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1、光电子学与光子学讲义光电子学与光子学讲义-Chapter3-LEDChapter3-LED1 半导体理论基础半导体理论基础一、一、晶体结构晶体结构。固体结构固体结构。晶体晶体Lattice:The periodic arrangement of points in a crystal.Basis:The constituent atoms attached to each lattice point.Every basis is identical in composition,arrangement,and orientation.Crystal=Lattice+BasisR=ma+nb+p
2、ca:lattice constant晶格的原胞：晶格最小的周期性单元。（原胞选取不惟一，但多用习惯的选法，不能很好地反映晶体的周期性。）晶格的基矢量：原胞的边矢量。晶格与倒格子一一对应晶格与倒格子一一对应:晶体学中，为了反映晶格的对称性，选取较大的周期单元，叫单胞。（7个晶系，14种晶格结构）常用半导体材料的晶格结构常用半导体材料的晶格结构金刚石型结构金刚石型结构闪锌矿型结构闪锌矿型结构晶格常数：晶格常数：aGe=0.5658nm,aSi=0.5431nm二、二、半导体的能带结构半导体的能带结构原子的能级结构原子的能级结构离子键离子键 共价键共价键 金属键金属键 能带的概念能带的概念 将电子
3、的运动用波函数表示，在晶格原子形成的周期势场中求解薛定将电子的运动用波函数表示，在晶格原子形成的周期势场中求解薛定谔方程的结果谔方程的结果能带能带。能带结构。能带结构E=-2(pi2)*m*(Z2)(e4)/(n2)(h2)根据量子力学理论，计算出根据量子力学理论，计算出电子能量和电子动量电子能量和电子动量 之间的关系之间的关系E(k)具有对称性具有对称性E-k关系与关系与k的大小和方向都的大小和方向都有关，依据有关，依据E-k关系可以绘关系可以绘出能带图，如右图。出能带图，如右图。在晶体中，周期性排列的原子形成周期性的势场，电子在这样的势场在晶体中，周期性排列的原子形成周期性的势场，电子在这
4、样的势场中运动会使其能量发生变化，与势场的周期性关联起来中运动会使其能量发生变化，与势场的周期性关联起来(Kh=2/a为倒为倒格矢）格矢）自由电子的自由电子的E-k关系关系类氢原子的类氢原子的E-k关系（能级）关系（能级）导体、半导体、绝缘体的能带导体、半导体、绝缘体的能带半导体内部的电子可以做多样化运动，它的性质密切依赖半导体内部的电子可以做多样化运动，它的性质密切依赖于杂质、光照、温度、压力等因素。于杂质、光照、温度、压力等因素。(a)绝缘体 (b)半导体 (c)导体外界因素会使导带底存在外界因素会使导带底存在少量电子，价带顶存在少少量电子，价带顶存在少量孔穴量孔穴电子电子-孔穴对孔穴对（
5、EHP）。）。有效质量：有效质量：对半导体来说对半导体来说:价带：最上面的满带价带：最上面的满带（Ev）导带：最下面的空带导带：最下面的空带（Ec）带隙：价带和导带之间的带隙：价带和导带之间的 能量间隙（能量间隙（Eg=EcEv）Si：Eg=1.11eV GaAs:Eg=1.42eVEHP的产生的产生:光、热等光、热等EHP的复合：释放能量的复合：释放能量（光、热等形式）（光、热等形式）直接带隙半导体：电子从价带向导带跃迁不需要改变晶体直接带隙半导体：电子从价带向导带跃迁不需要改变晶体动量的半导体。动量的半导体。例如：GaAs,InP,GaN,ZnO.间接带隙半导体：电子从价带向导带跃迁要改变
6、晶体动量间接带隙半导体：电子从价带向导带跃迁要改变晶体动量的半导体。如的半导体。如Si，Ge。DOS代表允许存在的电子状态数，代表允许存在的电子状态数，并不是代表这一状态被电子占据。并不是代表这一状态被电子占据。费米费米-迪拉克函数迪拉克函数 f(E)表示表示 在热平在热平衡态下，一定能量的电子状态被衡态下，一定能量的电子状态被电子填充的概率：电子填充的概率：根据量子力学理论，可计算出电子的态密度（根据量子力学理论，可计算出电子的态密度（Density of states:DOS)。DOS表示在给定能量状态下，某个能带中单位体积的晶体中处在单位能表示在给定能量状态下，某个能带中单位体积的晶体中
