表面结构也因此有了很大的提高 名古屋大学的 h i r o s h i a m a l l o 等人利用低能电子束辐射法 l e e b i a j 掺m g 的g a n 进行处理 从而使得g a n 的电阻率从1 0 8 ne m 降至3 5 nc m 空穴浓度为2 x 1 0 c r n 空 穴迁移率为8 c m 2 vs 1 这样实现了p g a n 2 0 世纪8 0 年代束 第一只g a n 基p n 结l e d 诞生 结构如图1 2 所示 罔中n g a n 的电子浓度为2 1 0 c l t i 一 g a n m g 中m g 的浓度为2 1 0 2 0 e r a 3 l e e b i 区域为2 m m 2 m m 实验数据表 明 p n 结l e d 的i v 特性和发光效率都明显优于m i s l e d 且输出光谱中出 l怒极拓她 蓦搬 n h马 曩于 当查奎耋至圭耋堡堡圣 现两个峰 主峰值对应3 7 0 r i m 次峰值则为4 3 0 r a n 3 8 1 2 3 同质结l e d 图1 2 早期p n 结的g a n 基l e d 结构 1 9 9 1 年 日亚公司的n a k a m u r a 等人成功研制出掺m g 的同质结g a n 基蓝 光l e d 其结构如图1 3 所示 另外他们还首次实现了在g a n 缓冲层上面利用 双流m o c v d 技术生长g a n 薄膜 从而大大提高了薄膜质量 使得薄膜的迁移 率达到了6 0 0 c m 2 v s 掺m g 的g a n 空穴浓度达到3 x 1 0 t i n 1 经测试 该 l e d 结构的发光峰值波长为4 3 0 r i m 光谱半峰宽为5 5 n m 当输入电流为2 0 m a 时光输出功率可以达到4 2 uw 且此时的工作电压只有4 v 外量子效率约为 o 1 8 光谱质量较好 只有一个峰值 4 5 p 型电极 a u i 一 p g a n m g 型电极 a 1 n g a n s i 2 5 n m 的g a n 缓冲层 圈1 3 阿质结g a n 基l e d 尝至奎茎至圭兰堡耋耋 1 2 4 双异质结l e d 由于半导体材料h g a n 的禁带宽度是随着i n 分子比例的改变而在 1 9 5 3 4 e v 之间变动 因此成为l e d 有源层的极佳材料 随着高质量i n g a n 膜的生长成功 使得双异质结技术得以实现 该技术有助于限制裁流子 实现 向有源层单侧注入的技术 因此 1 9 9 2 年n a k m u r a 等人研制出第一只 p g a n n l n g a n n g a b 的双异质结蓝色l e d 其输出光峰值波长为4 4 0 r a n 输 入电流为2 0 m a 时 输出功率为1 2 5pw 但由于p g a n 晶体质量较差而导致 其工作电压较高 外量子效率约为0 2 2 9 1 9 9 3 年n a k a m t t r a 等人又研制出了高亮度i n g a n a i g a n 双异质结蓝光 l e d 其结构如图1 4 所示 该l e d 结构中第一次采用了z n 掺杂的l n g a n 作 为有源层 当输入电流为2 0 m a 时 输出功率为1 5 m w 比前者有了明显的提 高 同时其工作电压为3 5 v 比前者低了很多 发光峰值波长为4 5 0 r i m 光谱 半峰宽为7 0 m n 外量子效率高达2 7 1 0 i 1 1 d 型电极 n i a u 1 5 0 r a n 的 p a i g a n m g 一5 0 0 n m 的p o a n m g 1 5 0 r i i i l 的 卜 j l 一5 0 n m 的z n 掺杂i n g a n a i o a ns i i n 型电极 t i a i 4 的7z 7 些s i 一3 0 a m 的g a n r i 