光电子-第2章半导体光电子基础

1,第2章 半导体光电子基础,讲授：郎贤礼单位：仪器科学与光电工程学院(HFUT),2017/12/28,2,本章内容,半导体光电子学黄德修机械工业出版社,半导体光电子学黄德修机械工业出版社,半导体光电子学黄德修机械工业出版社,2017/12/28,3,2.1固体物理基础,参考书：固体物理学（上），方俊鑫 陆栋编， 上海科学技术出版社；固体物理学，黄昆，韩汝崎编，高等教育出社固体物理教程，王矜奉，山东大学出版社,2017/12/28,4,固体物理知识晶体结构晶格(lattice)原胞（Primitive cell）晶胞（cell）,2.1固体物理基础,晶态：原子周期排列、长程有序(微米量级) 非晶态：原子排列短程有序、长程无序准晶态：原子位置有序、但无周期性,原胞：体积最小的重复单元 a1, a2, a3晶胞：结晶学上所取的重复单元a, b, c,2017/12/28,5,2.1.1空间点阵,空间点阵（布拉菲格子） 基元组成晶体的最小结构单元。 把基元抽象成为一点，则晶体抽象成为空间点阵。 晶体结构基元空间点阵,2017/12/28,6,布拉菲格子：把空间点阵用三组不共面的 平行线连起来，形成的空间网格。 此时，又把阵点称为格点。布拉菲格子（B格子）空间点阵,2017/12/28,7,说 明基元中A、B可以是不同的原子，或相同的原子，但周围“ 环境”不同。每个基元用一个格点来表示。此格点选在基元的什么地方、代表几个原子并未限制。3.每个基元内所含的原子数晶体中原子的种类数。4.布拉菲格子（B格子）的基本特征：各格点的情况（基元内涵和周围“ 环境”）完全相同。5.晶体结构的一种描述：带基元的B格子。 另一种描述： 单式格子：晶体由一种原子组成。一个基元仅有一个原子，即一个原子由一个格点表示。,2017/12/28,8,元胞和基矢 元胞：B格子中的最小重复区域。 每个初级元胞只包含一个格点。 基矢：在B格子中任取一个格点为原点， 元胞的三个棱边为三个矢量a1、 a2、a3 ,其模分别为该方向的最小周期长度，这三个矢量a1、a2、a3称为基矢基矢选定之后，B格子中的任一格点的位矢 Rn= n1a1+ n2a2+ n3a3 Rn称为格矢，是B格子的数学表示,2017/12/28,9,说明：1.基矢的选法并不唯一确定，（初基元胞内仅含一个格点）。,2017/12/28,10,晶胞（惯用原胞）：体积是初基元胞的几倍，能明显地反映晶格的周期性，又能明显地反映晶格的对称性。,2017/12/28,11,2.1.2几种常见结构,结晶学中属于立方晶系的原胞，简立方sc，体心立方bcc和面心bcc立方三中,2017/12/28,12,半导体的晶格结构,1,2,3,4,简立方对应1个格点,面心立方对应4个格点,体心立方对应2个格点,金刚石结构对应8个格点,晶胞分类,常见晶胞,2017/12/28,13,几种常见的实际晶体结构,1.CsCl结构,问：CsCl晶体是什么结构呢？, 简立方,2017/12/28,14,几种常见的实际晶体结构,1.NaCl结构,问：NaCl晶体是什么结构呢？, 面心立方,2017/12/28,15,金刚石结构,金刚石结构 Si Ge每个原子周围有四个最邻近的原子，这四个原子处于正四面体的顶角上，任一顶角上的原子和中心原子各贡献一个价电子为该两个原子所共有，并形成稳定的共价键结构。金刚石结构结晶学原胞两个面心立方沿立方体空间对角线互相位移了四分之一的空间对角线长度套构而成。金刚石结构固体物理学原胞中心有原子的正四面体结构（相同双原子复式晶格）,2017/12/28,16,几种常见的实际晶体结构,1.金刚石结构,问：金刚石晶体是什么结构呢？, 面心立方,2017/12/28,17,说明：1.两个fcc子格子沿对角线相对位移1/4体对角线长度套构而成。所以其B格子是面心立方结构fcc，即金刚石结构为fcc 2.原胞胞包含格点数? 基元内原子数 ? （同种元素?） 