7、处在单位能量间隔的电子量间隔的电子状态数状态数，用，用 g(E)表示。表示。g(E)与电子在价带和导带中的能量有关，在三维势场中的导带底和价带与电子在价带和导带中的能量有关，在三维势场中的导带底和价带顶附近的电子态密度：顶附近的电子态密度：与温度有关与温度有关本征半导体中电子本征半导体中电子/空穴浓度的计算空穴浓度的计算则为空穴填充的概率为：则为空穴填充的概率为：1-f(E)。费米能级费米能级EF：电子按照泡利原理由低能级到高能级依次排列成的：电子按照泡利原理由低能级到高能级依次排列成的基态情况下，电子态由占有状态到不占有状态对应的能量分界。基态情况下，电子态由占有状态到不占有状态对应的能量分
8、界。在半导体中，在半导体中，EF与导带的电子浓度和价带孔穴密度有关。与导带的电子浓度和价带孔穴密度有关。费米能级的变化代表费米能级的变化代表:将一个电子输出材料或注入材料所作的功的将一个电子输出材料或注入材料所作的功的大小，即大小，即在在E=EF处，处，f(E)=1/2，但可能在此处没有电子态。，但可能在此处没有电子态。实际上，能量实际上，能量E处单位体积单位能量间隔的电子个数处单位体积单位能量间隔的电子个数导带电子浓度导带电子浓度价带孔穴浓度价带孔穴浓度Mass action law:n和和p的乘积：的乘积：与温度和材料特性有关，而与费米能级位置无关。与温度和材料特性有关，而与费米能级位置无
9、关。本征半导体：本征半导体：结构完整、纯净的半导体，如硅、结构完整、纯净的半导体，如硅、GaAs。在本征半导体中，在本征半导体中，n=p=ni，本征载流子浓度。，本征载流子浓度。掺杂半导体：如果将本征半导体中引入一些少量的杂质原子，掺杂半导体：如果将本征半导体中引入一些少量的杂质原子，就会改变电子和孔穴的浓度。就会改变电子和孔穴的浓度。n型半导体：在四价原子硅中掺入五价元素，就会有一个多余电子，该电型半导体：在四价原子硅中掺入五价元素，就会有一个多余电子，该电子容易被原子释放而成为自由电子。易释放电子的原子称为施主子容易被原子释放而成为自由电子。易释放电子的原子称为施主(donor)。施。施主
10、束缚电子的能量状态称为施主能级主束缚电子的能量状态称为施主能级Ed，位于禁带中靠近导带底。，位于禁带中靠近导带底。p型半导体：在四价原子硅中掺入三价元素，就会空缺一个电子，多出一型半导体：在四价原子硅中掺入三价元素，就会空缺一个电子，多出一个空穴，该空穴容易获取电子。容易获取电子的原子称为受主个空穴，该空穴容易获取电子。容易获取电子的原子称为受主(acceptor)。受主获取电子的能量状态称为受主能级受主获取电子的能量状态称为受主能级Ea，位于禁带中靠近价带顶。位于禁带中靠近价带顶。注：单独的注：单独的n型和型和p型半导体是电中性的。型半导体是电中性的。三种半导体的能带结构三种半导体的能带结构
11、本征半导体本征半导体 n型半导体型半导体 p型半导体型半导体对所有情况：对所有情况：都是成立的。都是成立的。掺杂会使费米能级移动。掺杂会使费米能级移动。在轻掺杂情况下电子态数远大于电子在轻掺杂情况下电子态数远大于电子数，可以不考虑数，可以不考虑Pauli原理，电子分布原理，电子分布近似服从波尔兹曼分布，为非兼并半近似服从波尔兹曼分布，为非兼并半导体（导体（nNc,pNc,pNv），如右图。），如右图。n型半导体型半导体 p型半导体型半导体载流子载流子在半导体在半导体内运动的电荷载体。内运动的电荷载体。“载流子载流子”导电是半导电是半导体所特有的。导体所特有的。多子多子-在在N型半导体中，型半导
12、体中，将自由电子称为多数载将自由电子称为多数载流子，简称多子；流子，简称多子；少少子子-在在N型半导体中，型半导体中，空穴称为少数载梳子，空穴称为少数载梳子，简称少子。简称少子。v当存在外加电场时，费米能级会发生倾斜或弯曲。费米能级在两端的差为对于间接带隙半导体，杂质原子可以作为EHP的复合中心1、pn结的形成：结的形成：Si的一侧为的一侧为p掺杂，另一侧为掺杂，另一侧为n掺杂，又叫金属结。掺杂，又叫金属结。三、三、PN结结由于由于扩散运动扩散运动,在在p区一侧区一侧,空穴离开后空穴离开后,留下了不可移动的留下了不可移动的带负电荷带负电荷的的电离电离受主受主，因此出现一个负电荷区，因此出现一个
