半导体发光材料 (2)_PPT幻灯片
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半导体发光二极管(PPT课件)
• 当注入电子在PN结附近与空穴复合时，将发出 某种光频率的电磁辐射。复合发出的光波波长由 E g 决定 禁带宽度
hc 1.2398 m / eV Eg Eg•Leabharlann h 式中，h 是普朗克常数，
=4.13570*10-15；c是 光速； E是取决于半导体材料的固有值。 g
• 并非所有材料在诸如电子与空穴复合时都 发出有用的光波。在电子和空穴复合时， 也有一些材料释放的能量变成热耗散没有 产生光，有一些则可能一部分变成热能而 另一部分产生光。半导体砷化镓（GaAs） 等材料在诸如电子和空穴复合时，发出有 用的光辐射概率很大，因此被广泛的用作 为半导体发光材料。
光的受激吸收
• 处在低能级E1的原子吸收外来能量ε=hγ= E2-E1， 由于外来光的激励而跃迁到高能级E2。 特点： • 外来光子能量满足ε=hγ= E2-E1时，才能引起受激 吸收。 • 与光的受激辐射过程相反，且发生的概率相同。 • 受激吸收概率和感应光场的强度成正比。
原子的自发辐射、受激吸收和受激辐射
• 当自然辐射所产生的光子通过晶体时，一旦经 过已激发的电子附近，该电子就以某种几率受 到光子的激励，来不及自然辐射就和空穴复合 放出新的光子。这种由光子诱使以激发电子复 合而放出新光子的现象，称为受激辐射。如果 注入电流足够强，形成和热平衡状态相反的电 子分布（粒子束反转分布），这样就能形成很 大的辐射密度。除克服吸收、散射等损耗外， 自然辐射的光激励电子复合过程，被受激励辐 射加速，激光作用开始，再加上反射反馈，便 产生激光。半导体激光二极管的发光就是基于 这种受激辐射。
三. 光 源
外界参量
光 源
光纤
信号 调制
光纤
光探 测器
信号 处理
半导体材料总结ppt课件
ppt课件.
23
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GaAs电学性质
电子迁移率高达 8000cm2 VS
GaAs中电子有效质量为自由电子的1/15， 是硅电子的1/3
用GaAs制备的晶体管开关速度比硅的快 3~4倍
高频器件，军事上应用
ppt课件.
24
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本征载流子浓度
T 3 0 0 K n i 1 .3 1 0 6/c m 3
体心原子的划分，属于每个晶胞 1
ppt课件.
9
9
（c）面心立方晶体 6个面中心各有1个原子， 6*1/2=3原子； 8个顶角各有1个原子，8*1/8=1个原子。 每个面心立方晶胞有4个原子。
ppt课件. 面心原子的划分，属于每个晶胞 110/2
10
（2）半导体材料的能带结构
间接带隙结构 直接带隙结构
∶ ∶
ppt课件.
4
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按组成
元素半导体 无机半导体
化合物半导体
有机半导体
按结构
晶体
单晶半导体 多晶半导体
非晶、无定形半导体
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5
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3.半导体材料的基本性质及应用
(1)半导体的晶体结构 (2)半导体的能带结构 (3) 半导体的杂质和缺陷 (4) 半导体的电学性质 (5) 半导体的光学性质
带隙大小
ppt课件.
11
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(3) 半导体的杂质和缺陷
轻掺杂
掺杂浓度为1017 cm-3 杂质离子100%电离
中度掺杂 掺杂浓度为1017～1019 cm-3 载流子浓度低于掺杂浓度
重掺杂 掺杂浓度大于1019 cm-3
ppt课件.