耳罩罩霹可 缓冲层 攘宝石村底 1 2 5 量子阱l e d 图1 一 烈异质结g a n 基蓝光l e d 结构 量子阱l e d 分为单量子阱 s q w 和多量了阱 m q w l e d h1 5 为单量了 阱蓝光i n g a n 的l e d 其有源层l n g a n 非常薄 这使得光谱二仁峰宽非常窄 更适合做全色显示器件 当输入电流为2 0 m a 时 输出功率达到48 r o w 而工 山东大学硕士学位论文 作电压只有3i v l e d 的发光峰值波长为4 5 0 n m 1 2 1 图1 6 为多量子阱蓝光l e d 的结构 其中有源区是由多量子阱组成 包括 5 层25 n m 厚的i n o2 5 g a o 7 5 n 和4 n m 厚的g a i n 当输入电流为2 0 m a 时 输出 功率为2 2 r o w l e d 的发光波睦为4 4 5 n m 光谱半峰宽为2 8 m a 外量子效率 约为45 1 3 1 0 0 n m 的 p j o 娲 州 m 5 0 r t m 的 7 n l n o m g a 0 9 羽 s i 透明电极 多量子阱 图l 石 多量子阱蓝光l e d 结构 1 3l e d 的应用与发展前景 l e d 拥有广阔的应用领域和良好的市场前景 近年来随着高亮度l e d 的 商品化 l e d 的应用领域已经从室内延伸到了室外 也从单色显示发展为彩色 显示 并逐步在全色动态信息显示 固态照明光源 信号灯和照明等领域获得 广泛的应用 山东大学硕士学位论文 1 g a n 基蓝光l e d 使得动态显示板实现了全色显示 全色动态显示平板 被广泛的应用于车站 机场 广场 体育馆 工商业等行业的大型和超大型全 色显示屏 作为信息和广告的宣传途径 而g a n 基蓝光l e d 是实现全色显示 平板的关键器件 并且也是全色显示器件中价格最贵的器件 目前仅国内广告 业 车站 机场所需的大型全色显示屏的年成交额就达到了数亿元 而且该市 场仍然以每年数倍的增长速度迅速发展 3 2 l e d 逐步取代传统的信号指示灯及汽车车灯 传统的公路 铁路的交 通信号灯 标志灯 警示灯和各类车辆的车灯采用白炽灯加滤光片的方法实现 各色显示的需要 因此对光能的利用很低 最高只有5 0 由于l e d 的寿命长 响应速度快 抗震 而且低耗节能 随着成本性能比的下降以及发光效率的提 升 l e d 必将替代传统的信号指示灯 目前国内的交通信号灯已经大部分改用 了各色l e d 但车辆的照明及指示灯还没有太多使用l e d 但在不久的将来 l e d 必将占据整个汽车车灯市场 目前日本采用高亮度红黄蓝l e d 作为交通 灯 其耗电量仅为传统信号灯的1 2 1 4 3 l e d 作为固态半导体光源可应用于城市景观照明 室内照明等领域 随着第三代半导体材料氮化镓的突破和蓝 绿 白光l e d 的问世 半导体技术 又引发了一场照明领域内的产业革命 利用高亮度红 绿 蓝l e d 的组合 可 以发射出波长连续可调的各种色光 构成全色光源 半导体l e d 正在逐步替代 白炽灯和荧光灯 成为新一代照明光源 世界三大照明工业公司g e p h i l i p s o s r a m 均成立了半导体照明企业 以争夺半导体照明新型产业的制高点 1 5 1 近年来l e d 产业不断涌现出新技术 新产品 新应用领域 由于其自身的 优良特性 l e d 产业表现出了诱人的应用前景和巨大的市场潜力 在本世纪一 段相当长的时间内 l e d 产业将会按以下几个方向持续迅速发展 1 半导体照明及l e d 企业会在超高亮度 全色技术方面增大投资 提高 产量 该方面的从业人员也会相应的增加 我国也将成为世界l e d 的主要产地 2 由于许多色别的l e d 的光强已经达到了烛光级水平 将在一些领域取 代白炽灯 随着l e d 结构的进一步改进 