13、负电荷区;在在n区一侧区一侧,电子离开电子离开,产生了由产生了由电离施主电离施主构构成的成的正电荷区正电荷区。2、动态平衡下的、动态平衡下的pn结结 两个有关运动的概念：两个有关运动的概念：两个有关运动的概念：两个有关运动的概念：扩散运动扩散运动扩散运动扩散运动 P P型和型和型和型和N N型半导体结合在一起时，由于交界型半导体结合在一起时，由于交界型半导体结合在一起时，由于交界型半导体结合在一起时，由于交界面（接触界）两侧多子和少子的面（接触界）两侧多子和少子的面（接触界）两侧多子和少子的面（接触界）两侧多子和少子的浓度有很大差别浓度有很大差别浓度有很大差别浓度有很大差别，N N区的电子区的
14、电子区的电子区的电子必然向必然向必然向必然向P P区运动，区运动，区运动，区运动，P P区的空穴也向区的空穴也向区的空穴也向区的空穴也向N N区运动，这种由于浓度差而区运动，这种由于浓度差而区运动，这种由于浓度差而区运动，这种由于浓度差而引起的运动称为扩散运动。扩散运动形成扩散电流（引起的运动称为扩散运动。扩散运动形成扩散电流（引起的运动称为扩散运动。扩散运动形成扩散电流（引起的运动称为扩散运动。扩散运动形成扩散电流（I ID D）。）。）。）。漂移运动漂移运动漂移运动漂移运动 在扩散运动同时，在扩散运动同时，在扩散运动同时，在扩散运动同时，PNPN结构内部形成电荷区结构内部形成电荷区结构内部
15、形成电荷区结构内部形成电荷区（或称阻挡层，耗尽区等），在空间电荷区形成的内建电场的（或称阻挡层，耗尽区等），在空间电荷区形成的内建电场的（或称阻挡层，耗尽区等），在空间电荷区形成的内建电场的（或称阻挡层，耗尽区等），在空间电荷区形成的内建电场的作用下，少子会作用下，少子会作用下，少子会作用下，少子会定向定向定向定向运动产生漂移，即运动产生漂移，即运动产生漂移，即运动产生漂移，即N N区空穴向区空穴向区空穴向区空穴向P P区漂移，区漂移，区漂移，区漂移，P P区的电子向区的电子向区的电子向区的电子向N N区漂移。漂移运动形成漂移电流（区漂移。漂移运动形成漂移电流（区漂移。漂移运动形成漂移电流（区
16、漂移。漂移运动形成漂移电流（I IT T）。N 区电子区电子P 区区 IDvPN结两端掺杂浓度不均结两端掺杂浓度不均 扩散运动扩散运动 P 区空穴区空穴N 区区 P 区：电子区：电子 与与空穴复合空穴复合 空间电荷区空间电荷区宽宽 IDv复合复合 N 区：空穴区：空穴 与与电子复合电子复合 内部电场内部电场Uho P 区电子区电子 N区区空间电荷区空间电荷区窄窄 ITv 漂移漂移 少子的漂移运动少子的漂移运动 N 区空穴区空穴 P区区内部电场内部电场Uho IDIT 扩散扩散 ID=IT 是动态平衡是动态平衡v 趋于平衡趋于平衡 飘移飘移 扩散电流扩散电流 ID 等于漂移电流等于漂移电流 IT
17、 流过空间电荷区的总电流为流过空间电荷区的总电流为 0v 即：即：PN 结中的净电流为结中的净电流为 0。从从n区向区向p区扩散过去多区扩散过去多少电子，同时就将有同样多的电子在内建电场的作用下返回少电子，同时就将有同样多的电子在内建电场的作用下返回n区区。结论：结论：在无外激发因素（光照、加热、电场作用）时，在无外激发因素（光照、加热、电场作用）时，PNPN结内部结内部的扩散与漂移运动最终会达到动态平衡，扩散电流的扩散与漂移运动最终会达到动态平衡，扩散电流I ID D=漂移漂移电流电流I IT T，但方向相反，故此时，但方向相反，故此时PNPN结中无电流通过，形成一定结中无电流通过，形成一定
18、的宽度的耗尽层（空间电荷区）。的宽度的耗尽层（空间电荷区）。3、对称结与不对称结、对称结与不对称结PNPN结根据耗尽层的宽度分为对称结与不对称结：结根据耗尽层的宽度分为对称结与不对称结：对称结对称结 两个区（两个区（P P区和区和N N区）内耗尽层相等。（杂区）内耗尽层相等。（杂质浓度相等）。质浓度相等）。不对称结不对称结 杂质浓度高的侧耗尽层宽度小于杂质浓杂质浓度高的侧耗尽层宽度小于杂质浓度低的一侧，这样的度低的一侧，这样的PNPN结为不对称结。结为不对称结。4、pn结的能带结构结的能带结构 构成构成pn结前，结前，p型材料的费米型材料的费米能级靠近价带边缘，能级靠近价带边缘，n型材料的型材
19、料的费米能级靠近导带边缘。费米能级靠近导带边缘。当两块半导体结合形成当两块半导体结合形成p-n结结时，电子将从费米能级高的时，电子将从费米能级高的n区区流向费米能级低的流向费米能级低的p区，空穴则区，空穴则从从p区流向区流向n区；因而区；因而n型半导体型半导体的费米能级不断下降，的费米能级不断下降，p型半导型半导体的费米能级不断上移，直到两体的费米能级不断上移，直到两者的费米能级相等，此时者的费米能级相等，此时pn结中结中有统一的费米能级。（有统一的费米能级。（在任何非在任何非在任何非在任何非均匀半导体中，热平衡时必具有均匀半导体中，热平衡时必具有均匀半导体中，热平衡时必具有均匀半导体中，热平