12
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硅中的杂质
1. n型掺杂剂：P，As，Sb
半导体器件的基础知识幻灯片PPT
将而要施主出杂现质电因子失数去一大个于价空电穴子数成为或正空离穴子数。大而在于这电种子半数导。体 把 数中目载多流的子载主流要子是称自多数由 载电流子子，，自数由目电少子的带载负流子电 称荷少 数〔载Ne流ga子tiv。e〕是，自故由命电名为子N为型多半数导体还。是于空是穴用为这样多的数示，意取图 决 于表掺示。杂物质。少数载流子的浓度取决本征激发。
2. P型半导体
+4
+4
+4
+4
++43
+4
P型
+4
+4
+4
受主杂质
受主杂质容易获得一个价电子成为负离子，而在这种半 导体中载流子主要是空穴，空穴带正电荷〔Positive〕故命 名为P型半导体。于是用这样的示意图表示。
P型半导体中的多数载流子为空穴，少数载流子 为自由电子
1.1.4 PN结
1.PN结的形成
导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体， 这类材料大都是三、四、五价元素,主要有：硅、锗、磷、
硼、在砷这、铟里等，，我他们们的的电目阻的率不在是10研-3～究10半7欧导.厘体米材。料 ， 而是借助半导体材料的特性来建立一些概念和术 语半，导体如材多料数的、广少泛数应用载，流并子不，是P因型为半它导们的体导、电N能型力半介 于导导体体与，绝P缘N体结之，间载，而流是子它的们扩具散有一与些漂重移要运特动性：， PN 结1〕的当正半反导偏体置受，到外PN界结光的和热导的通激与发截〔止本等征。激发〕时，
2.PN结的单向导电性
1〕PN结的电阻
2〕由导于通空的间含电义荷区中的载流子极少，故PN结 改 的的的降3在〕厚导截变外电多落实P止度通和 加P阻，在N用N。越，控 电P很 假结结中N厚是制 压大 设的电结，电指电，， 在偏阻上为P阻此阻P与 两置。的N了的称越P端结大区改大为大加呈小和变小给电，现与N、。P压反区低N空控常，之结的电间制在可越设体阻电P认P小电置NN值荷为。结阻偏结，区其所N的相置上的反电谓厚比电加厚之压P要度压上度，N全大，一，有结 称部定简以关的 为， 称偏置。
2. P型半导体
+4
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P型
+4
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受主杂质
受主杂质容易获得一个价电子成为负离子，而在这种半 导体中载流子主要是空穴，空穴带正电荷〔Positive〕故命 名为P型半导体。于是用这样的示意图表示。
P型半导体中的多数载流子为空穴，少数载流子 为自由电子
1.1.4 PN结
1.PN结的形成
导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体， 这类材料大都是三、四、五价元素,主要有：硅、锗、磷、
硼、在砷这、铟里等，，我他们们的的电目阻的率不在是10研-3～究10半7欧导.厘体米材。料 ， 而是借助半导体材料的特性来建立一些概念和术 语半，导体如材多料数的、广少泛数应用载，流并子不，是P因型为半它导们的体导、电N能型力半介 于导导体体与，绝P缘N体结之，间载，而流是子它的们扩具散有一与些漂重移要运特动性：， PN 结1〕的当正半反导偏体置受，到外PN界结光的和热导的通激与发截〔止本等征。激发〕时，
2.PN结的单向导电性
1〕PN结的电阻
2〕由导于通空的间含电义荷区中的载流子极少，故PN结 改 的的的降3在〕厚导截变外电多落实P止度通和 加P阻，在N用N。越，控 电P很 假结结中N厚是制 压大 设的电结，电指电，， 在偏阻上为P阻此阻P与 两置。的N了的称越P端结大区改大为大加呈小和变小给电，现与N、。P压反区低N空控常，之结的电间制在可越设体阻电P认P小电置NN值荷为。结阻偏结，区其所N的相置上的反电谓厚比电加厚之压P要度压上度，N全大，一，有结 称部定简以关的 为， 称偏置。
半导体照明课件 7 第5章 半导体发光材料体系
按组成的元素数目：三元系半导体（InxGa1-xN） 四元系半导体(InxGa1-xAs1-yPy) 五元，．．．
半导体固溶体
3.大多数固溶体半导体为代位结构，溶质原子和溶剂原子 具有相同的原子价类型。
如三元系AlxGa1-xA 是由GaAs, AlAs 同位替换形成的半导体合金。
5
镉Cd 铟In
锑Te
III－V族化合物半导体材料 (AlN,InN,GaN,AlP,InP,GaP,AlAs,InAs,GaAs等)