晶胞包含原子数?,4,2x4=8,2,2017/12/28,18,闪锌矿结构,闪锌矿结构 GaAs由元素周期表中的族元素铝、镓、铟和族元素磷、砷、镓合成的化合物，都是半导体材料，绝大多数具有闪锌矿结构，与金刚石结构类似。闪锌矿结构结晶学原胞两个面心立方沿立方体空间对角线互相位移了四分之一的空间对角线长度套构而成。闪锌矿结构固体物理学原胞中心有原子的正四面体结构（双原子复式晶格）与金刚石结构的区别:共价键具有一定的极性（两类原子的电负性不同），因此晶体不同晶面的性质不同。不同双原子复式晶格。,2017/12/28,19,闪锌矿结构,闪锌矿结构 GaAs由元素周期表中的族元素铝、镓、铟和族元素磷、砷、镓合成的化合物，都是半导体材料，绝大多数具有闪锌矿结构，与金刚石结构类似。闪锌矿结构结晶学原胞两个面心立方沿立方体空间对角线互相位移了四分之一的空间对角线长度套构而成。闪锌矿结构固体物理学原胞中心有原子的正四面体结构（双原子复式晶格）与金刚石结构的区别:共价键具有一定的极性（两类原子的电负性不同），因此晶体不同晶面的性质不同。不同双原子复式晶格。,2017/12/28,20,闪锌矿晶体结构图,闪锌矿晶体结构,2017/12/28,21,说明：1.套构形式与金刚石结构相同，区别是基元内含2个原子为不同的元素。其结构为fcc 2.惯用原胞包含格点数? 基元内原子数 ? （同种元素?） 晶胞包含原子数?,2017/12/28,22,2.1.3晶列 晶面指数,晶列 晶面指数晶列：通过任意两格点作一直线，这一直线称之为晶列。设a, 为原胞基矢，取某格点O作为原点，则任意一点R的位置表为：若 ，其中 为互质整数。则称lil为晶列指数，记为 。,2017/12/28,23,2017/12/28,24,晶面指数（密勒指数）,B格子的格点还可看成是分列在一系列平行、等距的平面系上，这些平面系称为晶面系（晶面族）。 一个无穷大的B格子，可有无穷多方向不同的晶面系。 晶面表示方法：（1）找出晶面系中任一晶面在轴矢上的 截距；,2017/12/28,25,（2）截距取倒数；（3）化为互质整数，表示为（h,k,l）。 （h,k,l）可表示一个晶面系，也可表示某一个晶面。注意：化互质整数时，所乘的因子的正、负并未限制，故100和100应视为同一晶向。 例1：在立方晶系中，100代表 100,010,001三个等效晶向。,2017/12/28,26,2017/12/28,27,2017/12/28,28,2017/12/28,29,2.1.4倒格空间,倒格矢,2017/12/28,30,倒格矢,2017/12/28,31,你好,2017/12/28,32,倒格矢的性质（1）ABC是晶面族中离原点最近的面,2017/12/28,33,倒格矢的性质 (2),2017/12/28,34,波矢空间与倒格空间处于统一空间, 倒格空间的基矢分别为 b1,b2,b3, 而波矢空间的基矢分别为b1/N1,b2/N,b3/N3 N1、N2、N3分别是沿正格子基矢a1,a2,a3 方向晶体的原胞数目. 倒格空间中一个倒格点对应的体积为 ,波矢空间中一个波矢点对应的体积为 ,2017/12/28,35,即波矢空间中一个波矢点对应的体积,是倒格空间中一个倒格点对应的体积的1/N. 由于N是晶体的原胞数目, 数目巨大, 所以一个波矢点对应的体积与一个倒格点对应的体积相比是极其微小的. 也就是说, 波矢点在倒格空间看是极其稠密的. 因此, 在波矢空间内作求和处理时, 可把波矢空间内的状态点看成是准连续的.,2017/12/28,36,问题:为何引入k空间,k空间的一个点是一个波矢值，而一个波矢描述了一个电子的能态。对比经典力学中描述一个粒子需要知道动量和位置，在量子系统中就必须知道粒子的量子能级状态及波函数，而在周期性势场中的电子确定其能级的好量子数就是波矢，其地位等同于原子核外电子状态的量子数(n,l,ml,ms)。在外场作用下，电子状态将发生变化，意味着其对应的波矢值发生变化，因此讨论分布函数f(x,k)受外场作用而满足的微分方程是研究输运过程的基本方法。