2022-2023学年高二物理课件：半导体外量子效率

半导体外量子效率根据外量子效率公式（8-28）指出提高外量子效率的主要途径。公式说明可以通过减少、、通过增加来提高外量子效率：1.减小结深。但把结深减小到距离表面不足一个扩散长度，会使更多的少数载流子引到表面，表面复合中心会俘获注入载流子的一大部分，这样会减小内量子效率。2.产生

的发光可以使减小，由于发射的光子具有低于的能量，因而得到了高效率。〔（8-28）〕半导体外量子效率逸出率：也叫出光效率，定义为P-N结辐射复合产生的光子中出射到晶体外部的百分数。内量子效率：产生辐射复合的电子数（等于辐射的总光子数）占总的注入载流子数的百分比。外量子效率：出射的光子数与总的注入载流子数之比。3.采用光学窗口。比如在GaAs二极管的顶面上生长一附加的AlGaAs层，因为AlGaAs材料的禁带宽度大于GaAs的禁带宽度，所以发射的光子不会被附加层所吸收。与此同时，在AlGaAs-GaAs界面上的复合中心密度显著的低于没有AlGaAs层的表面的GaAs复合中心密度。因而，距离界面的结深可以做得很小。4.减少内反射。采用折射率在空气和半导体之间的光学介质，浇注成的半球形圆顶，可使外量子效率增至2-3倍。画出能带图说明PN结LED工作原理：答：图8.10。当正向偏压加于P-N结的两端时，载流子注入，使得少数载流子浓度超过热平衡值，形成过量载流子。过量载流子复合，能量可能以光（光子）的形式释放。在光子发射过程中，我们从偏压的电能量得到光能量。这种现象称为注入式电致发光。在P侧，注入的非平衡少数载流子电子从导带向下跃迁与价带中的空穴复合，发射能量为的光子。在P-N结的N侧，注入的非平衡少数载流子空穴与导带电子复合，同样发出能量为的光子。（a）（b）

VF图8-10P-N的电致发光结：（a）零偏压，（b）正向偏压

等电子陷阱能够有效地提高GaP的发光效率的物理原理是什么？等电子陷阱能够有效地提高GaP的发光效率的实际意义在于缓和间接能隙跃迁的选择定则。GaP材料是间接带隙半导体，带间电子跃迁几率是很小，不能实现有效的发光。当氮原子进入GaP取代磷原子形成等电子陷阱时，等电子杂质对电子的束缚是短程力，因此，被束缚的电子定域在杂质原子附近很窄的范围内。电子的波函数在位形空间中的定域是很确定的。根据海森堡测不准关系，电子波函数在动量空间中会扩展到很宽的范围，因而被束缚在等电子陷阱的电子在空间中从到的几率改变，

使电子在点的几率密度提高。氮等电子陷阱的引入，使点出现电子的几率比间接跃迁的GaP材料提高3个数量级左右，从而使电子通过等电子陷阱实现跃迁而无需声子参与，大大地提高GaP:N的发光效率。8.1若在GaAsLED中，证明与电子电流相比较，空穴扩散电流是可以忽略的。用证明：

又因为所以因此可以说空穴扩散电流与电子扩散电流相比较是可以忽略的。

证明镜像力使肖特基势垒高度降低：

其中证明：半导体中距金属表面为的电子受到的镜像力为

电势能为其中边界条件取为时，和时，。（2）（1）对于肖特基势垒，这个势能将迭加到理想肖特基势垒能带图上，将原来的肖特基势垒近似地看成是线性的，因而界面附近的导带底势能曲线为其中为表面附近的电场，等于势垒区最大电场。总势能为设势垒高度降低的位置发生在处，势垒高度降低值为。令，由（3）式得到（3）

由于

故（4）（5）4-3．画出金属在P型半导体上的肖脱基势垒的能带结构图，忽略表面态，指出（a）和（b）两种情形是整流节还是非整流结，并确定自建电势和势垒高度。解：如下图所示

A.B.4-10．（a）推导出在肖特基二极管中作为电流密度的函数表达式。假设少数载流子可以