II－VI族化合物半导体材料（ZnO, CdTe, ZnSd等）
常见III－V族化合物半导体材料的性质
化合物
GaAs GaP GaN InAs InP InN AlN
现有的III-V族化合物中直接带隙材料如GaAs等， Eg=1.43eV不够，而那些Eg大的材料（如GaP）又都为间 接带隙，发光效率不高。
为了综合利用这两类材料的优点，一种重要的半导体 材料体系是基于GaAs和GaP的三元III-V族合金材料。
二、制备LED所用的半导体材料
1)、基于GaAs和GaP的三元III- V族合金材料 在这种合金材料材料中，V族As和P原子随机分布在
由度，主要是InGaAlP具有以下优点：
• 是直接跃迁材料，发光复合几率大，发光效率高； • 可以制造优良的PN结，且p、n型晶体的电阻率都很低 • 采用合适的衬底GaAs和MOCVD外延生长技术可以制得完
好的优良晶体。
二、制备LED所用的半导体材料 3、四元III-V族合金材料 (3). 四元III-V族合金材料的优点
半导体固溶体性质
1. 带隙宽度：
对于三元系 AxB1-xC ，其能隙
E ABC g
(x)
半导体固溶体
3.大多数固溶体半导体为代位结构，溶质原子和溶剂原子 具有相同的原子价类型。
如三元系AlxGa1-xA 是由GaAs, AlAs 同位替换形成的半导体合金。
5
镉Cd 铟In
锑Te
III－V族化合物半导体材料 (AlN,InN,GaN,AlP,InP,GaP,AlAs,InAs,GaAs等)
II－VI族化合物半导体材料（ZnO, CdTe, ZnSd等）
常见III－V族化合物半导体材料的性质
化合物
GaAs GaP GaN InAs InP InN AlN
现有的III-V族化合物中直接带隙材料如GaAs等， Eg=1.43eV不够，而那些Eg大的材料（如GaP）又都为间 接带隙，发光效率不高。
为了综合利用这两类材料的优点，一种重要的半导体 材料体系是基于GaAs和GaP的三元III-V族合金材料。
二、制备LED所用的半导体材料
1)、基于GaAs和GaP的三元III- V族合金材料 在这种合金材料材料中，V族As和P原子随机分布在
由度，主要是InGaAlP具有以下优点：
• 是直接跃迁材料，发光复合几率大，发光效率高； • 可以制造优良的PN结，且p、n型晶体的电阻率都很低 • 采用合适的衬底GaAs和MOCVD外延生长技术可以制得完
好的优良晶体。
二、制备LED所用的半导体材料 3、四元III-V族合金材料 (3). 四元III-V族合金材料的优点
半导体固溶体性质
1. 带隙宽度：
对于三元系 AxB1-xC ，其能隙
E ABC g
(x)
半导体材料发光的能带理论PPT课件
研究方 研究成 谱是处于禁带中的分立的定域能级。用Ex表示激子能级与导带底Ec间的能量间 案 果 隔，则在直接间隙导体中，激子复合所发射的光子能量为：
hv=Eg-Ex 在间接带隙半导体中：
hv==Eg-Ex-Ep Ep为声子能量
三、纳米氧化锆发光原理
3.1 纳米氧化锆的光学特性
纳米氧化锆的光学特性就是通过光致发光分析其激发发射光谱，主要针对其光 致发光光谱的测试与讨论。
空带：原来孤立原子的电子未能形成满壳层，过渡到能带后，电子也不能填满
能带中的所有状态，这样的能带叫空带。
研究方 价带：最高的满带。
导带：最低的空带。
案 禁带：价带和导带之间的区域。
研究成 果
二、半导体材料发光理论
2.1 半导体发光分类
（1）限于发光中心内部的电子跃迁：发光中心可以从晶体内的其他杂质或从 晶格间接获得能量，也可直接受到载流子的碰撞，使发光中心电离或使电子从 基态跃迁到激发态。 （2）导带电子同价带空穴的复合：当晶体内部形成空位时，电子可由杂质中
能量守恒、准动量守恒的条件。
二、半导体材料发光理论
能量守恒：hv=跃迁前后电子能量差±Ep 准动量守恒：hk-hk'±hq=光子动量
“-”代表吸收声子，“+”代表发射声子
由于声子能量相对于光子能量较小，因此Ep可以忽略，
得到：hv=跃迁前后电子研能究量差方
研究成
案 同样忽略光子动量得到：k'-k=±q
量守恒
案 果 hk-hk'=光子动量
因为一般半导体中吸收光子动量远小于能带中电子动量，所以光子动量可忽略
不计，上式变为
hk=hk' → k=k'
即在跃迁过程中，波矢可视为不变，跃迁前状态与跃迁后状态位于同一垂直线
hv=Eg-Ex 在间接带隙半导体中：
hv==Eg-Ex-Ep Ep为声子能量
三、纳米氧化锆发光原理
3.1 纳米氧化锆的光学特性
纳米氧化锆的光学特性就是通过光致发光分析其激发发射光谱，主要针对其光 致发光光谱的测试与讨论。
空带：原来孤立原子的电子未能形成满壳层，过渡到能带后，电子也不能填满
能带中的所有状态，这样的能带叫空带。