,2017/12/28,37,2.2半导体的电子状态和能带结构,本节关键词Key words:单电子近似 布洛赫定理 布里渊区简约布里渊区 能带 价带 导带 有效质量电子的共有化运动载流子 电子 空穴,2017/12/28,38,2.2半导体的电子状态和能带结构,一.半导体中电子的状态1.自由电子的能量物质的波粒二象性 Wave-particle duality applies primary to small particles, such as electron, neutron, photon Waves behaves as if they are particles and sometimes particles behaves as if they are wavesDe Broglie relationship,2017/12/28,39,2.2半导体的电子状态和能带结构,For a free electron,energy E can be given by自由电子波函数,m0: effective massP: momentum,2017/12/28,40,Hydrogen Atomic Model,Bohrs Model,2017/12/28,41,2.2半导体的电子状态和能带结构,2.单电子近似 a)在绝热条件下，核的正电作用等效为一个周期的势场。b)其余的电子作用看作一个周期性的场。实际可以看作由上述两个场形成的复合场的V(x),只要求出V(x)就可以利用薛定谔方程求出电子的状态。,2017/12/28,42,布洛赫定理,V(x)是一个周期性的与材料有关的势场V(x)= V(x+a)布洛赫证明了上述薛定谔方程有如下形式的解,2017/12/28,43,通过比较可知晶体中电子的波函数与自由电子的波函数形式相似，不同的是这个波的振幅随x作周期性变化。,2017/12/28,44,Energy (E) vs. Wavevector(k),Free Electron:,In crystal, free-electron E-k is no longer valid, discontinuity at k=n/a emerges. Creating energy gap,2017/12/28,45,布里渊区和能带,通过求解方程我们知道不同的k对应不同的能量E(k)在 出现禁带其中 第一布里渊区 第二布里渊区每个布里渊区对应一个能带。,2017/12/28,46,布里渊区Brillouin zone 固体的能带理论中，各种电子态按照它们波矢的分类。在波矢空间中取某一倒易阵点为原点，作所有倒易点阵矢量的垂直平分面，这些面波矢空间划分为一系列的区 域：其中最靠近原点的一组面所围的闭合区称为第一布里渊区，又叫简约布里渊区；在第一布里渊区之外，由于一组平面所包围的波矢区叫第二布里渊区；依次类推可得第三、四、等 布里渊区。,2017/12/28,47,各布里渊区体积相等，都等于倒易点阵的元胞体积。周期结构中的一切波在布里渊区界面上产生布喇格反射,对于电子德布罗意波,这一反射可能使电子 能量在布里渊区界面上（即倒易点阵矢量的中垂面）产生不连续变化。根据这一特点,1930年L.-N.布里渊首先提出用倒易点阵矢量的中垂面来划分波矢空 间的区域，从此被称为布里渊区。,2017/12/28,48,第一布里渊区就是倒易点阵的维格纳赛茨元胞，如果对每一倒易点阵作此元胞，它们会毫无缝隙的填满整个波矢空间。由于完整晶体中运动的电子、声子、磁振 子、等元激发（见固体中的元激发）的能量和状态都是倒易点阵的周期函数，因此只需要用第一布里渊区中的波矢来描述能带电子、点阵振动和自旋波的状 态，并确定它们的能量（频率）和波矢关系。限于第一布里渊区的波矢称为简约波矢，而第一布里渊区又叫简约区，在文献中不加定语的布里渊区指的往往就是它。