量子效率的进一步提高 今后l e d 势必会成为2 1 世纪的主流照明光源 3 世界光电子产业的发展推动l e d 应用领域的扩展 随着光电子产业的 山东大学硕士学位论文 发展 会有更多的企业将更多的精力和资金投入到l e d 的研究和生产中 现有 超高亮度l e d 的技术为少数企业垄断的局面也会因此被打破 l e d 的成本也 会大幅下降 从而促进l e d 市场的再拓展 l e d 技术的再开发 应用领域势 必也会得到扩展到更大的范围 例如最近l e d 已经引入到手机等数码产品的背 光照明 显微镜视场照明灯等新兴领域内 但目前g a n 基l e d 仍然面临着很多的难题 在这些问题之中 如何提高 l e d 的发光效率成为最亟需解决的问题 而其中的关键技术就是光提取效率的 提高 将有源区的光尽可能多地提取出来是提高起发光效率的有效途径 其次 就是g a n 材料的外延技术 包括生长温度 厚度 时间 气流流量等的控制 另外还有欧姆接触 刻蚀技术 退火等工艺技术方面的研究 1 6 1 4 论文的主要工作与安排 目前由于l e d 尤其是蓝光l e d 的内量子效率已经达到了相当高的程度 因此提高其量子效率主要是提高光提取效率 针对该问题 本文提出设计了结 合优化参数的光子晶体和复合布拉格反射层的l e d 结构 并采用f d t d 和 r c w a 两种算法进行仿真与分析 通过单布拉格反射层与复合布拉格反射层的 仿真结果可以看出 单布拉格反射层只能对某一部分的光具有良好的反射效果 因此可以采用包含两种参数光栅的复合布拉格反射层构成对各种入射角的光都 具有理想反射效果的全向反射镜 将其设置在l e d 的有源层和衬底之间 可将 有源层发射出的各种角度底向光反射回上表面 从而减小了有源层以下包括衬 底 电极等材料的光损耗 进一步提高光子晶体l e d 的光提取效率 光子晶体 设计在p g a n 层 通过光子禁带和衍射作用破坏l e d 内的导模 减小l e d 材 料和外围介质的全反射效果 最大化地提取l e d 内部光 结果表明 该l e d 结构通过复合布拉格反射层解决了衬底等材料吸收损耗光的问题 采用光子晶 体提取波导模 从而有效地提高了其光提取效率 且结构中的光子晶体相对容 易制作实现 全文共分为六章 第一章为绪论 概述了l e d 及g a n 基l e d 的发展历程 分析了其应用与发展前景 第二章从半导体和能带理论的角度讨论了l e d 的发 光原理 介绍了l e d 特性参数 并详细分析了普通l e d 光提取效率低的原因 1 2 山东大学硕士学位论文 第三章介绍光子晶体的概念及特性 并讨论了光子晶体的理论研究和部分计算 方法 分析了周期性结构如何从波导中提取导模光 第四章研究了在结构仿真 设计过程中采用的两种数值计算方法 时域有限差分算法和衍射模理论中采用 的严格耦合波分析法 为结构的仿真设计奠定理论基础 第五章首先综述了解 决l e d 低光提取效率问题的技术与方案 然后采用第四章中的数值计算方法设 计仿真合适参数的光子晶体和复合布拉格反射层 以提高g a n 基蓝光l e d 的 光提取效率 最后并对结果进行了讨论与分析 第六章是总结 总结了本文的 工作并展望了下一步的工作方向 1 3 山东大学硕士学位论文 第二章l e d 发光原理及其特性 2 1 半导体与能带理论 2 1 1 能带理论 由现代物理学可知 原子中电子的能量是量子化的 而原子中的电子只能 占据其中的某些能级 半导体原子的最外层电子称为价电子 它们的能量比内 层电子高 图2 1 为硅晶体的简化二维视图 每个硅原子最外层有4 个价电子 它们与相邻原子组成共价键后形成原子最外层的稳定结构 由于硅原子与价电 子的相互作用形成了两种能带 即能量较高的导带和较低的价带 而价带与导 带之间的区域称为禁带 也叫做带隙 电子的能量既可以落入价带 也可以落 入导带 但不允许落入带隙中 