武汉理工材料物理学10PPT学习教案

1、会计学1 武汉理工材料物理学武汉理工材料物理学10 5.2材料的导电性能 5.4半导体物理 5.3金属电导 5.5 超导物理 2个学时 4个学时 4个学时 第第5章章 导电物理导电物理 2个学时 10个学时 第1页/共32页 5.4半导体物理 5.4.1半导体与p-n结 5.4.2半导体的物理效应 5.4.3能带理论在半导体中 的应用 5.4.4半导体陶瓷的缺陷化学 理论基础 2个学时 2个学时 2个学时 4个学时 第2页/共32页 5.4.2半导体的物理效应 5.4.2.1余辉效应 5.4.2.1发光二极管 5.4.2.1激光二极管 5.4.2.1光伏特效应 第3页/共32页 5.4.2.1

2、余辉效应 价带的电子受到入射光子的激发后，会跃价带的电子受到入射光子的激发后，会跃 过禁带进入导带。如果导带上的这些被激过禁带进入导带。如果导带上的这些被激 发的电子又跃迁回到价带时，会以放出光发的电子又跃迁回到价带时，会以放出光 子的形式来释放能量，这就是光致发光效子的形式来释放能量，这就是光致发光效 应，也称为荧光效应。应，也称为荧光效应。 光致发光效应光致发光效应 第4页/共32页 图图5.18荧光产生原理荧光产生原理 (a) 没有禁带的金属没有禁带的金属;(b) 有禁带的半导体有禁带的半导体 第5页/共32页 光致发光现象不会在金属中产生。因为在金属光致发光现象不会在金属中产生。因为在

3、金属 中，价带没有充满电子，低能级的电子只会激中，价带没有充满电子，低能级的电子只会激 发到同一价带的高能级。在同一价带内，电子发到同一价带的高能级。在同一价带内，电子 从高能级跃迁回到低能级，所释放的能量太小从高能级跃迁回到低能级，所释放的能量太小 ，产生的光子的波长太长，远远超过可见光的，产生的光子的波长太长，远远超过可见光的 波长。波长。 第6页/共32页 在某些陶瓷和半导体中，价带和导带之间的在某些陶瓷和半导体中，价带和导带之间的 禁带宽度不大不小，所以被激发的电子从导禁带宽度不大不小，所以被激发的电子从导 带跃过禁带回到价带时释放的光子波长刚好带跃过禁带回到价带时释放的光子波长刚好

4、在可见光波段。这样的材料称为荧光材料。在可见光波段。这样的材料称为荧光材料。 日光灯灯管的内壁涂有荧光物质。管内的汞日光灯灯管的内壁涂有荧光物质。管内的汞 蒸气在电场作用下发出紫外线，这些紫外线蒸气在电场作用下发出紫外线，这些紫外线 轰击在荧光物质上使其发光。关掉电源后荧轰击在荧光物质上使其发光。关掉电源后荧 光物质便不再发光。光物质便不再发光。 第7页/共32页 如果荧光材料中含有一些微量杂质，且这些如果荧光材料中含有一些微量杂质，且这些 杂质的能级位于禁带内，相当于陷阱能级杂质的能级位于禁带内，相当于陷阱能级(Ed) ，从价带被激发的电子进入导带后，又会掉，从价带被激发的电子进入导带后，又

5、会掉 入这些陷阱能级。因为这些被陷阱能级所捕入这些陷阱能级。因为这些被陷阱能级所捕 获的激发电子必须首先脱离陷阱能级进入导获的激发电子必须首先脱离陷阱能级进入导 带后才能跃迁回到价带，所以它们被入射光带后才能跃迁回到价带，所以它们被入射光 子激发后，需要延迟一段时间才会发光，出子激发后，需要延迟一段时间才会发光，出 现了所谓的余辉现象。现了所谓的余辉现象。 余辉现象余辉现象 第8页/共32页 余辉时间取决于这些陷阱能级与导带之间的能余辉时间取决于这些陷阱能级与导带之间的能 级差，即陷阱能级深度。因为在一定温度下，级差，即陷阱能级深度。因为在一定温度下， 处于较深的陷阱能级上的电子被热重新激发到

6、处于较深的陷阱能级上的电子被热重新激发到 导带的几率较小，或者电子进入导带后又落入导带的几率较小，或者电子进入导带后又落入 其他陷阱能级（发生多次捕获），这些情况都其他陷阱能级（发生多次捕获），这些情况都 使余辉时间变长，也就是使发光的衰减很慢。使余辉时间变长，也就是使发光的衰减很慢。 余辉时间余辉时间 第9页/共32页 图图5.19余辉产生原理余辉产生原理 第10页/共32页 荧光材料荧光材料 电视机显示屏所用的荧光材料电视机显示屏所用的荧光材料 夜光材料夜光材料 ZnS Cu SrAl2O4 Eu,Dy 第11页/共32页 图图5.20SrAl2O4 Eu,Dy长余辉材料的发光原理长余辉材

