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半导体发光器件,半导体材料的基本性质,半导体材料的分类,晶体是由原子或分子在空间按一定规律周期性地重复排列构成的固体物质，具有规则几何外形。,半导体材料的分类,按有无杂质分类：本征半导体和杂质半导体,按元素种类分类：元素半导体和化合物半导体,制造半导体器件所用的材料大多是单晶体。,半导体材料的基本性质,半导体的能带结构,原子能级,能带,允带,禁带,允带,允带,禁带,当N个原子互相靠近结合成晶体后，每个电子都要受到周围原子势场的作用，其结果是每一个原来孤立的能级分裂成彼此相距很近的N个能级，准连续的，可看作一个能带。,制造半导体器件所用的单晶体由靠的很密的原子周期性重复排列而成，相邻原子间距只有零点几个纳米。由于原子间距离很小，原来孤立原子的各个能级将发生不同程度的交叠。,相邻原子距离越近，能带宽度越大。能量越低的态，能带宽度越小。,演示,半导体材料的电子状态,半导体材料的基本性质,Eg6eV,Eg,绝缘体,半导体,价带,导带,导体,固体按其导电性分为：导体、半导体、绝缘体。,valenceband:thehighestbandcontaininge-,conductionband:thebande-inwhichcanconductnetcurrent,价带,导带,满带,半满带,1.电子在核外排列先分布在低能级轨道上,使整个原子系统能量最低；2.Pauli不相容原理：每个原子轨道中最多容纳两个自旋方式相反的电子；3.Hund规则：在能级简并的轨道上，电子尽可能自旋平行地分占不同的轨道。全充满、半充满、全空的状态比较稳定。,电子分布原则：,Ex.Ccrystal:1s22s22p2,碳晶体是导体？,碳晶体是绝缘体！,轨道杂化作用,IV族元素晶体的导电性能,半导体材料的基本性质,价带顶部的电子被激发到导带后，价带中就留下一个空状态，把价带中空着的状态看成是带正电的粒子，称为空穴。空穴不仅有正电荷q，还具有正的有效质量。,半导体中的载流子电子和空穴,价带顶部的电子被激发到导带后，形成了传导电子，传导电子参与导电，电子带有负电荷q，还具有负的有效质量。,半导体中的杂质和缺陷,本征半导体：由单一元素组成的结构完整的半导体晶体。其中自由电子数目n和空穴数目p一一对应，数量相等np。,N型半导体中，自由电子浓度远大于空穴的浓度，即np。P型半导体中，空穴浓度远大于自由电子的浓度，即pn。,实际的半导体晶格结构并不是完整无缺的，而是存在着各种缺陷：点缺陷、线缺陷和面缺陷。,半导体材料的基本性质,杂质半导体：为了控制半导体的性质而人为的掺入杂质的半导体晶体。分为：N型半导体和P型半导体。,N型半导体,在硅或锗的晶体中掺入少量的5价杂质元素，即构成N型半导体(或称电子型半导体)。常用的5价杂质元素有磷、锑、砷等。V族杂质在硅中电离时，能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心，称为施主杂质。,多余的价电子束缚在正电中心P的周围，但这种束缚作用比共价键的弱得多，只要很少的能量就可以使它摆脱束缚，形成导电电子。使价电子摆脱束缚所需要的能量称为施主杂质电离能,半导体材料的基本性质,EC,EV,ED,Eg,EV价带能级EC导带能级ED施主能级Eg带隙宽度,P型半导体,在硅或锗的晶体中掺入少量的3价杂质元素，即构成P型半导体(或称空穴型半导体)。常用的3价杂质元素有硼、铝、镓、铟等。III族杂质在硅中电离时，能够释放空穴而产生导电空穴并形成负电中心，称为受主杂质。,多余的空穴束缚在负电中心Al的周围，但这种束缚作用比共价键的弱得多，只要很少的能量就可以使它摆脱束缚，形成导电空穴。使空穴摆脱束缚所需要的能量称为受主杂质电离能,EV价带能级EC导带能级EA受主能级Eg带隙宽度,半导体材料的基本性质,半导体中载流子的态密度,电子的态密度r(E)定义为：在晶体的单位体积内，能量处于E和E+dE之间的状态数目，可视为能量E的状态数目。