第10讲5-4半导体物理II半导体的物理效应.ppt

1、5.1 概述,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,第5章 导电物理,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,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,5.4.2.1 余辉效应,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，这就是光致发光效应，也称为荧光效应

2、。,光致发光效应,图5.18 荧光产生原理 (a) 金属; (b) 半导体,光致发光现象不会在金属中产生。因为在金属中，具有没有充满电子的能带，低能级的电子只会激发到同一能带的高能级。在同一能带内，电子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，远远超过可见光的波长。,在某些陶瓷和半导体中，价带和导带之间的禁带宽度适中，被激发的电子从导带跃回到价带时释放的光子波长刚好在可见光波段，所以具有光致发光效应，这类材料称为荧光材料。,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，关掉电源后荧光物质便不再发光。,如果荧光材料中含

3、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(Ed)，从价带被激发的电子进入导带后，就会掉入这些陷阱能级。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带，然后这些电子跃回到价带，才能发出可见光，所以它们被入射光子激发后，需要延迟一段时间才会发光，这样就出现了所谓的余辉现象。,余 辉 现 象,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，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变得很慢。,余 辉 时 间,图5.19 余辉

4、产生原理,荧 光 材 料,电视机显示屏所用的荧光材料,夜光材料,ZnSCu,SrAl2O4Eu,Dy,图5.20 SrAl2O4Eu,Dy长余辉材料的发光原理,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，而发光二极管则是电场引起的半导体发光现象。,平衡p-n结,正偏注入发光,在正向偏压的作用下，p-n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压的作用下发生扩散。n型半导体区内的多数载流子电子扩散到p型半导体区，同时p型半导体区内的多数载流子空穴扩散到n型半导体区。这些注入到p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。这些非平衡的少数载流子

5、不断与多数载流子复合而发光，这就是半导体p-n结发光的原理。,半导体p-n结发光的原理,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，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。,图5.22 材料发光与能级跃迁,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4种类型。,图5.23 发光二极管的发光颜色与材料成分的关系,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

6、发生全发射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，并使发光区域处于球心位置。,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。在受激辐射过程中，处于高能级的电子受到入射光子的作用，跃迁到低能级，并辐射放出一个与入射光子在频率、位相、传播方向、偏振状态等各方面完全相同的光子。,当注入光子时，光吸收（受激吸收）与受激辐射这两种过程究竟哪一种占主导地位，取决于处于高能级上和处于低能级上的电子数量之比

7、。,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，而导致激光的产生。,高浓度掺杂的p-n结制成的激光二极管,对于高浓度掺杂的半导体p-n结，由于杂质浓度很高，n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，p型区的价带中的载流子空穴也非常多，p型区的费密能级位于价带之中。当加上正向偏压时，n区向p区注入载流子电子，而p区向n区注入载流子空穴。 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。,图5.24半导体激光产生原理,5.4.2.4 光伏特效应,光激发

8、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。,硅太阳能电池就是利用p-n结制成的。,图5.25 光伏特效应原理,当禁带宽度相等的p型半导体与n型半导体的结合（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能。,p-n结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，就得不到所需的p型半导体和n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，从而降低了电池效率。所以p-n结太阳能电池始终难以得到大规模应用。,近年来，TiO2半导体的光催化性能引起人

9、们的重视。本田-藤岛（Honda-Fijishima）在1972年发现，水溶液中的TiO2电极被光照射后，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，电子则通过铂电极与氢离子相互作用。这一效应又称为Honda-Fijishima效应。,Honda-Fijishima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。电解水最少需1.23eV的电压，所以半导体禁带至少要1.23eV以上，实际需要2eV以上。二氧化钛的禁带有3eV，满足此条件，SnO2也满足此条件。,由于TiO2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够将TiO2的价带电子激发到导带上去，因