《最新半导体物理器件81ppt课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《最新半导体物理器件81ppt课件.ppt（38页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器1907.Round发现电流通过硅检波器时有黄光发生发现电流通过硅检波器时有黄光发生1923.Lossev在碳化硅检波器中观察到类似现象在碳化硅检波器中观察到类似现象1955.Braunstein首次在三首次在三-五族化合物中观察到辐射复合五族化合物中观察到辐射复合1961.Gershenzon观察到磷化镓观察到磷化镓PN结发光结发光1962年砷化镓发光二极管和激光器研制成功年砷化镓发光二极管和激光器研制成功1970年砷化镓年砷化镓-铝镓砷激光器实现室温连续铝镓砷激光器实现室温连续 引言引言发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器发光二极
2、管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器8.1.18.1.1辐射复合辐射复合3.3.施主施主 受主对（受主对（D-AD-A对）复合对）复合 施主施主 受主对复合是施主俘获的电子和受主俘获的空穴之间的复合。受主对复合是施主俘获的电子和受主俘获的空穴之间的复合。在复合过程中发射光子光子的能量小于禁带宽度。这是辐射能量小于禁带在复合过程中发射光子光子的能量小于禁带
3、宽度。这是辐射能量小于禁带宽度的一种重要的复合发光机制，这种复合也称为宽度的一种重要的复合发光机制，这种复合也称为D-AD-A对复合。对复合。 D-AD-A对复对复合模型认为，当施主杂质和受主杂质同时以替位原子进入晶格格点并形成合模型认为，当施主杂质和受主杂质同时以替位原子进入晶格格点并形成近邻时，这些集结成对的施主和受主系统由于距离较近，波函数相互交叠近邻时，这些集结成对的施主和受主系统由于距离较近，波函数相互交叠使施主和受主各自的定域场消失而形成偶极势场，从而结合成施主使施主和受主各自的定域场消失而形成偶极势场，从而结合成施主 受主受主对联合发光中心，称为对联合发光中心，称为D-AD-A对
4、。对。 D-AD-A对发光中心的能级如图对发光中心的能级如图8-38-3所示。所示。图图8-3DA 对复合能级图对复合能级图发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器8.1.18.1.1辐射复合辐射复合 rkqEEErhadgAD024 （8-6） 3.施主受主对复对复合 施主俘获电子，受主俘获空穴之后都呈电中性状态。施主上的电子施主俘获电子，受主俘获空穴之后都呈电中性状态。施主上的电子与受主上的空穴复合后，施主再带正电，受主再带负电。所以与受主上的空穴复合后，施主再带正电，受主再带负电。所以DA对对复合过程是中性组态产生电离施主复合过程是中性组态产生电离施主 受主对的过程，故复合是具有
5、库仑受主对的过程，故复合是具有库仑作用的。跃迁中库仑作用的强弱取决于施主与受主之间的距离的大小。作用的。跃迁中库仑作用的强弱取决于施主与受主之间的距离的大小。粗略地以类氢原子模型处理粗略地以类氢原子模型处理DA对中心。在没有声子参与复合的情况对中心。在没有声子参与复合的情况下，发射的光子能量为下，发射的光子能量为发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器8.18.1辐射复合辐射复合GaPmeVEEda941meVEEda6 .9563.施主受主对复合施主受主对复合 对于对于 材料，不同杂质原子和它们的替位状态会造成对的电离能不同。材料，不同杂质原子和它们的替位状态会造成对的电离能不同。例
6、如：例如：氧施主和碳受主杂质替代磷的位置，氧施主和碳受主杂质替代磷的位置，K6 . 1在温度为在温度为 时，时，而氧施主杂质是磷替位和锌受主杂质是镓替位，而氧施主杂质是磷替位和锌受主杂质是镓替位，K6 . 1在温度为在温度为 时，时，D-A对的发光在室温下由于与声子相互作用较强，很难发现对的发光在室温下由于与声子相互作用较强，很难发现DA对复合对复合的线光谱。但是，在低温下可以明显地观察到对发射的线光谱系列。这的线光谱。但是，在低温下可以明显地观察到对发射的线光谱系列。这种发光机构已为实验证实并对发光光谱作出了合理的解释。种发光机构已为实验证实并对发光光谱作出了合理的解释。发光二极管和半导体激
