第一章 准费米能级

FCLED 结构：在这种结构中，光从蓝宝石衬底取出， 不必从电流扩散层取出。由于不从电流扩散层出光，这 样不透光的电流扩散层可以加厚，增加 Flip chip 的电 流密度。同时这种结构还可以将 pn 结的热量直接通过 金属凸点导给热导系数高的硅衬底，散热效果更优；而 且在 pn 结与 p 电极之间增加了一个反光层，又消除了 电极和引线的挡光，因此这种结构具有电、光、热等方 面较优的特性。 UV LED：1.为了减少光被吸收，不采 用 GaN，而用带隙较大的 AlGaN；2.多量子阱下有缓冲 层及超晶格层以减少应变。 白光 LED：目前制备白光 LED 的三种主要方法 （1）红、绿、蓝（RGB）多芯片组合白光技术；优点： 是显色率高、寿命长，由于不需要荧光粉进行波长转换， 发光效率高。缺点：由于分别受单个芯片的性能影响， 其色稳定性较差，由于有电流配置的问题，常常需要 IC 芯片控制，加上其光学方面的设计，其封装难度较 大，且成本很高，其每一个单元都是普通白光 LED 的 数倍。（2）单芯片加荧光粉合成白光技术；优点：技 术成本也较低，其色稳定性较好，工艺重复性好。缺 点：紫外光芯片流明效率比较低,蓝光/黄光色相分离效 应、强色温、电流依赖性、绿光和红光分量的缺乏等， 从而导致显色性的不足。（3）MOCVD 直接生长多有源 区的白光 LED 技术。优点：不需要荧光粉，也不需要 复杂的控制电路，制备过程也与普通的发光二极管相 似。 第四章 太阳能发电的独特特点：1.输入的太阳光 线储能无限，并且免费。2.没有运转部件，可以安静 地生产清洁能源。3.维护简单，容易实现自动化和无 人化。4.与规模大小无关，可按一定的效率发电。太 阳能电池的转换效率，与其所利用的装置规模的大 小 无关，几乎是恒定的。5.由于是模板结构，易于产生 规模化效益。太阳能电池是以独特的模板结构制造的， 易于大量生产。因此随着需求的扩大，利用连续自动化 制造可以实现低成本化。6.用扩散光也可以发电。7. 光发电是对废弃能源的有效利用。只是把本来放弃的能 量的一部分转变成电能而有效利用起来了。 光生伏打效应的物理过程（能带图）：第一、半导体材 料吸收光能产生出非平衡的电子—空穴对；第二、非 平衡电子和空穴从产生处向非均匀势场区运动，这种运 动可以是扩散运动，也可以是漂移运动；第三、非平 衡电子和空穴在非均匀势场作用下向相反方向运动而 分离。这种非均匀势场可以是结的空间电荷区，也可以 是金属—半导体的肖特基势垒或异质结势垒等。 太阳能电池的输出特性：太阳能电池的损失的影响因 素：1.太阳辐射光谱与太阳能电池半导体材料的光吸 收光谱的匹配;2.表面反射损失；3.由光吸收生成的载 流子中，电池的表面或背面电极由于与环境复合造成的 表面复合损失；4.光生成载流子在半导体的体内复合 形成的体内复合损失 ；5.太阳能电池供给负荷的电力 在电流流动时从电极到半导体容体内电阻焦耳热的串 联电阻损失；6.电压因子损失。 太阳能电池作用的四个基本功能：1.光学整合 2.光载 流子生成 3.生成载流子的分极 4.载流子的收集电极。 高效率化的具体技术：1.入射到材料的光能的有效封 闭 2.光生载流子的有效收集和光电效果的增大 3.光生 载流子的复合损失的减少 4.直接电阻损失的减少（串 联电阻）5.电压因子损失的减少（并联电阻）6.更宽 光谱的光能的收集。 单晶硅太阳能电池的特点：1.作为原料的硅材料在地壳 中含量丰富，对环 境基本上没有影响；2.