研究方 价带：最高的满带。
导带：最低的空带。
案 禁带：价带和导带之间的区域。
研究成 果
二、半导体材料发光理论
2.1 半导体发光分类
（1）限于发光中心内部的电子跃迁：发光中心可以从晶体内的其他杂质或从 晶格间接获得能量，也可直接受到载流子的碰撞，使发光中心电离或使电子从 基态跃迁到激发态。 （2）导带电子同价带空穴的复合：当晶体内部形成空位时，电子可由杂质中
能量守恒、准动量守恒的条件。
二、半导体材料发光理论
能量守恒：hv=跃迁前后电子能量差±Ep 准动量守恒：hk-hk'±hq=光子动量
“-”代表吸收声子，“+”代表发射声子
由于声子能量相对于光子能量较小，因此Ep可以忽略，
得到：hv=跃迁前后电子研能究量差方
研究成
案 同样忽略光子动量得到：k'-k=±q
量守恒
案 果 hk-hk'=光子动量
因为一般半导体中吸收光子动量远小于能带中电子动量，所以光子动量可忽略
不计，上式变为
hk=hk' → k=k'
即在跃迁过程中，波矢可视为不变，跃迁前状态与跃迁后状态位于同一垂直线
光电子发光与显示技术 第二章 半导体发光显示器件(LED)PPT课件
光电子技术精品课程
1、定义：发光二极管（LED）是一种固态发光， 是利用半导体或类似结构把电能转换成光能 的元件，属于低场下的注入式电致发光。
2、特点： ❖ 亮度高，室温下，全色LED大屏幕，5000－
10000cd/m2 ❖ 工作电压低，1－5V，可与Si逻辑电路匹配 ❖响应速度快，10－7 － 1 0－9s ❖ 彩色丰富，已研制出红绿蓝和黄橙的LED ❖ 尺寸小，寿命长（十万小时） ❖ 视角宽，96年，达80度；97年，达140度
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§2 半导体发光显示器件（LED）
❖ What is LED? ❖ Light emitting diodes,
commonly called LEDs, are used for dozens of different applications and are found in all kinds of devices (digital clocks, remote controls, light up watches and tell turned on indicator). ❖ Television screen
LED
发展光史电到子低技术能精走品多课远程,不
❖LED技术研发之路，最为人津津乐道的故 事，就是开发蓝光LED时，碳化硅(SiC)与 氮化镓(GaN)两大门派之争 ；
❖之前，全球许多大公司皆投入SiC研发，结 果日本一家专门做荧光粉业务的公司—— 日本日亚化工公司(Nichia Chemical Industries Ltd.)的研发人员中村修二先生 (Shuj Nakamura)於1994年和1995年，在 氮化镓(GaN)研究方面获得重大突破，并取 得震惊全球的专利
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1、定义：发光二极管（LED）是一种固态发光， 是利用半导体或类似结构把电能转换成光能 的元件，属于低场下的注入式电致发光。
2、特点： ❖ 亮度高，室温下，全色LED大屏幕，5000－
10000cd/m2 ❖ 工作电压低，1－5V，可与Si逻辑电路匹配 ❖响应速度快，10－7 － 1 0－9s ❖ 彩色丰富，已研制出红绿蓝和黄橙的LED ❖ 尺寸小，寿命长（十万小时） ❖ 视角宽，96年，达80度；97年，达140度
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§2 半导体发光显示器件（LED）
❖ What is LED? ❖ Light emitting diodes,
commonly called LEDs, are used for dozens of different applications and are found in all kinds of devices (digital clocks, remote controls, light up watches and tell turned on indicator). ❖ Television screen
LED
发展光史电到子低技术能精走品多课远程,不
❖LED技术研发之路，最为人津津乐道的故 事，就是开发蓝光LED时，碳化硅(SiC)与 氮化镓(GaN)两大门派之争 ；