20、衡时必具有统一的费米能级统一的费米能级统一的费米能级统一的费米能级）结区存在内建电场，电势由结区存在内建电场，电势由n区到区到p区逐渐降低。能带的弯曲区逐渐降低。能带的弯曲量量eVo称为称为p-n结的势垒（结的势垒（potential energy barrier）。）。n区的电子区的电子要进入要进入p区必须越过势垒区必须越过势垒eV0，同样，同样，p区的空穴要进入区的空穴要进入n区也必区也必须越过势垒须越过势垒eV0。V0是接触电势差（或内建电势，是接触电势差（或内建电势，build-in potential）:势垒高度通常略低于禁带宽度。禁带宽度越大，势垒越大。势垒高度通常略低于禁带宽度。
21、禁带宽度越大，势垒越大。N N区区区区P P区区区区实际上，实际上，pn结中费米能级处处相等标志着每一种载流子的扩结中费米能级处处相等标志着每一种载流子的扩散电流和漂移电流互相抵消，没有净电流流过散电流和漂移电流互相抵消，没有净电流流过pn结。结。N区的电子和区的电子和P区的空穴要进入对方区域，必须越过势垒区的空穴要进入对方区域，必须越过势垒eV0。5、外加偏压下的、外加偏压下的pn结结外加正向偏压外加正向偏压 pn结加正向偏压结加正向偏压V时（即时（即p区接电源正极，区接电源正极，n区接负极），正向偏压在势垒区中产区接负极），正向偏压在势垒区中产生了与内建电场方向相反的电场，因而减弱了势垒区
22、中的电场强度，生了与内建电场方向相反的电场，因而减弱了势垒区中的电场强度，故势垒区的宽故势垒区的宽故势垒区的宽故势垒区的宽度（耗尽层，空间电荷区）也减小，同时势垒高度从度（耗尽层，空间电荷区）也减小，同时势垒高度从度（耗尽层，空间电荷区）也减小，同时势垒高度从度（耗尽层，空间电荷区）也减小，同时势垒高度从qVqV0 0下降为下降为下降为下降为q q（V V0 0-V-V）。D能带变化能带变化 势垒区电场减弱，破坏了载流子的扩散运动和漂移运动之间原有的平衡，它势垒区电场减弱，破坏了载流子的扩散运动和漂移运动之间原有的平衡，它消弱了漂移运动，消弱了漂移运动，使扩散电流大于漂移电流使扩散电流大于漂移
23、电流。所以在加正向偏压时，产生了从所以在加正向偏压时，产生了从n区向区向p区的电子净扩散流以及从区的电子净扩散流以及从p区向区向n区的空穴净扩散流区的空穴净扩散流。(n区被空穴复合的电区被空穴复合的电子将由电源负极所补充，子将由电源负极所补充，p区被电子复合的空穴将由电源正极所补充区被电子复合的空穴将由电源正极所补充)加电场前加电场前加正向电场后加正向电场后 在耗尽区边界处（在耗尽区边界处（x=-Wx=-Wp p）形成电子的积累）形成电子的积累n np p(0)(0)，成为，成为p p区的区的非平衡少数载非平衡少数载流子流子，结果使边界处电子浓度比，结果使边界处电子浓度比p p区内部高，形成了
24、从边界处向区内部高，形成了从边界处向p p区内部的区内部的电子电子扩散流扩散流。同理，在边界。同理，在边界x=Wx=Wn n处也有向处也有向n n区内部流动的区内部流动的空穴扩散流空穴扩散流。非平衡非平衡少数载流子少数载流子一边扩散，一边与该区的一边扩散，一边与该区的多数载流子多数载流子复合，经过比扩散长复合，经过比扩散长度大若干倍的距离后，全部被复合。度大若干倍的距离后，全部被复合。-WpWn 在扩散过程中，电子与从在扩散过程中，电子与从p区内部向边界扩散过来的空穴不断复合，电子区内部向边界扩散过来的空穴不断复合，电子电流就不断转化为空穴电流，直到电流就不断转化为空穴电流，直到注入注入的电子
25、全部复合，电子电流全部转变的电子全部复合，电子电流全部转变为空穴电流为止。对于为空穴电流为止。对于n区中的空穴电流，具有类似情况。区中的空穴电流，具有类似情况。根据电流连续性原理，通过根据电流连续性原理，通过pn结中任一截面的总电流是相等的，只是对于结中任一截面的总电流是相等的，只是对于不同的截面，电子电流和空穴电流的比例有所不同而已。不同的截面，电子电流和空穴电流的比例有所不同而已。外加反向偏压外加反向偏压能带变化能带变化 pn结加反向偏压结加反向偏压V时（即时（即p区接电源负极，区接电源负极，n区接正极），反向偏压在势垒区中产区接正极），反向偏压在势垒区中产生了与内建电场方向相同的电场，因