7、料的发光原理 第12页/共32页 5.4.2.2发光二极管 余辉效应是入射光引起的半导体发光现象，余辉效应是入射光引起的半导体发光现象， 而发光二极管则是电场引起的半导体发光现而发光二极管则是电场引起的半导体发光现 象。象。 第13页/共32页 图图5.21注入发光能注入发光能 带图带图 (a) 平衡平衡p-n结结; (b) 正偏注入发光正偏注入发光 第14页/共32页 在正向偏压的作用下，在正向偏压的作用下，p-n结势垒降低，势垒结势垒降低，势垒 区内建电场也相应减弱，载流子也会在正向偏区内建电场也相应减弱，载流子也会在正向偏 压的作用下发生扩散。压的作用下发生扩散。n型半导体区内的多数型半

8、导体区内的多数 载流子电子扩散到载流子电子扩散到p型半导体区，同时型半导体区，同时p型半型半 导体区内的多数载流子空穴扩散到导体区内的多数载流子空穴扩散到n型半导体型半导体 区。这些注入到区。这些注入到p区的载流子电子和注入到区的载流子电子和注入到n 区的载流子空穴都是非平衡的少数载流子。这区的载流子空穴都是非平衡的少数载流子。这 些非平衡的少数载流子不断与多数载流子复合些非平衡的少数载流子不断与多数载流子复合 而发光，这就是半导体而发光，这就是半导体p-n结发光的原理。结发光的原理。 半导体半导体p-np-n结发光的原理结发光的原理 第15页/共32页 导致发光的能级跃迁除了可以在导带与价带

9、导致发光的能级跃迁除了可以在导带与价带 这样的带与带之间（称为本征跃迁）发生外这样的带与带之间（称为本征跃迁）发生外 ，还可以在杂质能级与带之间、杂质能级之，还可以在杂质能级与带之间、杂质能级之 间（称为非本征跃迁）发生。间（称为非本征跃迁）发生。 第16页/共32页 图图5.22 材料发光与能级跃迁材料发光与能级跃迁 第17页/共32页 导带上的电子还会以热量的形式释放出一导带上的电子还会以热量的形式释放出一 部分能量后掉入杂质能级，然后再向价带部分能量后掉入杂质能级，然后再向价带 跃迁。这种跃迁称为间接跃迁，其能量小跃迁。这种跃迁称为间接跃迁，其能量小 于禁带宽度。间接跃迁可以有于禁带宽度

10、。间接跃迁可以有4种类型。种类型。 第18页/共32页 图图5.23发光二级管的发光颜色与材料成分的关系发光二级管的发光颜色与材料成分的关系 第19页/共32页 能级跃迁所产生的光子并不能够全部传到半能级跃迁所产生的光子并不能够全部传到半 导体材料的外部来。因为从发光区发出的光导体材料的外部来。因为从发光区发出的光 子不仅在通过半导体材料时有可能被再吸收子不仅在通过半导体材料时有可能被再吸收 ，而且在半导体的表面处很可能发生全发射，而且在半导体的表面处很可能发生全发射 而返回到半导体材料内部。为了避免这种现而返回到半导体材料内部。为了避免这种现 象，可以将半导体材料表面制成球面，并使象，可以将

11、半导体材料表面制成球面，并使 发光区域处于球心位置。发光区域处于球心位置。 第20页/共32页 5.4.2.3激光二极管 处于低能级的电子吸收一个入射光子后，从低能处于低能级的电子吸收一个入射光子后，从低能 级被激发到高能级，这个过程称为光吸收。级被激发到高能级，这个过程称为光吸收。 当电子从高能级跃迁回到低能级时，会辐射放出当电子从高能级跃迁回到低能级时，会辐射放出 一个光子，这种辐射称为自发辐射。一个光子，这种辐射称为自发辐射。 除了自发辐射外，还有一种受激辐射。在受激辐除了自发辐射外，还有一种受激辐射。在受激辐 射过程中，处于高能级的电子受到入射光子的作用射过程中，处于高能级的电子受到入

12、射光子的作用 ，跃迁到低能级，并辐射放出一个与入射光子在频，跃迁到低能级，并辐射放出一个与入射光子在频 率、位相、传播方向、偏振状态等各方面完全相同率、位相、传播方向、偏振状态等各方面完全相同 的光子。的光子。 第21页/共32页 当注入光子时，自发辐射与受激辐射这两种当注入光子时，自发辐射与受激辐射这两种 过程究竟哪一种占主导地位，取决于处于高过程究竟哪一种占主导地位，取决于处于高 能级上和处于低能级上的电子数量之比。能级上和处于低能级上的电子数量之比。 如果处于高能级上的电子数大于处于低能如果处于高能级上的电子数大于处于低能 级上的电子数，受激辐射就会超过光吸收级上的电子数，受激辐射就会超