❖之前，全球许多大公司皆投入SiC研发，结 果日本一家专门做荧光粉业务的公司—— 日本日亚化工公司(Nichia Chemical Industries Ltd.)的研发人员中村修二先生 (Shuj Nakamura)於1994年和1995年，在 氮化镓(GaN)研究方面获得重大突破，并取 得震惊全球的专利
光电子技术精品课程
《半导体器件》PPT课件
b
+
D1
RL uO
D2
_
输出 波形
1.3.3 限幅电路
+ –
R
D1
D2
++
A Ri
––
工作原理
a. 当ui较小使二极管D1 、D1截止时
电路正常放大
b. 当ui 较大使二极管D1 或D1导通时
+ –
输入电压波形
ui
R
D1
D2
++
A Ri
––
0 t
R
+
D1
D2
++
A Ri
–
––
输出端电压波形
ui
因此，理想二极管正偏时，可视为短路线；反偏 时，可视为开路。
在分析整流，限幅和电平选择时，都可以把二极 管理想化。
1.3 半导体二极管的应用
1.3.1 在整流电路中的应用
整流电路（rectifying circuit）把交流电能转换为直流电能的电
路。
整流电路主要由整流二极管组成。经过整流电路之后的电压已经不 是交流电压，而是一种含有直流电压和交流电压的混合电压，习惯上 称单向脉动性直流电压。
1.2 半导体二极管
二
1.2.1 半导体二极管的结构和类
极
型
外壳
引线 阳极引线
管
铝合金小球
就
是
PN结
一
N型锗片
触丝
个
N型硅
金锑合金
封
底座
装
的
阴极引线
PN
结
点接触型
平面型
半导体二极管的外型和符号
正极
第1章半导体发光及器件汇总PPT课件
二、典型半导体发光材料
激子：
空穴带正电，自由电子带负电，它们之间的库仑吸引互作 用在一定的条件下会使它们在空间上束缚在一起，这样形 成的复合体称为激子。
1.2 半导体发光材料
二、典型半导体发光材料
激子的俘获：
一个电荷(电子或空穴)首先被缺陷的近程势所束缚，使 缺陷中心带电,然后再通过库仑互作用(远程势)束缚一个电 荷相反的空穴或电子，形成束缚激子 。
间接带隙半导体材料：光电探测器
1 .1 半导体及半导体发光基础
1.1.1 半导体物理基础
本征半导体：
本征半导体是纯净而不含任何杂质的理想半导体材料。
由于晶体中原子的热振动，价带中的一些电子被激发到 导带，同时在价带中留下空穴，形成电子-空穴对。因此， 本征半导体中的电子浓度与空穴浓度相等。
1 .1 半导体及半导体发光基础
1.2 半导体发光材料
二、典型半导体发光材料
GaP 间接带隙宽度2.26eV，典型的间接发光材料。在GaP中
通过掺入杂质(例如N)，产生等电子陷阱，俘获激子，通 过激子复合实现发光。
在半导体发光材料中具有较高的发光效率。并且通过掺 入不同的发光中心，可以直接输出红、绿、黄灯等种不同 颜色的光。
1.2 半导体发光材料
GaN是性能优良的短波长半导体发光材料，可用于蓝光 及紫光发光器件。
1.2 半导体发光材料
二、典型半导体发光材料
InGaAsP
In1-xGax As1-yPy四元固溶体。通过组分x和y的调节，覆盖波 长范围从870nm(GaAs)至3.5μm(InAs)，该范围包含了光 纤通讯波长1.3和1.55μm。光纤通讯所用1.3和1.55μm半 导体光源即主要采用InGaAsP材料。
激子：
空穴带正电，自由电子带负电，它们之间的库仑吸引互作 用在一定的条件下会使它们在空间上束缚在一起，这样形 成的复合体称为激子。
1.2 半导体发光材料
二、典型半导体发光材料
激子的俘获：
一个电荷(电子或空穴)首先被缺陷的近程势所束缚，使 缺陷中心带电,然后再通过库仑互作用(远程势)束缚一个电 荷相反的空穴或电子，形成束缚激子 。
间接带隙半导体材料：光电探测器
1 .1 半导体及半导体发光基础
1.1.1 半导体物理基础
本征半导体：
本征半导体是纯净而不含任何杂质的理想半导体材料。
由于晶体中原子的热振动，价带中的一些电子被激发到 导带，同时在价带中留下空穴，形成电子-空穴对。因此， 本征半导体中的电子浓度与空穴浓度相等。
1 .1 半导体及半导体发光基础
1.2 半导体发光材料
二、典型半导体发光材料
GaP 间接带隙宽度2.26eV，典型的间接发光材料。在GaP中
通过掺入杂质(例如N)，产生等电子陷阱，俘获激子，通 过激子复合实现发光。
在半导体发光材料中具有较高的发光效率。并且通过掺 入不同的发光中心，可以直接输出红、绿、黄灯等种不同 颜色的光。
1.2 半导体发光材料
GaN是性能优良的短波长半导体发光材料，可用于蓝光 及紫光发光器件。
1.2 半导体发光材料
二、典型半导体发光材料
InGaAsP
In1-xGax As1-yPy四元固溶体。通过组分x和y的调节，覆盖波 长范围从870nm(GaAs)至3.5μm(InAs)，该范围包含了光 纤通讯波长1.3和1.55μm。光纤通讯所用1.3和1.55μm半 导体光源即主要采用InGaAsP材料。