26、而增强了势垒区中的电场强度，生了与内建电场方向相同的电场，因而增强了势垒区中的电场强度，故势垒区的宽故势垒区的宽故势垒区的宽故势垒区的宽度（耗尽层，空间电荷区）也增加，同时势垒高度从度（耗尽层，空间电荷区）也增加，同时势垒高度从度（耗尽层，空间电荷区）也增加，同时势垒高度从度（耗尽层，空间电荷区）也增加，同时势垒高度从qVqVDD升高为升高为升高为升高为q q（V V0 0+V+Vr r）。很难形成反向电流（很难形成反向电流（n区可移动的空穴和区可移动的空穴和p区可移动的电子非常少）区可移动的电子非常少）势垒区电场增强，破坏了载流子的扩势垒区电场增强，破坏了载流子的扩散运动和漂移运动之间的原有
27、平衡，它散运动和漂移运动之间的原有平衡，它增强了漂移运动增强了漂移运动，使，使漂移电流大于扩散漂移电流大于扩散电流电流。所以。所以n区边界处的区边界处的空穴空穴被势垒区被势垒区的强电场驱向的强电场驱向p区，而区，而p区边界处的区边界处的电电子子被驱向被驱向n区（漂移运动）。区（漂移运动）。当这些少数载流子被电场驱走后当这些少数载流子被电场驱走后,内内部的少子就来补充，形成反向偏压下的部的少子就来补充，形成反向偏压下的电子扩散电流和空穴扩散电流，好像少电子扩散电流和空穴扩散电流，好像少数载流子不断地被抽出来，所以称为少数载流子不断地被抽出来，所以称为少数载流子的数载流子的抽取或吸取抽取或吸取。在
28、加反向电压时，在加反向电压时，pn结中总的反向电流等于势垒区边界附近的结中总的反向电流等于势垒区边界附近的少数载流子扩少数载流子扩散电流之和散电流之和。当反向电压很大时，边界处的少子可以认为是零。这时少子的浓度梯度不再当反向电压很大时，边界处的少子可以认为是零。这时少子的浓度梯度不再随电压变化，因此扩散电流也不随电压变化，所以在反向偏压下，随电压变化，因此扩散电流也不随电压变化，所以在反向偏压下，pn结的电结的电流较小并且趋于不变。流较小并且趋于不变。反向偏压下的电流反向偏压下的电流pn结的结的I-V曲线曲线pn结中，正负电荷分布在间隔为W的两个区域，这种结构类似于平行板电容器。设结面积为A，
29、电荷为6、耗尽层电容、耗尽层电容耗尽层宽度耗尽层电容耗尽层电容的大小与外加电压有关。一、半导体发光一、半导体发光定义：半导体中处于激发态的电子向较低的能级跃迁，以光辐定义：半导体中处于激发态的电子向较低的能级跃迁，以光辐射的形式释放出能量。也就是电子从高能级向低能级跃迁，伴射的形式释放出能量。也就是电子从高能级向低能级跃迁，伴随着发射光子。随着发射光子。条件：系统必须处于非平衡状态，即在半导体内需要有某种激条件：系统必须处于非平衡状态，即在半导体内需要有某种激发过程存在，通过非平衡载流子的复合，才能形成发光。发过程存在，通过非平衡载流子的复合，才能形成发光。根据不同的激发方式，可以有各种发光过
30、程：如电致发光、光根据不同的激发方式，可以有各种发光过程：如电致发光、光致发光和阴极发光等。致发光和阴极发光等。2 发光二极管发光二极管(LED)1.辐射跃迁的种类辐射跃迁的种类 本征辐射本征辐射导带中的电子向价带跃迁，同价带中的空穴复合，产生能量大于或等于禁带导带中的电子向价带跃迁，同价带中的空穴复合，产生能量大于或等于禁带宽度的光子，即为本征辐射。分为直接跃迁辐射和间接跃迁辐射。宽度的光子，即为本征辐射。分为直接跃迁辐射和间接跃迁辐射。杂质辐射（非本征辐射）杂质辐射（非本征辐射）杂质半导体中施主能级和受主能级与导带和价带之间产生辐射跃迁，形成光杂质半导体中施主能级和受主能级与导带和价带之间
31、产生辐射跃迁，形成光辐射。有以下几种：辐射。有以下几种：施主与受主之间的辐射跃迁（非本征辐射）施主与受主之间的辐射跃迁（非本征辐射）如果半导体中既有施主杂质，又有受主杂质，就可能发生施主与受主之间的如果半导体中既有施主杂质，又有受主杂质，就可能发生施主与受主之间的辐射跃迁，发射出能量小于禁带宽度的光子。辐射跃迁，发射出能量小于禁带宽度的光子。注：对于间接带隙半导体，间接跃迁的几率很小，非本征跃迁起主要作用。注：对于间接带隙半导体，间接跃迁的几率很小，非本征跃迁起主要作用。2.自发辐射和受激辐射自发辐射和受激辐射 自发辐射：不受外界因素的作用，电子自发地从激发态回到基态引起的光自发辐射：不受外界