,2017/12/28,49,威格纳赛兹元胞（WS元胞）,定义： 任选一倒格点为原点，从原点向它的第一、第二、第三近邻倒格点画出倒格矢，并作这些倒格矢的中垂面，这些中垂面绕原点所围成的多面体称第一B.Z，它即为倒空间的WS元胞，其“体积”为b1(b2b3),2017/12/28,50,优点：（1）WS元胞本身保持了B格子的对称性；（2）该取法今后要用到。缺点：（1）WS元胞的体积等计算不方便；（2）平移对称性反而不直观。,2017/12/28,51,布里渊区,作法： （1）任选一格点为原点； （2）将原点与各级近邻的格点连线，得到几组格矢； （3）作这几组格矢的中垂面，这些中垂面绕原点围成的最小区域称WS元胞。,2017/12/28,52,3.晶体中电子的共有化运动半导体是由大量的原子周期性点阵排列起来的晶体，原子相互接近形成晶体时，原子外的电子云发生交叠。相邻原子的最外层交叠最多，电子云的交叠使电子不再局限于某一个原子，而是通过“等能跃迁”转移到相邻原子的相同轨道上去，因此可以在整个晶体中运动，这种运动称为共有化运动。此时电子已不再局限于一个原子而成为整个晶体所共有。,2017/12/28,53,由于共有化运动原来单个原子中每个能级分裂成N个与原来能级很相邻的新能级，准连续，称之为能带。不同能带间可以有一定的间隔，这个间隔内电子处于不稳定的状态，开成一个禁区称为禁带。,2017/12/28,54,2017/12/28,55,Energy Band,2017/12/28,56,Energy Band,Schematic showing the splitting of three energy states into allowed bands of energies,2017/12/28,57,4.半导体中电子的运动 有效质量在半导体中只关心价电子或者说是导带和价带中电子的行为。,2017/12/28,58,半导体中电子的运动速度自由电子速度半导体中电子加速度半导体中电子加速度,2017/12/28,59,半导体是导电机构 载流子本征半导体：没有杂质和缺陷的半导体载流子我们将运载电荷的粒子称为载流子，半导体中载流子为自由电子和空穴空穴 价带顶部一些电子被激发到导带后，价带中留下一些空的状态称为空穴。,2017/12/28,60,载流子的“产生”和“复合”本征激发时产生电子空穴对的过程称为产生；部分自由电子也可能回到空穴中去，我们把自由电子回到空穴中去的过程称为复合，,图 载流子的“产生”和“复合”的过程,2017/12/28,61,P型半导体如果在四价的硅晶体中掺入三价原子硼（B），因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一空穴，相邻原子的价电子移过来填补则在相邻原子处又产生一空穴，相当于空穴移动。 图9 P型半导体的结构示意图,2017/12/28,62,由于束缚能依然很小，大约0.05eV，所以室温下晶格热振动也可以使得空穴离开硼离子自由移动。空穴的产生关系到硼原子接受邻近的硅硅共价键（来自价带）。硼B原子被掺入硅晶体中后成为接受电子的杂质。,2017/12/28,63,P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；电子是少数载流子，由本征激发形成。半导体中载流子浓度大大增加，导电能力显著增强。杂质原子的空位很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。负离子不能自由移动。,2017/12/28,64,N型半导体）图8 N型半导体的结构示意图在四价的锗（Ge）和硅（Si）组成的晶体中掺入五价的砷（As）或磷（P），则晶格中的某个硅原子就会被砷原子所替代，五价的砷用四个价电子和周围的硅原子形成共价键，尚有一个电子多余。这个电子受到的束缚力比共价键上的电子受到的束缚力小的多，很容易被磷原子释放，跃迁称为自由电子.我们将这类半导体材料称为N型半导体, N型半导体的结构如图8所示。,图8 N型半导体的结构示意图,2017/12/28,65,5.PN结及其特性 P型半导体中，多数载流子是空穴，少数载流子是电子，带正电的空穴与等量带负电的电子受主离子使P型半导体呈现电中性。