一种典型半导体材料SiC2PPT课件
2.SiC衬底的制备
SiC单晶的加工：
要求：表面超光滑、无缺陷、无损伤。 重要性：直接影响器件的性能。 难度：SiC的莫氏硬度为9.2，难度相当大。
工艺流程： 切割：用金刚线锯。 粗、精研磨：使用不同粗细的碳化硼和金刚石颗粒加 粗磨和精磨。 粗抛光：机械抛光，用微小的金刚石粉粒进行粗抛。 精抛光：化学机械抛光。
国内在SiC生长起步较晚，目前主要是山东大学、中科院上海硅酸盐研究所、中科院 物理所等单位开展SiC单晶生长制备技术研究，山东大学2019年在实验室生长出了3英寸
6H-SiC单晶。
2.SiC衬底的制备
物理气相传输法（PVT）：
核心装置如右图所示：
SiC原料的升华和晶体的再生长在一个封闭的石墨 坩埚内进行，坩埚处于高温非均匀热场中。SiC原料 部分处于高温中，温度大约在2400~2500摄氏度。 碳化硅粉逐渐分解或升华，产生Si和Si的碳化物混 合蒸汽，并在温度梯度的驱使下向粘贴在坩埚低温 区域的籽晶表面输送，使籽晶逐渐生长为晶体。
5.SiC光电器件的前景
随着各个国家在SiC项目上投入力度的加大，SiC功率器件面临的技术难题正 在逐步降低，只要SiC功率器件可靠性问题解决，随着大尺寸SiC器件的发展， 价格最终不会成为制约的瓶颈。
随着SiC功率器件在民用领域特别是电动汽车领域的推广应用，相信不久的将 来，SiC功率器件会大量的应用于军事和民用的各个领域。
SiC紫外探测器： PN结型 PIN型 异质结型 肖特基势垒型 金属-半导体-金属（MSM）型
6.SiC紫外探测器的制备
实例：SiC肖特基紫外光电探测器件的研制。
器件制备的半导体材料：4H-SiC；衬底： N+型，电阻率0.014Ω*cm，厚度300um； 外延层：N型，掺杂浓度3.3E15/cm3，厚度 10um。
《半导体材料》PPT课件
• 电子能级：能量单位是电子伏特（ev）， 代表一个电子从低电势处移动到高出1V的 电势处所获得的动能。
• 价电子层：给定一种原子，最外部的电子 层就是价电子层，对原子的化学和物理性 质具有显著的影响。
精选课件ppt
6
• 固体能带论：解释了固体材料中电子怎样 改变轨道能级。
• 离子：当原子失去或得到一个或多个电子 时成为离子。
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46
• 当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时， 交界面形成稳定的空间电荷区，即ＰＮ结 处于动态平衡。ＰＮ结的宽度一般为0.5um。
• PN结在未加外加电压时，扩散运动与漂移 运动处于动态平衡，通过PN结的电流为零。
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47
2.9半导体二极管的结构 1.点接触型二极管的结构
精选课件ppt
精选课件ppt
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26
硅的熔点是1412℃，是一种质硬的脆性材料，变 形很容易破碎，与玻璃相似。可以抛光得像镜面 一样平整。
本征半导体： 不含任何杂质和缺陷的纯净半导体， 其纯度在99.999999%（8~10个9）。
掺杂半导体：把特定的元素引入到本征半导体中， 可提高本征半导体的导电性。
Jn qDnn J p qDpp
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39
总的电流扩散密度为：
J Jn Jp
qD nnqD pp
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40
2.6载流子的迁移率 迁移率：漂移速度与外加电场强度之间的比例常数。
v E
载流子被电场加速的同时，将与晶格格点和晶格 中的杂质碰撞产生散射，各种散射机构决定了载 流子的迁移率的大小。
介电常数：介电材料是电容器中的关键部 分。介电常数K已经成为一个重要的半导体 性能参数。
• 价电子层：给定一种原子，最外部的电子 层就是价电子层，对原子的化学和物理性 质具有显著的影响。
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6
• 固体能带论：解释了固体材料中电子怎样 改变轨道能级。
• 离子：当原子失去或得到一个或多个电子 时成为离子。
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46