7、光器发光二极管和半导体激光器8.18.1辐射复合辐射复合4.4.通过深能级的复合通过深能级的复合 电子和空穴通过深能级复合时，辐射的光子能量远小于禁带宽度，发射电子和空穴通过深能级复合时，辐射的光子能量远小于禁带宽度，发射光的波长远离吸收边。对于窄禁带材料，要得到可见光是困难的，但对于光的波长远离吸收边。对于窄禁带材料，要得到可见光是困难的，但对于宽禁带材料，这类发光还是有实际意义的，例如宽禁带材料，这类发光还是有实际意义的，例如 中的红色发光，中的红色发光，便是属于这类复合。便是属于这类复合。GaP 深能级杂质除了对辐射复合有影响外，往往是造成非辐射复合的根源，深能级杂质除了对辐射复合有影响
8、外，往往是造成非辐射复合的根源，特别是在直接带隙材料中更是如此。所以在实际工作中，往往需要尽量减特别是在直接带隙材料中更是如此。所以在实际工作中，往往需要尽量减少深能级，以提高发光效率。少深能级，以提高发光效率。发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器8.18.1辐射复合辐射复合nexcgEEh（8-7）pnexcgNEEEh（8-8） 式中式中 表示吸收或放出能量为表示吸收或放出能量为 的的 个声子。个声子。pNEpEN5.5.激子复合激子复合 如果半导体吸收能量小于禁带宽度的光子，电子从价带激发。但由于库仑如果半导体吸收能量小于禁带宽度的光子，电子从价带激发。但由于库仑作用，它仍然
9、和价带中留下的空穴联系在一起，形成束缚状态。这种被库仑能作用，它仍然和价带中留下的空穴联系在一起，形成束缚状态。这种被库仑能束缚在一起的电子束缚在一起的电子- -空穴对就称为激子。如果激子复合以辐射方式释放能量，空穴对就称为激子。如果激子复合以辐射方式释放能量，就可以形成发光过程。就可以形成发光过程。自由激子：自由激子： 对于直接带隙半导体材料，自由激子复合发射光子的能量为对于直接带隙半导体材料，自由激子复合发射光子的能量为nexcE式中式中 为激子能级。为激子能级。对于间接带隙半导体材料，自由激子复合发射光子的能量为对于间接带隙半导体材料，自由激子复合发射光子的能量为发光二极管和半导体激光器
10、发光二极管和半导体激光器近年来，在发光材料的研究中，发现束缚激子的发光起重要作用，近年来，在发光材料的研究中，发现束缚激子的发光起重要作用，而且有很高的发光效率。如而且有很高的发光效率。如 材料中材料中 对产生的束缚激子对产生的束缚激子引起红色发光。氮等电子陷阱产生的束缚激子引起绿色发光。这两引起红色发光。氮等电子陷阱产生的束缚激子引起绿色发光。这两种发光机制使发光二极管的发光效率大大提高，成为发光二极管的种发光机制使发光二极管的发光效率大大提高，成为发光二极管的主要发光机制。激子发光的研究越来越受到人们的重视。主要发光机制。激子发光的研究越来越受到人们的重视。8.1.18.1.1辐射复合辐射
11、复合bxEbxnexcgEEEh（8-9） 5.激子复复合束缚激子：束缚激子：若激子对杂质的结合能为若激子对杂质的结合能为 ，则其发射光谱的峰值为，则其发射光谱的峰值为bxEiE 是材料和束缚激子的中心的电离能是材料和束缚激子的中心的电离能 的函数。的函数。GaPOZn发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器8.8.1.1 1.1 辐射复合辐射复合6 6、等电子陷阱复合、等电子陷阱复合 等电子杂质等电子杂质：周期表内与半导体基质原子同族的原子。：周期表内与半导体基质原子同族的原子。等电子陷阱等电子陷阱：由等电子杂质代替晶格基质原子而产生的束缚态。由于等电子杂质：由等电子杂质代替晶格基质
12、原子而产生的束缚态。由于等电子杂质与被替位的原子之间的电负性和原子半径等方面是不同的，因而引起晶格势与被替位的原子之间的电负性和原子半径等方面是不同的，因而引起晶格势场畸变，可以束缚电子或空穴形成带电中心，就象在等电子杂质的位置形成场畸变，可以束缚电子或空穴形成带电中心，就象在等电子杂质的位置形成陷阱，将电子或空穴陷着，故称为等电子陷阱。陷阱，将电子或空穴陷着，故称为等电子陷阱。 如果等电子杂质的电负性比晶格原子的电负性大，则可以形成电子的束如果等电子杂质的电负性比晶格原子的电负性大，则可以形成电子的束缚态，这样的等电子陷阱也可称为等电子的电子陷阱，这样的杂质称为等电缚态，这样的等电子陷阱也可
