半导体物理半导体的物理效应(课堂PPT)
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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。
第5章 导电物理
5.1 概述 5.2 材料的导电性能 5.3 金属电导 5.4 半导体物理 5.5 超导物理
1
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
2
5.4.2 半导体的物理效应
14
半导体p-n结发光的原理
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。
源自文库
荧光材料
电视机显示屏所用的荧光材料 夜光材料 • ZnS∶Cu
• SrAl2O4∶Eu,Dy
11
图5.20 SrAl2O4∶Eu,Dy长余辉材料的发光原理 12
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。
13
平衡p-n结 正偏注入发光
27
近年来，TiO2半导体的光催化性能引起 人们的重视。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。
8
余辉时间
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。
9
图5.19 余辉产生原理
10
25
图5.25 光伏特效应原理 26
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。
15
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。
16
图5.22 材料发光与能级跃迁 17
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。
18
图5.23 发光二极管的发光颜色与材料成分的关系
19
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。
4
图5.18 荧光产生原理
(a) 金属;
(b) 半导体
5
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。
6
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。
21
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。
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。
22
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。
23
图5.24半导体激光产生原理
24
5.4.2.4 光伏特效应
光激发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。
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。
7
余辉现象
如果荧光材料中含有一些微量杂质，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。
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
3
5.4.2.1 余辉效应
光致发光效应
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。
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。
第5章 导电物理
5.1 概述 5.2 材料的导电性能 5.3 金属电导 5.4 半导体物理 5.5 超导物理
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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
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5.4.2 半导体的物理效应
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半导体p-n结发光的原理
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。
源自文库
荧光材料
电视机显示屏所用的荧光材料 夜光材料 • ZnS∶Cu
• SrAl2O4∶Eu,Dy
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图5.20 SrAl2O4∶Eu,Dy长余辉材料的发光原理 12
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。
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平衡p-n结 正偏注入发光
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近年来，TiO2半导体的光催化性能引起 人们的重视。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。
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余辉时间
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。
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图5.19 余辉产生原理
10
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图5.25 光伏特效应原理 26
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。
15
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。
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图5.22 材料发光与能级跃迁 17
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。
18
图5.23 发光二极管的发光颜色与材料成分的关系
19
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。
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图5.18 荧光产生原理
(a) 金属;
(b) 半导体
5
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。
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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。
21
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。
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。
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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。
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图5.24半导体激光产生原理
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5.4.2.4 光伏特效应
光激发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。
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。
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余辉现象
如果荧光材料中含有一些微量杂质，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。
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
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5.4.2.1 余辉效应
光致发光效应
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。