• 当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时， 交界面形成稳定的空间电荷区，即ＰＮ结 处于动态平衡。ＰＮ结的宽度一般为0.5um。
• PN结在未加外加电压时，扩散运动与漂移 运动处于动态平衡，通过PN结的电流为零。
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47
2.9半导体二极管的结构 1.点接触型二极管的结构
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25
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硅的熔点是1412℃，是一种质硬的脆性材料，变 形很容易破碎，与玻璃相似。可以抛光得像镜面 一样平整。
本征半导体： 不含任何杂质和缺陷的纯净半导体， 其纯度在99.999999%（8~10个9）。
掺杂半导体：把特定的元素引入到本征半导体中， 可提高本征半导体的导电性。
Jn qDnn J p qDpp
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39
总的电流扩散密度为：
J Jn Jp
qD nnqD pp
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40
2.6载流子的迁移率 迁移率：漂移速度与外加电场强度之间的比例常数。
v E
载流子被电场加速的同时，将与晶格格点和晶格 中的杂质碰撞产生散射，各种散射机构决定了载 流子的迁移率的大小。
介电常数：介电材料是电容器中的关键部 分。介电常数K已经成为一个重要的半导体 性能参数。
发光学-半导体发光与光谱技术ppt课件
3 .3 0
3 .3 5
3 .4 0
3 .4 5
P hoton E nergy (eV )
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4
3、反射光谱
R()----
0 .2 5
A
0 .2 0
B
33 K
R e fle c ta n c e (a .u )
0 .1 5
C
0 .1 0
3 .2
3 .3
3 .4
3 .5
3 .6
P hoton E nergy (eV )
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24
热释光和光释光
图3-29表示热释光TSL和光 释光OSL过程的能带图。
(a)激发：材料吸收能量，电子被激发到导带，并被陷阱T 俘获，同时价带中的空穴被发光中心L俘获，于是发光中心被 电离，电子陷阱被填充；
(b) 发光中心上的空穴和电子陷阱上的电子在激发下不断 积累和存储；
(c) 在加热或光照的刺激下，电子从陷阱中被释放到导带， 然后与发光中心上的空穴复合精选发ppt课光件，形成热释光或光释光。25
3-LO 4-LO
5-LO
500 1000 1500 2000 2500 3000
Raman shift (cm-1)
5-LO
1-LO
2-LO
3-LO 4-LO
500 1000 1500 2000 2500 3000
Raman shift (cm-1)
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12
半导体发光
价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带
跃迁: (可不需要声子参与) 动量守恒 能量守恒
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15
2. 间接带结构
导带的最低能量状态与价带的最高能量状态位于波矢空 间不同位置，价带最高能量状态在K空间原点（000），而 导带的最低能量状态则在第一布里渊区（111）L点或（100） X点方向的边界或边界附近。间接带半导体
半导体光电材料基础-2PPT课件
.
10
2.4.3 能带中的电子和空穴浓度
➢ 载流子浓度乘积 np：
npN cN vexp E c K T E v N cN vexp K E T g
✓ 电子和空穴的浓度乘积和费米能级无关，只决定 于带隙和温度，与所含杂质无关。
✓ 对于一定的半导体材料，在一定温度下，乘积np 是定值。
✓ 适用于热平衡状态下的本征半导体和杂质半导体。
✓ 外加电场不太强时，漂移电流满足欧姆定律 j=E， 为电导率。
✓ 电子电导率n=nqn——N型半导体（n>>p） ✓ 空穴电导率p=pqp ——P型半导体（p>>n） ✓ 半导体的电导率=q(nn+pp)
.