N型半导体中。多数载流子是电子，少数载流子是空穴，带负电的电子和等量带正电的施主离子使N型半导体呈现电中性。图11 PN结空间电荷区的形成当P型，N型半导体合在一起形成PN结时，载流子的浓度差引起扩散运动。P区的空穴向N区扩散，剩下带负电的受主离子；N区的电子向P区扩散，剩下带正电的施主离子。从而在靠近PN结界面的区域形成一个空间电荷区,2017/12/28,66,图11 PN结空间电荷区的形成,2017/12/28,67,空间电荷区里载流子很少，是高阻区，电场的方向由N区指向P区，称为自建电场。在自建电场的作用下，载流子将产生漂移运动，漂移运动的方向与扩散运动的方向相反。漂移运动与扩散运动将会达到动态平衡状态，即在不加外电压时，PN结宏观上没有电流流过。,2017/12/28,68,PN结的单向导电性PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从P区流到N区，PN结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。如果外加电压使：PN结P区的电位高于N区的电位称为正向接法，此时PN结处于正向偏置状态；PN结P区的电位低于N区的电位称为反向接法，此时PN结处于反向偏置状态。,2017/12/28,69,图12 PN结加正向电压时的导电情况,1）PN结加正向电压时的导电情况PN结加正向电压时的导电情况如图12所示。外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场,空间电荷区变窄。于是，内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。,图12 PN结加正向电压时的导电情况,2017/12/28,70,PN结加反向电压时的导电情况外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场，空间电荷区变宽。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，PN结呈现高阻性。,PN结加反向电压时的导电情况如图13所示,2017/12/28,71,6.费米能级与载流子的统计分布1）费米分布函数费米狄拉克函数是在能量为E的量子态上找到电子的几率。它是热平衡态时电子遵从的一个基本定律。由以下公式给出： （1）其中 是波尔兹曼常数，T是热力学温度， 是费米能级。是一个描述电子在各能级中分布的参量，并不是一个可以被电子占据的能级。,2017/12/28,72,具有能量的量纲，称为费米能级（它并不是一个电子本征态的能量值，而是一个虚拟的能级）注：a.而是一个虚拟的能级,用来表示电子填充能级的水平。b.处于热平衡的系统只有一个费米能级,2017/12/28,73,当 时，如果E= ，则有；若E ，则有，若E ，则有，可见， 的意义是电子占据率为0.5的能级。一般认为，温度不很高时，能量大于费米能的量子态基本上没有被电子所占据。而能量小于费米能的量子态基本上被电子所占据。所以费米能极比较直观的反映了电子占据量子态的情况，即费米能级标志电子填充能级的水平。,2017/12/28,74,例：半导体材料掺杂后，费米能级变化,2017/12/28,75,2.3半导体光电子的相互作用,一.半导体中量子跃迁的特点1.受激吸收：光子与半导体相互作用，并把能量传递给价带中的电子，使之跃 迁到导带，使半导体中产生电子空穴对。是光电探测器的原理。2.自发辐射：热平衡条件下，导带中的电子以一定的几率与空穴复合并以光子的形式放出复合产生的能量，这一过程称之为自发辐射，是发光二极管Led的工作原理。受激发射：在上述2的过程中，电子和空穴不是自发的而是以适当的能量的光子的激励下进行的，复合产生光子与激发该过程的光子有完全相同的特性(频率，位相，偏振),2017/12/28,76,三者的关系：受激发射与受激吸收互逆，自发发射与受激发射的区别是有无光子参与。