13、称为等电子的电子陷阱，这样的杂质称为等电子受主子受主( (如氮原子取代中如氮原子取代中GapGap磷原子磷原子) )。 如果等电子杂质的电负性比晶格原子的电负性小，则形成空穴的束缚态，如果等电子杂质的电负性比晶格原子的电负性小，则形成空穴的束缚态，称为等电子的空穴陷阱，产生这种束缚态的杂质称为等电子施主称为等电子的空穴陷阱，产生这种束缚态的杂质称为等电子施主( (如铋原子取如铋原子取代代GapGap中磷原子中磷原子) ) 。 当等电子陷阱俘获了某一种载流子以后，成为带电中心，这个带电中心又当等电子陷阱俘获了某一种载流子以后，成为带电中心，这个带电中心又由库仑作用而俘获带电符号相反的载流子，形成
14、束缚激子。当激子复合时，由库仑作用而俘获带电符号相反的载流子，形成束缚激子。当激子复合时，就能以发射光子的形式释放能量。就能以发射光子的形式释放能量。发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器8.1.18.1.1辐射复合辐射复合氮等电子陷阱的引入，使氮等电子陷阱的引入，使 点出现电子的几率比间接跃迁的点出现电子的几率比间接跃迁的 材料提高材料提高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，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，大大地提高大大地提高 的发光效率的发光效率 。GaPNGaP :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
15、准关系，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的电子在 空间中从空间中从 到到X的几率改变，使电子在的几率改变，使电子在 点的几率密度点的几率密度 提提高，如图高，如图8-5所示。所示。k26.等电子陷阱复合等电子陷阱复合 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。近很窄的范围内。发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器8
16、.18.1.1.1辐射复合辐射复合图图8-5 8-5 ， 和和的等电子陷阱束缚电子的几率密度在空间的分布的等电子陷阱束缚电子的几率密度在空间的分布 Ln|2 （任意单位） 1 6 2 3 4 5 7 0 K 55. 0GaAs NNP:45. 0 NGaP : GaP GaPNGaP:NNPGaAs:45. 055. 0发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器 8. 8.1.21.2非辐射复合非辐射复合非辐射复合非辐射复合 图图8-6 多声子跃迁多声子跃迁 0125102050100200300400500600光子能量 （meV）1.多声子过程多声子过程晶体中电子和空穴复合时，可以激
17、发多个声子的形式放出多余的能量。晶体中电子和空穴复合时，可以激发多个声子的形式放出多余的能量。 发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器8.8.1.21.2非辐射复合非辐射复合2.2.俄歇俄歇( (Auger)Auger)过程过程 图图8-7俄歇过程俄歇过程（a） （b） （c） N型 晶体中电子和空穴复合时，多余的能量传输给第三个载流子，使之在导带和价带晶体中电子和空穴复合时，多余的能量传输给第三个载流子，使之在导带和价带内部激发。内部激发。 N型半导体发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器8.8.1.21.2非辐射复合非辐射复合2.2.俄歇俄歇( (Auger)Auger
18、)过程过程 图图8-7俄歇过程俄歇过程（d） （e） （f） P型 P型半导体发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器8.8.1.21.2非辐射复合非辐射复合2.2.俄歇俄歇( (Auger)Auger)过程过程 图图8-7俄歇过程俄歇过程 （g） （h） （i） 杂质带 激子 电子 激子 空穴 发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器8.1.28.1.2非辐射复合非辐射复合3.表面复复合晶体表面处晶格的中断，产生能从周围吸附杂质的悬挂键。因而能够产晶体表面处晶格的中断，产生能从周围吸附杂质的悬挂键。因而能够产生高浓度的深的和浅的能级，它们可以充当复合中心。虽然对这些表面生高浓