单晶制备以 及 pn 结的制备都有成熟的集成电路工艺作保证；3.硅 的密度低，材料轻。即使是 50μm 以下厚度的薄板也 有很好的强度；4.与多晶硅、非晶硅比较，转换效率高； 5.电池工作稳定，已实际用于人造卫星等方面，并且可 以保证 20 年以上的工作寿命。 电池片工程的三个过程：1.原材料制造单晶硅棒；2.将 单晶硅棒切断，加工成半圆片状；3.形成 pn 结，加入 电极，制成电池片。 CZ 法主要过程：熔化、稳定、引晶、缩径、放肩、等 径。 多晶硅太阳能电池薄膜晶粒的改善技术：当生长的硅 薄膜为多晶或非晶态时，由于晶界会影响到转换效率， 所以可以采用一些高温处理方法来增加晶粒的大小， 以降低晶界的总面积：1.ZMR 再结晶；2.金属诱发结晶 化；3.退火处理；4.激光诱发再结晶。 非晶硅太阳能电池特点：1.具有较高的光吸收系数；2. 非晶硅的禁带宽度比单晶硅要大，随制备条件的不同约 在 1.5-2.0ev 的范围内变化，这样制出的非晶硅太阳能 电池的开路电压高。3.制备非晶硅的设备和工艺简单， 淀积温度低，时间短，适于大批生产；4.由于非晶硅没 有晶体的周期性原子排列，可以不考虑制备晶体所必须 考虑的材料与衬底间的晶格失配问题。因而可以淀积在
第一章 准费米能级：非平衡态的电子与空穴各自处于
热平衡态--准平衡态,可以定义EFn、EFp分别为电子和空
穴的准费米能级。 细致平衡原理：在稳态下，各种能级上的电子和空穴 数目应该保持不变。 间接复合的四个过程：a：电子被复合中心俘获；b： 复合中心上的电子激发到导带；c：空穴被复合中心俘 获；d 空穴的产生 PN 结空间电荷区的形成过程：载流子的扩散和漂移 当 N 型和 P 型材料接触时，在 P 型中的空穴向 N 型一 边扩散，在 N 型中的电子向 P 型区扩散。由于电子和 空穴的扩散，在互相靠近的 N 侧和 P 侧分别出现了没 有载流子补偿的，固定的施主离子和受主离子—空间 电荷。空间电荷建立了一个电场—空间电荷区电场， 也叫内建电场。内建电场沿着抵消载流子扩散趋势的 方向，它使载流子向与扩散运动相反的方向漂移。在 热平衡时，载流子的漂移运动和扩散运动达到动态相 平衡，使得净载流子流为零。结果，建立一个确定的 空间电荷区。 来自百度文库特基势垒的形成过程：电子将从半导体渡越到金属， 使半导体表面出现未被补偿的离化施主的正电荷，金 属表面则积累负电荷， 同时二者的费米能级拉平。金 属表面的负电荷是多余出来的导电电子，占据很薄一 层。半导体中施主浓度比金属中电子浓度低几个数量 级，所以半导体中的正电荷占据较厚的薄层，在半导 体表面形成空间电荷层。 欧姆接触：定义为这样一种接触，它在所使用的结构 上不会添加较大的寄生阻抗，且不足以改变半导 体内 的平衡载流子浓度使器件特性受到影响。 异质结定义：由两种基本物理参数（如禁带宽度）不 同的半导体单晶材料组成的结。 异质结的特性：（1）异质结的高注入比；（2）异质结 的超注入现象；（3）异质结对载流子和光的限制；（4） 异质结的“窗口效应” 异质结的窗口效应：两种半导体在一起形成异质结时， 由于禁带宽度不同，对光波的吸收波长也不同，即光 响应不同。只有在光子能量处于 Eg1<hv<Eg2 的区域 时异质结才有光响应（光子穿透宽带材料而被窄带材 料吸收，产生光电流），这一区域之外光响应很小，这 就是所谓的异质结的窗口效应。 