,2017/12/28,77,二.直接带隙与间接带隙跃迁半导体中能带中电子能量E与波矢k的之间有非常复杂的关系，表现出复杂的能带结构，并因材料而异。直接带隙direct bandgap：特点：仅有电子，空穴，光子作用属于一级微扰。间接带隙indirect bandgap特点：除有电子，空穴，光子参与作用，还有声子参与作用，属于二级微扰,2017/12/28,78,图,2017/12/28,79,三.影响光跃迁的因素1.跃迁几率B12,2.E1被电子占据的几率f1，3.E2态空着的几率1-f2，能量为E21的光子的能谱密度四.半导体受激发射必要条件由光子引起电子由导带跃迁到价发射相同光子的几率r21大小因吸收光子由价带跃迁到导带发射相同光子的几率r12,受激发射超过吸收，即r21r12是半导体受激发射必要条件,2017/12/28,80,2.4发光二极管LED,发光二极管（LED）的结构也是半导体PN结。对PN结正向注入电流，电子与空穴复合发光，因此，也称为注入式发光二极管，其结构如图1所示。LED与半导体激光器（LD）的根本区别在于：发光二极管没有谐振腔，它的发光基于自发辐射，发出不是相干光；而半导体激光器的发光基于受激辐射，发出的是相干光激光,2017/12/28,81,特点：发光二极管的体积小，结构简单、耗电少、寿命长、造价低，是应用广泛、前景诱人的重要光源。,2017/12/28,82,1.原理发光二极管本质上是用直接带半导体比如GaAs制成的pn结二极管。由电子空穴对（EHP）的复合导致发光。所以发出的光子的能量近似于等于禁带能隙宽度，,2017/12/28,83,1（a）给出了未加偏压的器件， 与p区相比n区重掺杂。由能带图可以看出整个器件内部费米能级处处相等，这时处于没有外加偏压的热平衡态。由构成的器件内部耗尽层主要向p区扩展。位于n区的到p区的之间有势能存在，也就是说，其中V0是自建场电压。载流电子在n区高浓度，使得载流电子从n区向p区扩散。然而这种扩散被自建场的电势阻止。,2017/12/28,84,当在pn结上加正向偏压时，耗尽区是整个器件中阻值最大的部分所以电压主要降在这个区域内。所以自建场的电位下降到，这就使得的电子扩散到p区，这个过程也叫做电子注入如图2（b）所示 。,2017/12/28,85,从p区到的空穴注入量比起电子注入量来说小得多。在耗尽区和中性的p区中注入电子和空穴的复合导致自发光辐射。复合主要发生在耗尽区和p区中电子扩散长度Le之内的体积范围内。这个复合带通常叫做激活区。在这种情况下由于少子注入导致的电子空穴对复合发光的现象叫做注入式电致发光。,2017/12/28,86,由于电子空穴之间复合过程的统计性质，发射出来的光子具有任意方向性，而且是由于自发辐射发光，与受激辐射发光不同。LED的结构必须是使得发出的光子容易出射到器件外部而不被半导体材料吸收。这就意味着p区必须足够薄或者使用后面讲到的异质结结构。,2017/12/28,87,2.器件结构在这种简单的结构里，LED通常由在合适的衬底（如GaAs或GaP）上外延生长注入半导体层组成，如图3（a）所示。,2017/12/28,88,这种平面pn结通过先外延生长n层然后再生长p层来实现。对于pn结器件来说衬底主要起到力学支撑的作用，所以可以选用其它材料。P区在表面，光主要从这里出射所以它做的比较薄（几个微米）以防光出射前被吸收。为了保证绝大多数复合发生在p区，n区要重掺杂（）。发射向n区的光子或者被吸收或者被反射回衬底界面。也可以通过向外延的扩散杂质来形成p区，如图3（b）所示,2017/12/28,89,图3（a）和（b）都给出了平面pn结结构的简单LED结构。然而，因为存在全内反射（TIR）不是所有到达半导体空气界面的光线都可以出射。 入射角大于临界角的光线会被反射，如图4 （a）所示。,2017/12/28,90,比如对于GaAs-空气界面，临界角为16，这意味着很多光线都发生了全内反射。