32、因素的作用，电子自发地从激发态回到基态引起的光子发射过程。处于高能级的电子，各自随机独立地分别发射一个一个光子，子发射过程。处于高能级的电子，各自随机独立地分别发射一个一个光子，这些光子仅仅能量相同而彼此无关，各列光波可以有不同的相位和不同的偏这些光子仅仅能量相同而彼此无关，各列光波可以有不同的相位和不同的偏振方向，它们可以向空间各个方向传播。振方向，它们可以向空间各个方向传播。自发辐射的光是一种非相干光自发辐射的光是一种非相干光自发辐射的光是一种非相干光自发辐射的光是一种非相干光。受激辐射：在光辐射的刺激下，受激电子从激发态向基态跃迁的辐射，同受激辐射：在光辐射的刺激下，受激电子从激发态向基
33、态跃迁的辐射，同时发射一个和感应光子一模一样的光子。发射光子和感应光子的全部特性时发射一个和感应光子一模一样的光子。发射光子和感应光子的全部特性（频率、相位、方向和偏振态等）相同。（频率、相位、方向和偏振态等）相同。受激辐射的光是一种相干光受激辐射的光是一种相干光受激辐射的光是一种相干光受激辐射的光是一种相干光。二、发光二极管（二、发光二极管（LED：Light Emitting Diode）的工作原理）的工作原理1.同质同质pn结注入发光（电致发光）原理结注入发光（电致发光）原理PNPN结加正向偏压结加正向偏压势垒降低，内建电场减弱势垒降低，内建电场减弱扩散电流大于漂扩散电流大于漂移电流移电
34、流电子由电子由n n区注入区注入p p区，空穴由区，空穴由p p区注入到区注入到n n区（非平衡少区（非平衡少子注入）子注入）直接带隙材料直接带隙材料电子和空穴通过电子和空穴通过势垒区势垒区势垒区势垒区及在及在继续扩散过程继续扩散过程继续扩散过程继续扩散过程中，会不断与多数载流子复合而发中，会不断与多数载流子复合而发光（辐射复合）。即电子不断从导带跃迁到价带，与价带中的空穴复合，光（辐射复合）。即电子不断从导带跃迁到价带，与价带中的空穴复合，电子失去能量电子失去能量Eg，转变为一个光子发射出去，光子能量，转变为一个光子发射出去，光子能量 hvEg。由于由于EHP复合的统计随机特性，发出的光可能
35、沿各个方向，即为自发辐射。复合的统计随机特性，发出的光可能沿各个方向，即为自发辐射。电子注入效率高于空穴注入效率即，空穴由电子注入效率高于空穴注入效率即，空穴由p区注入到区注入到n区的量要小于电子区的量要小于电子从从n区注入到区注入到p区的量，因此复合主要发生在区的量，因此复合主要发生在耗尽区及耗尽区及p区电子扩散长度之内区电子扩散长度之内。缺点缺点：产生的光子在：产生的光子在p区被吸收显著；为了减小光子吸收，要求区被吸收显著；为了减小光子吸收，要求p区很窄区很窄p区中注入的电子由于晶体表面的缺陷容易发生无辐射复合。区中注入的电子由于晶体表面的缺陷容易发生无辐射复合。2.异质结注入发光原理异质
36、结注入发光原理异质结和同质结的区别。异质结和同质结的区别。异质结可以提高空穴的注入效率，降低电子的注入效率。异质结可以提高空穴的注入效率，降低电子的注入效率。由于由于p区和区和n区的禁带宽度不等，势垒是不对称的。加上正向偏压时，当两区的禁带宽度不等，势垒是不对称的。加上正向偏压时，当两者的价带达到等高时，者的价带达到等高时，p区的空穴由于不存在势垒，不断向区的空穴由于不存在势垒，不断向n区扩散，保证区扩散，保证了空穴向发光区的高注入效率。而对于了空穴向发光区的高注入效率。而对于n区的电子，由于存在高势垒，不区的电子，由于存在高势垒，不能从能从n区注入区注入p区。区。所以禁带较宽的区域所以禁带较
37、宽的区域 成为注入源，而禁带成为注入源，而禁带 宽度较小的区域成为宽度较小的区域成为 发光区。发光区。双异质结双异质结LED：具有：更高的具有：更高的EH注入效率，更小的吸收注入效率，更小的吸收三、三、LED的主要参数的主要参数内部量子效率内部量子效率（Internal Quantum Efficiency）：单位时间内辐射单位时间内辐射复合产生的光子数与单位时间内注入的电子复合产生的光子数与单位时间内注入的电子-空穴对数之比。即：空穴对数之比。即：电子电子-空穴对的激发率等于非平衡载流子的复合率（包括辐射复合和无辐射空穴对的激发率等于非平衡载流子的复合率（包括辐射复合和无辐射复合，复合率又分