13、过光吸收 产生的自发辐射，就会导致激光的产生。产生的自发辐射，就会导致激光的产生。 第22页/共32页 高浓度掺杂的高浓度掺杂的p-n结制成的激光二极管结制成的激光二极管 对于高浓度掺杂的半导体对于高浓度掺杂的半导体p-n结，由于杂质浓度结，由于杂质浓度 很高，很高，n型区内来自杂质能级的载流子电子非型区内来自杂质能级的载流子电子非 常多，费密能级位于导带之中。另外，常多，费密能级位于导带之中。另外，p型区型区 的价带中的载流子空穴也非常多，的价带中的载流子空穴也非常多，p型区的费型区的费 密能级位于价带之中。当加上正向偏压时，密能级位于价带之中。当加上正向偏压时，n 区向区向p区注入载流子电

14、子，而区注入载流子电子，而p区向区向n区注入载区注入载 流子空穴。激光二极管为高浓度掺杂半导体，流子空穴。激光二极管为高浓度掺杂半导体， 平衡时势垒很高，所加正向电压不足以使势垒平衡时势垒很高，所加正向电压不足以使势垒 消失。这些载流子电子和载流子空穴聚集在消失。这些载流子电子和载流子空穴聚集在p-n 结附近，形成所谓的激活区。结附近，形成所谓的激活区。 第23页/共32页 图图5.24半导体激光产生原理半导体激光产生原理 第24页/共32页 5.4.2.4光伏特效应 光激发伏特效应是另一个重要的半导体物光激发伏特效应是另一个重要的半导体物 理效应，是太阳能电池的理论基础。理效应，是太阳能电池

15、的理论基础。 硅太阳能电池就是利用硅太阳能电池就是利用p-n结制成结制成 第25页/共32页 图图5.25光伏特效应原理光伏特效应原理 第26页/共32页 当禁带宽度相等的当禁带宽度相等的p型半导体与型半导体与n型半导体的型半导体的 结合（即为同质结）时，由于二者的母体可结合（即为同质结）时，由于二者的母体可 以采用同种材料（如硅），二者的结合面的以采用同种材料（如硅），二者的结合面的 共格性能很好，很少产生缺陷，而这些缺陷共格性能很好，很少产生缺陷，而这些缺陷 作为电子捕获中心，会降低太阳能电池的性作为电子捕获中心，会降低太阳能电池的性 能。能。 p-n结太阳能电池的特点是对半导体材料的纯结

16、太阳能电池的特点是对半导体材料的纯 度要求很高。如果不控制好杂质原子，就得不度要求很高。如果不控制好杂质原子，就得不 到所需的到所需的p型半导体和型半导体和n型半导体。另外，激型半导体。另外，激 发产生的空穴和电子对很容易相互结合而消失发产生的空穴和电子对很容易相互结合而消失 ，从而降低了电池效率。所以，从而降低了电池效率。所以p-n结太阳能电结太阳能电 池始终难以得到大规模应用。池始终难以得到大规模应用。 第27页/共32页 近年来，近年来，TiO2半导体的光催化性能引起人们半导体的光催化性能引起人们 的重视。本田的重视。本田-藤岛（藤岛（Honda-Fijishima）在）在 1972年发

17、现，水溶液中的年发现，水溶液中的TiO2电极被光照射电极被光照射 后，在二氧化钛电极上会产生氧气，在对极后，在二氧化钛电极上会产生氧气，在对极 的铂电极上会产生氢气。光激发的电子进入的铂电极上会产生氢气。光激发的电子进入 半导体电极内部，空穴到达半导体表面。此半导体电极内部，空穴到达半导体表面。此 空穴与水里的氧离子相互作用，电子则通过空穴与水里的氧离子相互作用，电子则通过 铂电极与氢离子相互作用。这一效应又称为铂电极与氢离子相互作用。这一效应又称为 Honda-Fijishima效应。效应。 第28页/共32页 Honda-Fijishima效应给了人们一种利用太效应给了人们一种利用太 阳能将水分解成氢气和氧气的可能性。电解阳能将水分解成氢气和氧气的可能性。电解 水最少需水最少需1.23eV的电压，所以半导体禁带至的电压，所以半导体禁带至 少要少要1.23eV以上，实际需要以上，实际需要2eV以上。二氧以上。二氧 化钛的禁带有化钛的禁带有3eV，满足此条件，满足此条件，SnO2也也 满足此条件。满足此条件。 第29页/共32页 由于由于TiO2半导体的禁带宽度比较大，如果制半导体的禁带宽度比较大，如果制 成太阳能电池，则只有波长很短的紫外线能成太阳能电池，则只有波长很短的紫外线能 够将够将TiO2的价带电子激发到导带上去，因此的价带电子激发到导