可以将半导体的表面做成圆顶或者做成半球形这样可以减小光入射到表面时候的入射角。如图4（b）所示。主要的障碍是制造圆顶LED时会遇到困难，而且由此会带来高成本。常用的低成本的减少TIR的方法是用具有较高折射率的塑料材料封装半导体pn结。如图4（c）所示许多LED具有如上所述的塑料体结构。,2017/12/28,91,LED材料有很多直接带半导体材料可以很容易的掺杂来制造发光波长在红色和红外区域的pn结LED。重要的一类可产生可见光范围的发光的半导体材料是基于GaAs 和GaP的-三元半导体。通常记作 。在这种化合物里As和P原子是族元素，它们随机地位于GaAs晶体中As的位置。当y0.45，半导体是直接带半导体，电子空穴对的复合直接完成，如图5 （a）所示。复合机率与电子或空穴的浓度成比例。发射波长从630nm的红光（对应y=0.45 ）到870nm（对应y=0的GaAs）,2017/12/28,92,LED材料当y0.45时，是间接带半导体。电子空穴对的复合过程是通过复合中心完成，而且放出的能量更多地转化为晶格振动而不是发光。,2017/12/28,93,有很多重要的可以发射红光和红外光的直接带半导体材料，通常是-族的三元或四元半导体。比如具有1.43eV禁带宽度的GaAs大约发射870nm左右的红外光。对于x0.43的是直接带半导体，随着其中成分的变化可以改变禁带宽度相应的发出波长640-870的光。,2017/12/28,94,是四元-族和金（In、Ga和Al是族元素，P是族元素），它是直接带半导体，随着成分的变化可覆盖可见光波段。当它在到的范围内它可以和GaAs衬底实现晶格匹配，现在的高亮度LED都是基于这种材料。四价半导体可以通过改变成分（x和y）来覆盖波长从870nm到3.5um的范围，这其中就包括光通信用波长1.3 um和1.5um。图6总结了一些特定半导体材料发出的从0.4um到1.7um的典型波长。,2017/12/28,95,图,2017/12/28,96,3.异质结高亮度LED由对同种材料不同掺杂后形成的两种半导体构成的pn结称为同质结。由两种不同禁带宽度的半导体构成的结称为异质结。据由两种不同禁带宽度的材料所构成的结的半导体器件叫做异质结器件。半导体材料的折射率依赖于它的禁带宽度。宽禁带半导体具有较低的折射率。这就意味着用异质结结构制成LED相当于在器件内部形成介质波导将光从复合区引出。,2017/12/28,97,图4（a）所示的同质结LED有两个缺点。P区必须做的很薄才能使得光子在出射前不被吸收。当p区很薄时，一些p区内的注入电子因为扩散到达晶体表面，并通过表面的缺陷复合。这种无辐射复合过程降低了发光效率。另外如果复合发生在比较大的体积范围内，由于电子扩散长度较大，出射光子被重新吸收的几率也会变高。,2017/12/28,98,通常使用双异质结制造高亮度LED。图7给出了一个由两个异质结构成的双异质结器件。这里半导体是禁带宽度为2eV的AlGaAs和禁带宽度为1.4eV的GaAs。如图所示的双异质结有一个由-AlGaAs和p-GaAs构成的异质结。另一个是p-GaAs和p-AlGaAs构成的异质结。P-GaAs区是一个薄层通常只有几个微米厚，而且它是轻掺杂。,2017/12/28,99,异质结高亮度LED由对同种材料不同掺杂后形成的两种半导体构成的pn结称为同质结。由两种不同禁带宽度的半导体构成的结称为异质结。据由两种不同禁带宽度的材料所构成的结的半导体器件叫做异质结器件。半导体材料的折射率依赖于它的禁带宽度。宽禁带半导体具有较低的折射率。这就意味着用异质结结构制成LED相当于在器件内部形成介质波导将光从复合区引出。,2017/12/28,100,由图4（a）所示的同质结LED有两个缺点。a)P区必须做的很薄才能使得光子在出射前不被吸收。当p区很薄时，一些p区内的注入电子因为扩散到达晶体表面，并通过表面的缺陷复合。这种无辐射复合过程降低了发光效率。B)另外如果复合发生在比较大的体积范围内，