,设导带底的能量为EC，价带顶的能量为Ev，则导带和价带的能量的态密度为：,价带电子态密度随能量增大而减小导带电子态密度随能量增大而增大,半导体材料的基本性质,半导体材料的基本性质,电子在允带能级上的分布遵守Fermi-Dirac分布：,f(E)称为费米分布函数，EF为费米能级,电子占据能量为E能级的几率为：,半导体中载流子的统计分布规律费米能级,费米能级EF和温度、半导体材料的导电类型、杂质的含量以及能量零点的选取有关,费米能级标志了电子填充能级的水平,处于热平衡状态的电子系统有统一的费米能级,半导体材料的基本性质,半导体中载流子的统计分布规律,载流子的统计分布规律：,电子：空穴：,热平衡状态下导带中的电子浓度和价带中的空穴浓度分别为：,ni称为本征载流子浓度，是一个只和材料本身性质及热平衡温度有关的量.,温度一定时，两种载流子浓度乘积等于本征浓度的平方。,热平衡统计分布方程,半导体中的平衡载流子温度一定、无外界能量激发,掺杂半导体：,半导体材料的基本性质,半导体中的电中性条件：整块半导体的正电荷量与负电荷量恒等。,N型半导体中有nN=pN+ND,pN(pN+ND)=ni2P型半导体中有pP=nP+NA,nP(nP+NA)=ni2,重掺杂半导体：,N型半导体中有nN=ND,P型半导体中有pP=NA,本征半导体：n0p0=ni2,本征半导体费米能级位于禁带中心EF0附近,N型半导体费米能级靠近导带底,P型半导体费米能级靠近价带顶,N型半导体中有,P型半导体中有,非平衡载流子的复合发光有外界能量作用,平衡载流子的跃迁是一种热跃迁，由平衡载流子复合时放出的能量激发出新的平衡载流子，复合和激发处于动态平衡的过程。平衡载流子复合不会产生光辐射。,半导体材料的基本性质,非平衡载流子的寿命：从非平衡分布恢复到平衡态分布的时间。寿命越短，复合机率越大。,当有外界能量注入时，半导体中电子空穴对的产生率超过复合率，形成相对平衡分布过剩的非平衡载流子。只有非平衡载流子的复合才会产生光辐射。,非平衡态载流子的寿命与平衡载流子的浓度成反比，掺杂可提高复合机率。非平衡态载流子的寿命与注入载流子的浓度成反比，强注入可提高复合机率。,带间复合发光直接跃迁与间接跃迁,价带的电子跃迁到导带时，只要求能量的改变，而电子的准动量不发生变化，称为直接跃迁。直接跃迁对应的半导体材料称为直接禁带半导体。例：GaAs，GaN，ZnO。价带的电子跃迁到导带时，不仅要求电子的能量要改变，电子的准动量也要改变，称为间接跃迁。间接跃迁对应的半导体材料称为间接禁带半导体。例：Si，Ge,半导体材料的基本性质,化合物半导体材料一般都是直接跃迁，光电转换效率高，发光性能好。,直接复合高效率（仅有光子参与的电子跃迁）间接复合低效率（有光子和声子同时参与的电子跃迁）,非平衡载流子的复合发光,非平衡载流子的辐射复合的形式分为：,半导体材料的基本性质,非平衡载流子的无辐射复合,带间复合能带局域能级的复合施主受主对的复合激子复合等电子中心复合,温度淬灭温度越高，深能级对发光的淬灭越强，最终导致发光淬灭浓度淬灭多数载流子浓度越高，俄歇效应越强，最终抑制辐射跃迁。,多声子过程载流子通过深能级复合时，辐射能量会转化为声子形式俄歇效应载流子复合时把放出的能量转移给其他的载流子,非平衡载流子的无辐射复合会降低发光效率,半导体光电子器件基础PN结,PN结的形成,半导体光电子器件基础PN结,PN结少子注入：由于PN结势垒降低，N区电子可以进一步扩散到P区，从而破坏了P区少子的平衡，产生了非平衡少子，同样P区的空穴进入N区，在N区也产生了非平衡少子。,PN结少子注入复合发光,PN结正向偏置P区接正电极，N区接负电极,少子注入破坏了结区平衡状态，导带和价带内的载流子各自迅速建立起自己的平衡状态,PN结正向偏置g内电场削弱，势垒降低g阻挡层变窄g扩散电流增加,半导体光电子器件基础heterojunction,半导体异质结（heterojunction）,异质结：由不同的半导体材料组成的结，导电类型即可相同（PPorNN）,也可相反（pn）。,电子从N区向P区的注入比空穴从P区向N区的注入大得多，大大提高了注入效率，从而提高了发光效率。,同质结：由同一种半导体材料组成的导电类型相反的结（PN结）,异质PN结：,半导体光电子器件基础PP结,耗尽层在宽禁带材料一侧。电子或是空穴均是从宽禁带材料一侧向窄禁带材料一侧扩散。,半导体异质结（heterojunction）,异质PP结：,半导体光电子器件基础结,双异质结（DoubleHeterostructures）,外加正向偏压后，异质PN结在提高电子从区向区注入的同时，限制了空穴从P区向N区的扩散，利于中间复合发光区载流子浓度的提高。