38、别决定于寿命复合，复合率又分别决定于寿命r和和nr）。辐射复合率反比于）。辐射复合率反比于r，无辐射复，无辐射复合率反比于合率反比于nr。因此，内量子效率又可写成：。因此，内量子效率又可写成：只有当只有当nrr时，时，才能形成有效的光才能形成有效的光子发射。子发射。光（辐射光、吸收光）的峰值波长与半导体材料禁带宽度之间的关系为：光（辐射光、吸收光）的峰值波长与半导体材料禁带宽度之间的关系为：外部量子效率外部量子效率（External Quantum Efficiency)：用来描述半导体：用来描述半导体材料的总有效发光效率。定义为单位时间内发射到晶体外部的材料的总有效发光效率。定义为单位时间内
39、发射到晶体外部的光子数与单位时间内注入的电子光子数与单位时间内注入的电子-空穴对数值比。它包括了内部空穴对数值比。它包括了内部量子效率以及随后光子离开器件出光的效率。量子效率以及随后光子离开器件出光的效率。辐射复合产生的光子存在三种损耗机制辐射复合产生的光子存在三种损耗机制：（：（1）半导体内部的光）半导体内部的光子吸收；（子吸收；（2）菲涅尔损耗；（）菲涅尔损耗；（3）临界角损耗）临界角损耗 菲涅尔损耗菲涅尔损耗光子在半导体光子在半导体/空气界面上产生的反射损耗。空气界面上产生的反射损耗。当光正入射在两种材料的分界面上时，界面的反射率为：当光正入射在两种材料的分界面上时，界面的反射率为：例：
40、当光波正入射在例：当光波正入射在GaAs/air界面上界面上时，界面的反射率为：时，界面的反射率为：临界角损耗临界角损耗当光波从光密介质以一定的角度入当光波从光密介质以一定的角度入射到光疏介质时，有可能发生全反射到光疏介质时，有可能发生全反射现象。射现象。例：对于例：对于GaAs/air界面，临界角为：界面，临界角为：15.9。四、四、LED的特性的特性1.光谱线宽光谱线宽由于由于LED所产生的光为自发辐射光，所以谱线宽度比较宽，所产生的光为自发辐射光，所以谱线宽度比较宽，一般线宽值在一般线宽值在在在20100 nm左右。左右。中心频率中心频率线宽频率线宽频率谱线不对称谱线不对称2.P-I特性
41、和特性和I-V特性特性u线性较好。无阈值电流。电流越大，表示注入的载流子越多，复合线性较好。无阈值电流。电流越大，表示注入的载流子越多，复合几率越大，光强越强。但当电流较大时，注入载流子过多，此时，复几率越大，光强越强。但当电流较大时，注入载流子过多，此时，复合时间由注入载流子浓度决定，复合几率与电流呈非线性关系。合时间由注入载流子浓度决定，复合几率与电流呈非线性关系。uLED存在开启电压，上图约为存在开启电压，上图约为1.5V，随后电流迅速增加。开启电压，随后电流迅速增加。开启电压与与LED材料有关，随带隙增加而增加。材料有关，随带隙增加而增加。3.耦合效率耦合效率LED的光束发散角很大（大
42、约在的光束发散角很大（大约在40度度120度范围内），因而度范围内），因而与光纤的耦合效率要比与光纤的耦合效率要比LD的情况低很多。的情况低很多。4.调制速度调制速度调制速度受限于载流子寿命（自发复合时间）。调制速度受限于载流子寿命（自发复合时间）。LED调制带宽调制带宽较窄（较窄（200300MHz）。）。5.温度特性温度特性LED的输出功率随温度的升高而减小。但的输出功率随温度的升高而减小。但LED无阈值电流，无阈值电流，所以输出光功率不会象所以输出光功率不会象LD那样随温度发生很大的变化。故其那样随温度发生很大的变化。故其温度特性较温度特性较LD要好，一般使用不需加温控电路。要好，一般使
43、用不需加温控电路。6.寿命寿命目前目前LEDLED使用使用寿命可达寿命可达3103106 6小时以上，比小时以上，比LDLD使用寿命长。使用寿命长。五、五、LED的材料（了解）的材料（了解）主要是III-V族半导体，Al、Ga、In与N、P、As的化合，不同的组分会有不同的晶格常数和能带结构，其带隙值也随之变化。辐射的波长也随之变化III-V族族 LED材料与发光波长之间关系材料与发光波长之间关系常用的常用的 LED的材料的材料D=Direct,I=Indirect bandgap,DH=double heterostructureCharacteristics of commercial L
44、EDs直接带隙和间接带隙材料发光直接带隙和间接带隙材料发光作业:3.18六、六、LED的结构的结构(a)p-layer grown epitaxially on n+-layer(b)p-layer is formed by dopant diffusion into the epitaxial layer两种结构的差别两种结构的差别:(a)的的p层依靠外延生长方法形成。层依靠外延生长方法形成。(b)的的p层层靠扩散方法形成。靠扩散方法形成。采用采用pnpn+结构。结构。n n区重掺杂是为了确保大部分复合过程发生在区重掺杂是为了确保大部分复合过程发生在p p区区（也就是使得（也就是使得p p区