19、度的深的和浅的能级，它们可以充当复合中心。虽然对这些表面态的均匀分布没有确定的论据，当假定是均匀分布时，表面态的分布态的均匀分布没有确定的论据，当假定是均匀分布时，表面态的分布为为 ，与实验的估计良好地一致。，与实验的估计良好地一致。 14214 10Ns EcmeV 发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器8.1 8.1 辐射复合与非辐射复合辐射复合与非辐射复合教学要求教学要求掌握辐射复合和非辐射复合的概念和机制。掌握辐射复合和非辐射复合的概念和机制。什么是等电子陷阱复合？为什么等电子陷阱复合能提高半导体材料的发光效率？什么是等电子陷阱复合？为什么等电子陷阱复合能提高半导体材料的发光
20、效率？解释解释图图8-7 8-7 中各种俄歇过程。中各种俄歇过程。 发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器8.2 8.2 LEDLED的基本结构和工作过程的基本结构和工作过程 平面结构镓砷磷红光二极管的结构示意图平面结构镓砷磷红光二极管的结构示意图 图图8-9 8-9 磷化镓发光二极管磷化镓发光二极管 （a a）磷化镓发光二极管管芯截面图磷化镓发光二极管管芯截面图 （b b）封装后的磷化镓发光二极管封装后的磷化镓发光二极管 发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器8.2 8.2 LEDLED的基本结构和工作过程的基本结构和工作过程 PNPN结的电致发光结的电致发光图图8-10
21、 8-10 P-NP-N的电致发光结：（的电致发光结：（a a）零偏压，（零偏压，（b b）正向偏压正向偏压V发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器8.2 8.2 LEDLED的基本结构和工作过程的基本结构和工作过程 教学要求教学要求画出能带图说明画出能带图说明LEDLED的发光机制。的发光机制。名词解释及问题名词解释及问题发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器8.3 LED8.3 LED的特性参数的特性参数8.3.1 V-I8.3.1 V-I特性特性 发光二极管的电流发光二极管的电流电压特性和普通二极管大体一致。发光二极管的开电压特性和普通二极管大体一致。发光二极管的开启
22、电压很低，启电压很低， 是是1.01.0伏，伏， 、 大约大约1.51.5伏。伏。GaAsxxPGaAs1AsAlGaxx1 （红光）大约（红光）大约1.81.8伏，伏， （绿光）大约（绿光）大约2.02.0伏。工作电流约为伏。工作电流约为10mA10mA。工作电压和工作电流低，使得可以把它们做的很小，以至于看。工作电压和工作电流低，使得可以把它们做的很小，以至于看作点光源，这使得作点光源，这使得LEDLED极适宜用于光显示。极适宜用于光显示。GaPGaP发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器8.3.2 8.3.2 量子效率量子效率量子效率是发光二极管特性中一个与辐射量有关的重要参数
23、。它反映了注量子效率是发光二极管特性中一个与辐射量有关的重要参数。它反映了注入载流子复合产生光量子的率。量子效率又有内量子效率和外量子效率两入载流子复合产生光量子的率。量子效率又有内量子效率和外量子效率两个概念个概念:外量子效率：单位时间内输出二极管外的光子数目与注入的载流子数目之外量子效率：单位时间内输出二极管外的光子数目与注入的载流子数目之比。比。内量子效率：单位时间内半导体的辐射复合产生的光子数与注入的载流子内量子效率：单位时间内半导体的辐射复合产生的光子数与注入的载流子数目之比。数目之比。发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器8.3.28.3.2量子效率量子效率1.注射效率图