当温度为热力学绝对零度时 所有的键都被价 电子占据 价带能级被价电子所填充 而具有较高能量的导带则是空的 价带 的顶部能量记为e v 导带的底部能量记为e c 所以带隙能量为e g e c e v 共价键 i 一嗲子擎 4 氟 赣 鬟 疆 藏 嗲 参 簟 1 j n 蕉 f 4 器蛰 叫 亡 电子能量 0k 时没有电子填 充的导带 c b 带隙 e g 0 k 时充满电子 的价带 v b 图2 1 硅晶体的简化二维视图 由于导带中存在着大量的空能级 所以导带中的电子在晶体中既可以自由 运动 也可以在外加电场的作用下作定向运动形成电流 而将处于价带中的电 子激发到导带上去需要的最小能量是带隙能量e g 图2 2 所示为当能量h v e g 的入射光子与价带电子相互作用的情况 价带中的电子吸收了入射光子后获得 了足够的能量越过带隙到达导带 结果在导带中产生一个电子 在价带中产生 一个空穴 被激发到导带的自由电子可以在晶体中运动 当电场加到晶体上时 1 4 山东大学硕士学位论文 自由电子就沿着电场方向形成定向电流 从而对晶体的电导做出贡献 而在价 带中 因为相邻键中电子 跳入 被激发到导带的电子留下的空穴得以填充 而在自己的原位置上又产生一个新的空穴 因此空穴也可以像自由电子一样在 晶体中运动 这样半导体中的导电性既可以以电子的形式出现 也可以以空穴 的形式出现 1 8 电子镌萤e h v 矽 b 图2 2 能量h v e g 的入射光子激发价带电子的跃迁 当导带中的电子在运动过程中遇到价带中的空穴时 它就要占据这个空的 低能电子态 电子就从导带落入到价带去填充这个空穴 这个过程叫做复合 在一些半导体中 电子从导带能量下降到价带能量 多余的能量就作为光子发 射出来 称为辐射复合 如图2 3 所示 这也是l e d 发光的基本原理 而在另 外一些半导体中 多余的能量就转化为晶格的振动 热 而失去 称为非辐射 复合 1 9 2 0 e k 图 一 e k q 八芦 i 粤移i c b 卜 e g 众麓 v b j k e c e v 能带图 图2 3 半导体中的辐射复合过程 1 5 山东大学硕士学位论文 2 1 2 半导体与杂质半导体 结构完整 纯净无掺杂的半导体称为本征半导体 在本征半导体中 自由 电子和空穴都是由于共价键破裂而产生的 电子浓度等于空穴浓度 并称之为 本征载流子浓度 在半导体中人为地掺入少量杂质可形成掺杂半导体 半导体 中虽然只有少量杂质 却可以明显地改变导带中的电子和价带中的空穴数目 从而显著地影响半导体的电导率 1 n 型半导体 在四价原子晶体中掺入五价原子 晶格中某个四价原子被五价原子代替 五价原子用四个价电子与四价原子形成共价键 而多余一个电子 因此半导体 中的电子浓度比空穴浓度大 称之为n 型半导体 多余的电子受原子束缚力要 比共价键上电子所受束缚力小的多 容易被五价原子释放 游离跃迁到导带上 形成自由电子 2p 型半导体 在四价原子晶体中掺入三价原子 晶体中某个四价原子被三价原子代替 三价原子的三个电子与周围的四价原子中的四个电子组成共价键 形成八个电 子的稳定结构 但缺少一个电子 于是晶体的价带中出现一个空穴 这样半导 体中的空穴的浓度就大于电子的浓度 称之为p 型半导体 图2 4 所示为本征半导体 n 型半导体 p 型半导体的能带图 对于本征半 导体费米能级e f 处于带隙中心 仅少量电子占据导带底部 同样数量的空穴占 据价带顶部 对于n 型半导体 其导电特性取决子导带电子 电子为多数载流 子 费米能级上升 对于p 型半导体 其导电特性取决于价带中的空穴 空穴 为多数载流子 且费米能级下降 1 9 2 0 1 1 6 山东大学硕士学位论文 黪j 77 4 穆 蓦 量 e c 氍 鬯 图2 4 各种半导体的能带图 a 本征半导体 b n 型半导体 c p 型半导体 2 2p n 结理论 p n 结在半导体器件中占有极其重要的地位 它是晶体管 