量子阱：两个靠得足够近的相向异质结可以构成理想 的矩形势阱，当阱宽可以和电子的德布罗意波长相比， 而 势垒的宽度较大，使两个相邻势阱中的电子波函数 不能互相耦合（不发生交叠），即形成量子阱 超晶格：由两种或两种以上性质不同的薄膜相互交替 生长而形成的多层结构的晶体。一般其周期长度 要比 各薄膜单晶的晶格常数大几倍或更多。 量子阱和超晶格的异同 多量子阱：势垒足够厚和高时，相邻势阱中的电子波 函数不发生交叠电子行为如同单个阱中电子行为的简 单总和。适合制作低阈值， 窄谱线的发光器件。 超晶格：势垒比较薄和高度比较低时，由于隧道共振 效应 使阱中的电子隧穿势垒，势阱中分立的电子能级 形成了子能带。适合制作大功率的发光器件。 第二章 外延生长：在经过仔细加工的晶体衬底的 表面上， 在一定的条件下（如温度、真空、气流等）， 某些 物质的原子或分于会依照一定的晶向和结构在衬 底 止规则地排列，形成新的一层单晶层，其晶休的取 向和结构会类同于原衬底，这个单晶层称之为外延 层， 这种生长外延层的技术称之为外延生长。 MBE 系统的主要特点：①预处理室和生长室都是超高 真空，通常预处理室的真空度<10-7Pa，生长室的真空 度<10-8Pa；②生长所用的源为固态或气态的原子、分 子，且为高纯的；③生长速率缓慢可控，可实现单原子 层外延生长，可实现各种超晶格、量子结构；④生长过 程中可实现实时控制，采用 RHEED（反射高能电子衍 射仪）、俄歇电子能谱仪等，能够实 时地测量外延层的 生长情况、原子再构、晶体质量、 组分分布等，适合 生长机理的分析和研究；⑤纯度、组分分布、掺杂分布 可控，可获得高纯度、均匀组分、突变组分或渗杂的各 类异质结构；⑥晶体完整性最好，可消除各类缺陷，如 单晶锭生长中的深能级 EZ 等，外延层的位错密度可以 低于衬底的位错密度；⑦MBE 的实验设备庞大，价格 昂贵，操作复杂， 耗费原料，适宜于研究工作，不太 适宜于大批量生产。 MBE 外延生长机理：分子束外延生长是加热的组元的 原子束或分子束入射到加热的衬底表面，与衬底表面进 行反应的过程，它 是从气相到凝聚相，再通过一系列 表面过程的最终结果。 MOCVD 系统的主要特点：①生长所用的源都为气体， 对于 III 族或 II 族源来说，采用它们的金属有机物气体， 对于 V 族或 VI 族来说，则采用它们的烷类气体；生
长室为常压或低压，无需超高真空；②生长温度不太高 （600～700 ℃），生长速率较快，可实现各种超晶格、 量子结构；③纯度、组分分布、掺杂分布可控，可获得 高纯度、均匀组分、突变组分或掺杂的各类异质结构； ④晶体完整性好，可消除各类缺陷；⑤生长过程中由计 算机预先设计好的程序控制，可控性好，但不能进行实 时监测；⑥生长快，生长速度可以高达μm/min，片数 多，可同时生长许多片，重复性好，适宜于大批量生产； ⑦MOCVD 的实验设备比较昂贵，所用的源气体的毒性 很大，需要特别注意安全防护措施。 MOCVD 生长过程的主要阶段：(1) 反应物气体混合物 输运到外延生长区；(2) 反应物分子通过扩散，穿过边 界层到达衬底表面；(3) 吸附分子间或吸附物与气体分 子间发生化学反应生成晶体原子和气体副产物；(4) 生 成的晶体原子沿衬底表面扩散到衬底表面上晶格的扭 曲或台阶处结合进晶体点阵；(5) 副产物从表面脱附扩 散穿过边界层进入主气流中被排出系统。 光刻技术：是通过类似照相的曝光技术或电子束扫描、 X 光曝光等手段，将已经设计好的器件图案转移至半导 体衬底或外延片上 刻蚀技术：是通过化学腐蚀（湿法刻蚀）或离子溅射、 离子或等离子刻蚀（干法刻蚀）将光刻形成的图案变成 半导体衬底和外延片自身的立体图形。 