24、图8-128-12 带尾对带带尾对带 带复合的影响；带复合的影响；（a）型，（）型，（b） 型型 （a）（b）nnprecIrIIIgEgEhghEghE发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器8.3.28.3.2量子效率量子效率(c)选用电子迁移率比空穴迁移率大的材料。由于选用电子迁移率比空穴迁移率大的材料。由于 族化合物半导体族化合物半导体的电子迁移率比空穴迁移率大很多，例如的电子迁移率比空穴迁移率大很多，例如 ，所以它们，所以它们是制造是制造LED的上选材料。的上选材料。VIII 30,pnGaAs注射效率就是可以产生辐射复合的二极管电流在二极管的总电流中所占的百注射效率就是可以
25、产生辐射复合的二极管电流在二极管的总电流中所占的百分比。分比。根据（根据（8-15）式提高注射效率的途径是：）式提高注射效率的途径是：PN(a) P区受主浓度要小于区受主浓度要小于 N 区施主浓度，即区施主浓度，即 结。结。(b)减小耗尽层中的复合电流。这就要求减小耗尽层中的复合电流。这就要求LED所用的材料和制造工艺尽可所用的材料和制造工艺尽可能保证晶体完整，尽量避免有害杂质的掺入。能保证晶体完整，尽量避免有害杂质的掺入。发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器8.3.28.3.2量子效率量子效率 2.辐辐射效率发生辐射复合的电子数与总的注入电子数比：发生辐射复合的电子数与总的注入电
26、子数比： nrrrrUUUrrnUnrnrnU（8-18）（8-17）（8-16）rnrrr11（8-19）发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器8.3.28.3.2量子效率量子效率三种可能的复合过程三种可能的复合过程图8-13三种可能的复合过程浅施主能级浅施主能级浅受主能级浅受主能级深复合中心深复合中心cEtEtEvEdEaE1R2R3R发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器8.3.28.3.2量子效率量子效率atnrrNNC1以以 和和 为竞争机制为竞争机制 ：2R3R123exp1KTEEnCNPCNatnaptr（8-22）带带带复合过程和非辐射复合过程相竞争：带复
27、合过程和非辐射复合过程相竞争：发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器根据（根据（8-21）式，欲提高）式，欲提高 ，可采用的方法是，可采用的方法是8.3.28.3.2量子效率量子效率r和增加和增加P区的掺杂浓度，而且较高的区的掺杂浓度，而且较高的 还有降低串联电阻从而减小还有降低串联电阻从而减小正向电压降和欧姆损耗的作用。正向电压降和欧姆损耗的作用。aN减少复合中心密度，高的掺杂浓度使得晶体缺陷增加，导致非辐减少复合中心密度，高的掺杂浓度使得晶体缺陷增加，导致非辐射复合中心射复合中心 的增加。同时，在讨论注射效率时已经指出，的增加。同时，在讨论注射效率时已经指出，P侧侧的高掺杂会使注
28、射效率下降。的高掺杂会使注射效率下降。tN发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器3.逸出几率 逸出几率逸出几率 也叫做出光效率被定义为也叫做出光效率被定义为PN结辐射复合产生的光子射结辐射复合产生的光子射到晶体外部的百分数。到晶体外部的百分数。8.3.28.3.2量子效率量子效率000rie 外量子效率可以写作：外量子效率可以写作：根据以上分析，内量子效率可以写作根据以上分析，内量子效率可以写作rir发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器8.3.28.3.2量子效率量子效率影响响逸出几率的主要因素：界面反射和 再吸收。1 c1 c1c2半导体表面 图8-14 中的界面反射和临界角LEDjxnLPP发光二极管和半导体激光器发光二极管和半导体激光器N N型半导体圆顶型半导体圆顶型i型典型源点160160160160（a）（b）透明环氧树脂二极管芯片dh1h2图8-18 圆顶状结构；（a）型半导体圆顶，（b）透明环氧树脂圆顶8.3.28.3.2量子效率量子效率38 结束语结束语