二极管 集成电 路和其他结型光电器件最基本的结构元件 图2 5 示意了p n 结的形成和p n 结形成后的能带图 图2 5 a 为两类半导 体结合之前的情况 n 型半导体的价键上填满了价电子 但尚有多余的电子 而p 型半导体的价键上有多余的空穴 热平衡下 n 型或p 型半导体内部多余 的电子或空穴都是均匀分布的 因此半导体内部仍然呈现电中性 两类半导体 结合在一起形成p n 结后 由于两边载流子浓度的差别 多数载流子将扩散通 过结区 电子从n 区扩散到p 区并填充p 区中的空穴 在n 区留下带正电的电 离施主 形成正电荷区 而空穴从p 区扩散到n 区 在p 区留下带负电的电离 受主 形成负电荷区 如图2 5 b 所示 结果在结区形成了由n 区指向p 区的 电场 成为内建电场 它形成的势垒阻止电子空穴的进一步扩散 同时 在内 建电场的作用下产生了与载流子扩散作用相反的漂移运动 它使n 区的少数载 流子 空穴 沿电场方向向p 区漂移 而p 区中的电子向n 区漂移 扩散和漂 移形成反向的电流 当两电流大小相等时达到平衡状态 此时 交界面附近一 段区域内载流子因复合而 耗尽 因此该区域称为耗尽区 1 8 1 7 图圈 型半导嚆e 自 v 0 9 型半导体 隧啊 毒z l 丽 图2 5 p n 结的形成及其能带 当p n 结反向偏置 即n 区接正电位 p 区接负电位时 外加电压主要降 落在耗尽区 耗尽区的宽度向p 区及n 区分别扩展而加宽 从而提高了势垒高 度 阻止多数载流子穿过结区 但少数载流子 n 型材料中的空穴 p 型材料 中的电子 仍可在电场的作用下穿过结区 在正常温度和工作电压下 这种少 数载流子的流动非常少 但如果产生了额外的载流亍 如光电二极管在接收光 信号时 这种少数载流子的流动就会大大增加 反向偏置的能带如图2 6 a 所 示 若反向电压v o v r 由于偏置电压降落在耗尽区 加上内建电场v o p n 结的势垒变为e c c o v r 电子离开n 区向电极正端运动 但不能从p 区得以补 充 因此几乎没有反向电流 当p n 结正向偏置 即n 区接负电位 p 区接正电位时 耗尽区的宽度和 势垒高度都要下降 外加正向电压破坏了原来的热平衡状态 使扩散作用增强 p 区和n 区费米能级分离 同时 正向偏置下有更多的n 区电子和p 区空穴扩 散穿过p n 结而进入相对区域 大大增加了少数载流子的浓度 通过正向偏置 注入的额外少数载流子 将与带有相反电荷的多数载流子复合 这种复合包括 辐射复合和非辐射复合 非辐射复合释放的能量消耗在晶格振动上 而辐射复 合则产生光子 p n 结在正向偏置下由电子注入产生光自发发射的现象称为电致 发光 光发射主要位于p n 结附近的势垒区内载流子发生复合的地力 但由于 少数载流子的扩散长度常常远大于势垒宽度 在势垒区外也会发生复合发光 1 8 2 1 2 2 省变銮兰罂老耋竺耋兰 坠雾 锣 图2 6 外加偏置电压的p n 结 丑 反向偏置电压 彻正向偏置电压 2 3l e d 发光原理 l e d 是一种注入式电致发光嚣件 它由p 型和n 型半导体组合而成 是少 数载流子在p n 结区的注入与复合而发光的一种半导体光源 l e d 是由直接带隙半导体材料制成的p n 结二极管 p n 结半导体内电子空 穴对的辐射复合产生光子发射 因此发出的光子能量近似等于带隙能量 h w e g 图2 7 a 所示为n 区中重掺杂 无偏置情况下的p n 结的能带图 在平 衡时整个器件中费米能级是均匀的 器件中耗尽区的p 区和n 区之间存在由内 建电场造成的势垒a e c e v o n 区中较高的电子浓度促进导电电子从n 区向p 区扩散 但扩散运动受到电子势垒e v o 的阻碍 因为耗尽区是器件的最大电阻部分 所咀一旦加上正向偏置电压v 大部 分降落在耗尽区上 从而内建电势就降到v 0 v 因此允许n 区的电子扩散或沣 入到p 区 如图