45、为发光区）。区为发光区）。出射光要经过出射光要经过p区，因此区，因此p区要尽区要尽量做得薄一些以降低量做得薄一些以降低p区材料对出射区材料对出射光的吸收。光的吸收。衬底要求与外延层晶格匹配衬底要求与外延层晶格匹配（lattice match）。如果两种材料存在）。如果两种材料存在晶格失配，则外延后的材料之间的应晶格失配，则外延后的材料之间的应变会在晶体中形成缺陷。这些缺陷会变会在晶体中形成缺陷。这些缺陷会形成复合中心，造成电子空穴对的无形成复合中心，造成电子空穴对的无辐射复合（辐射复合（radiationless EHP recombination）。）。LED的封装的封装如何消除全反射效应如
46、何消除全反射效应可以将同空气接触的半可以将同空气接触的半导体表面制成拱形顶导体表面制成拱形顶(dome)。但工艺制作困。但工艺制作困难，且增加了成本。难，且增加了成本。可用透明塑料可用透明塑料介质灌封，并介质灌封，并使介质表面保使介质表面保持拱形顶。持拱形顶。3 异质结高亮度发光二极管异质结高亮度发光二极管同质结（同质结（homojunction）：由单一半导体材料组成的）：由单一半导体材料组成的PN结。结。异质结：（异质结：（heterojunction）：由不同半导体材料组成的）：由不同半导体材料组成的PN结。结。为了使光子在能辐射出器件且不为了使光子在能辐射出器件且不被吸收，被吸收，p区
47、会做得很薄，这会区会做得很薄，这会导致导致p区中的注入电子扩散到器区中的注入电子扩散到器件表面并和表面的缺陷复合（非件表面并和表面的缺陷复合（非辐射复合）而造成量子效率降低。辐射复合）而造成量子效率降低。如果增大有源区厚度，会使已经如果增大有源区厚度，会使已经产生的光子又被半导体材料所吸产生的光子又被半导体材料所吸收。（缺点）收。（缺点）提高提高LED输出亮度的方法：输出亮度的方法：采用双异质结采用双异质结(double heterostructure)结构结构 双异质结的作用是将注入的电子和空穴限制在有源区中双异质结的作用是将注入的电子和空穴限制在有源区中，它们自发复合所，它们自发复合所产生
48、的光子在异质结光波导效应下能有效地减少内部损耗。产生的光子在异质结光波导效应下能有效地减少内部损耗。最重要的是：两种材料带隙的不同会导致异质结中导带出现跳变最重要的是：两种材料带隙的不同会导致异质结中导带出现跳变Ec。Ec能够有效地阻止能够有效地阻止p-GaAs导带中的电子扩散进导带中的电子扩散进p-AlGaAs。注入到注入到p-GaAs区的电子遇到区的电子遇到p-p异质结高势垒的限制，异质结高势垒的限制，无法再向无法再向p-AlGaAs内内部继续扩散，因此在部继续扩散，因此在p-GaAs区内积累了大量电子区内积累了大量电子。同理，异质。同理，异质p-n+结处的价结处的价带高势垒将阻挡空穴向带
49、高势垒将阻挡空穴向n+-AlGaAs区扩散。因此，电子空穴的复合被限制在区扩散。因此，电子空穴的复合被限制在有源区中进行有源区中进行。当异质结上加正向电当异质结上加正向电压时，由于异质压时，由于异质p-p结结的结效应较弱，外加正的结效应较弱，外加正向偏压主要降在向偏压主要降在p-n+结结上，使上，使p-n+结的势垒降结的势垒降低。这就使得大量的电低。这就使得大量的电子从子从n+-AlGaAs区注入区注入p-GaAs区。区。双异质结的作用如同一个水库，限制有源区载流子逃出，因而双异质结的作用如同一个水库，限制有源区载流子逃出，因而提高了有源区电子和空穴的浓度，并且可根据需要改变容量。提高了有源区
50、电子和空穴的浓度，并且可根据需要改变容量。除了对载流子的限制外，异质结还能形成对光的限制，由于有除了对载流子的限制外，异质结还能形成对光的限制，由于有源区折射率高，光也被束缚在有源区里面。源区折射率高，光也被束缚在有源区里面。因为因为AlGaAs的带隙要大于的带隙要大于GaAs的带隙，所以有源层出射的光的带隙，所以有源层出射的光不会被不会被n+AlGaAs所吸收而到达器件表面，入射到所吸收而到达器件表面，入射到p-AlGaAs的光的光则会反射以增加出射光。则会反射以增加出射光。两种材料的晶格常数相差很小，不会出现很严重的失配现象。两种材料的晶格常数相差很小，不会出现很严重的失配现象。例：例：G