第三章 辐射复合：在复合过程中电子多余的能量可 以以辐射的形式（发射光子）释放出来，这种复合称为 辐射复合。 非辐射复合：在复合过程中电子的多余能量也可以以 其它形式释放出来，而不发射光子，这种复合称为非辐 射复合。 辐射复合的 5 种主要形式：浅能级和主带的复合；施 主 D-受主 A 对复合；通过深能级的复合；激子复合； 等电子陷阱复合。 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 俄歇复合：电子和空穴复合时，把多余的能量传递给 第三个载流子，使它在导带或价带内部激发。第三个载 流子在能带的连续态中做多声子发射跃迁，来耗散多余 的能量而回到初始状态。 LED 的发光过程：当正向偏压加于 PN 结的两端时， 载流子注入穿越 PN 结，使得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，能量以热（声 子）或光（光子）的形式释放。 外量子效率：为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。 内量子效率：单位时间内半导体的辐射复合产生的光 子数与注入载流子的数目之比。 减少材料吸收而产生的损失采取的措施：（1）要有厚 的窗口层（Window Layer）或电流分布层使电流能均匀 分布并增大表面透过率；（2）用电流局限（Current Blocking）技术使电流不在接触区域下通过；（3）用透 明、不吸收光材料作衬底（Substrate）或者在活性层下 设置反射镜将光反射至表面。 增加光取出效率的方法【1.增加内部量子效率：用最佳 活性层- 量子阱作活性层就可以增加发光效率；用光子 循环（Photon Recycling）的方法，希望放出的光在内 循环中不被吸收而再放出。（光子循环是自发的光没有 被吸收而被活性层吸收再变成载流子，这样可以节省电 流、增加效率）；改进材料的质量、减少缺陷，尤其是 位错等。2.改进内部结构：改善电流分布；电流局限层； 透明沉底或反射镜。3..改变表面结构及外形：半圆形球 面；表面织状结构或粗糙面；几何形状改变的结构；衬 底上有高反射镜。4.基本结构的改变：光子晶体；超级 发光二极管；谐振腔发光二极管】； 提高红光 LED 效率通常采用的方法：斜边结构；组织 结构的粗糙面；组织粗糙面加斜边；小反射镜 LED； 衬底上有金属反射镜。 提高蓝光及绿光 LED 效率通常采用的方法：大面积； FC LED；组织粗糙面；几何变形结构；薄膜 LED；图 形衬底 FC LED（结构如何，为什么要采用倒装技术） 答：1.p-GaN 层有限的电导率要求在 p-GaN 层表面再沉 淀一层电流扩散的金属层。这个电流扩散层由 Ni 和 Au 组成，会吸收部分光，从而降低芯片的出光效率。2. 为了减少发射光的吸收，电流扩展层的厚度应减少到几 百纳米。厚度的减少反过来又限制了电流扩散层在 p-GaN 层表面均匀和可靠地扩散大电流的能力。因此这 种 p 型接触结构制约了 LED 芯片的工作功率。3.同时 这种结构 pn 结的热量通过蓝宝石衬底导出去，导热路 径较长，由于蓝宝石的热导系数较金属低，因此，这种 结构的 LED 芯片热阻会较大。4.这种结构的 p 电极和 引线也会挡住部分光线，所以，这种正装 LED 芯片的 器件功率、出光效率和热性能均不可能是最优的。