,在PP结区，异质结提高了空穴从宽禁带材料一侧向窄禁带材料注入的效率，同时限制了电子从中间区向宽带区的扩散，利于中间复合发光区载流子浓度的提高。,在整个双异质PPN结内，电子的复合区域被限制在中间层，有效提高了复合区的发光密度。同时辐射出的光子不会被两边宽禁带材料吸收。,形成了波导，起到限制光场的作用。,半导体光电子器件基础,ManufacturingofSemiconductorOptoelectronicDevices,晶格失配导致界面缺陷存在，影响复合发光。,半导体光电子器件基础量子阱,量子阱结构（QuantumWells）,一般的半导体光电子元件都采用如前所述的三明治结构。发光区都在中间层的窄禁带材料内。如果减小中间层厚度，可以有效地提高中间层的载流子浓度，提高发光效率。,当中间层厚度减小至与电子或空穴的德布罗意波长可比时（Ec,EFpEga结区粒子数实现反转,受激辐射大于受激吸收a光放大,半导体光电子器件LD,LD中的谐振腔,解离面形成反射面(30%反射率),腔纵模条件:,半导体光电子器件LD,阈值电流,泵浦机制:正向偏压,阈值电流Ith:Gth=dla光增益阈值aIth,半导体光电子器件LD,降低阈值电流Ith的方法：(1)限制载流子(2)限制光子,降低阈值电流的结构：双异质结doubleheterostructure,半导体光电子器件LD,LD的激光模式与光束发散角,激光模式依赖于介质的增益曲线和谐振腔的特性,谐振腔长度L决定纵模分布，横截面W&H决定横模分布,减小横截面W&Ha基横模TEM00输出,光束发散角：,半导体光电子器件LD,LD的光谱特性,光谱主频率由介质能级结构决定,LD的光谱特点：低注入电流a多模输出高注入电流a单模输出,P0aTjaEga0,半导体光电子器件LD,分布布拉格反射型-DistributedBraggReflectorLaserDiode,单模输出:Dl0.1nm,选模原理a反射光栅,半导体光电子器件LD,分布布拉格反馈型-DistributedFeedbackLaserDiode,选模原理：利用周期结构的布拉格反射建立腔内光反馈,输出频率由波纹结构的周期决定,反向传输的行波相互耦合成驻波，实现了无反射面的光反馈,半导体光电子器件LD,LD的复合腔选模,复合腔增大了纵模间隔，实现单模输出,半导体光电子器件LD,垂直腔面发射型-VerticalCavitySurfaceEmittingLaser,谐振腔方向沿电流方向,腔选模条件l:,半导体光电子器件LD,量子阱结构-SingleQuantumWellStructure,双异质结结构的中间层非常薄(10nm)a电子运动被限制在二维薄层内,电子态密度变化呈阶梯状分布,半导体光电子器件LD,多量子阱结构,QWlasers优点:1.阈值电流更低2.单色性更好,MQW更易实现单模输出,半导体光电子器件,LightEmittingDiodes,半导体光电子器件LED,LED的研发史,LED的研发主要取决于发光材料的研发进展,半导体光电子器件LED,LED的发光材料选取,发光材料的选取依据:,(2)appropriatesubstrate,(1)Egofthematerial,(3)availabilityofheterostructures,半导体光电子器件LED,典型LED发光材料的特性参数,1.GaAs-Ga1-xAlxAs:Eg=1.424+1.247x(0x0.35)0.6um0.9um,2.InP-In1-xGaxAsyP1-y:Eg=1.35-1.89x+1.48x2-0.56x30.9um107um,3.GaP+GaAs-GaAs1-xPx:0.5um0.7um,半导体光电子器件LED,典型LED发光材料的特性参数,半导体光电子器件LED,LED的伏安特性,低偏压时，无辐射复合过程主导电流exp(qV/2kBT),高偏压时，辐射复合过程主导电流exp(qV/kBT),半导体光电子器件LED,LED的操作电压,操作电压：对于典型尺寸的LED(300mmx300mm)，当操作电流为20毫安时对应的电压值,EgaVf,TaEgaVf,半导体光电子器件LED,结区温度T对LED性能的影响,结区温度Tj:发光层的温度,影响Tj的因素:1.环境温度2.电流的焦耳热,Tj的影响:1.I-V特性2.辐射光的波长3.辐射光的强度,Tja载流子碰撞复合几率a载流子跃迁复合几率aiaoutputpower,TjaEgaVf，