27
2.5.3 载流子的扩散运动和扩散电流
➢ 扩散运动：当半导体中出现不均匀的载流子分布 时，载流子将由浓度高的区域向浓度低的区域运 动，产生的电流称为扩散电流。
jnn qnE q D n n jpp qpE q D p p
➢ 总电流密度： j jn jp
对于分析器件在低电场状态下的工作情形
非常重要。然而在很高的电场状态下，电子和空
穴的漂移速度应该以饱. 和速度替代。
29
2.半导体物理基础
2.1 孤立原子中电子的运动状态 2.2 半导体中电子的运动状态和能带 2.3 杂质和缺陷能级 2.4 载流子的统计分布 2.5 半导体的导电性 2.6 非平衡载流子
级之下。受主浓度越高，费米能级越靠近价带顶。
温度升高，费米能级. 逐渐远离价带顶。
18
2.4.5 杂质半导体的载流子浓度
➢ 杂质补偿半导体：同时含有施主杂质和受主杂质。
✓ 由于施主能级上的电子首先要填充受主能级，使 施主向导带提供电子和受主向价带提供空穴的能 力减弱。
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定义：能够以某种方式吸收能量，并将其转化成光辐射的 体材料
半导体二极管、半导体激光器
半导
应用领域：
半导体材料的发展历程
一
以锗，硅半导体材料为主
主要用于低压、低频、中功率的晶体管和光电 探测器
二
以GaAs(砷化镓)、InP(磷化铟）为代表的半导体材料
制作高性能微波、毫米波器件及发光器 受激辐射占主导地位 2 粒子数反转分布 3 有光学谐振腔
半导体发光材料的研究现状
阻碍GaN 研究的主要困难之一是缺乏晶格及热胀系数匹配的衬底材 料. SiC与GaN晶格匹配较好,失配率仅为3.5％，但SiC价格昂贵. 蓝 宝石与GaN有14％的晶格失配,但价格比SiC便宜,而且通过在其上面 生长过渡层也能获得高质量的GaN薄膜,因而蓝宝石是氮化镓基材料 外延中普遍采用的一种衬底材料
优点是可以通过这种技术实现一维材料的阵列化，但由于仪器价格 昂贵，因此一定程度上妨碍了这种方法的推广和发展
3.模板辅助生长法
优点是材料普遍、制作方法简单、材料生长有序，但材料与模版分 离较为麻烦，限制了它的后续开发与发展
4.水热合成法
水热合成法是液相法中使用最普遍的一种，它利用水溶液作反应体 系，在特制的密封反应器，如高压釜中进行化学反应，对反应体系 加热到或接近于其临界温度，使反应容器中产生高压，从而进行无 机材料的合成与制备
三
以GaN、SiC为代表的宽禁带半导体材料 更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件
半导体发光
非辐射跃迁：电子由较高能级跃迁至低能级并不发出电磁辐射，称 作非辐射跃迁。
高效率的发光器件需要的辐射寿命远小于非辐射寿命
直接带结构半导体
直接带结构：价带顶的能量位置和 导带底的位置相同
直接带隙跃迁
半导体材料中，微小晶体通常被称作量子点（quantum dot)。这种量 子点可以把电子锁定在一个非常微小的三维空间内，当有一束光照射 上去的时候电子会受到激发跳跃到更高的能级。当这些电子回到原来 较低的能级的时候，会发射出波长一定的光束。现在量子点被大量地 应用在生物学实验室内，帮助研究人员确定生物细胞的结构或活动。
荧光量子点
当量子点被光脉冲照射的时候会产生各种各样的颜色，不太高级的光 学显微镜就可以观察到这种彩色光。量子点可以用来追踪药物在体内 的活动、或是研究患者体内细胞和组织的结构。量子点可以产生多种 颜色的光，光的颜色取决于量子点的尺寸。研究人员已经制造出可以 产生超过12种颜色荧光的量子点，而且理论上讲可以产生出更多的颜 色。这样，当某个波长的激光对多种量子点进行照射激发的时候，可 以同时观察到多个颜色，同时进行多个测量。生物研究中所使用的量 子点需要覆盖上一层物质以便可以追踪特定的生物分子，可以应用在 医学成像技术中。国外的科学家已经应用量子点标记肿瘤细胞凭借活 体成像系统进行相关的研究
Bi掺杂ZnO纳米线的制备
ZnO纳米材料的几种制备方法：
1.热蒸发合成法：
这种方法通常是在高温区，利用高温加热使原材料温度上升而升华 为蒸汽，同时通入一定量的载气，利用载气把蒸汽吹到温度较低的 冷端，随后气相物质在特定的温度区沉积下来并在催化剂的作用下 成核长大，从而得到各种ZnO 纳米结构
2.化学气相沉积法
下图所示Bi掺杂的ZnO纳米颗粒
结果表明，通过掺杂提升了纳米线中的载流子浓度（3.5×108 cm−1） 以及电子移动效率（1.5 cm2/V s）
此次主要介绍化学气相沉淀法（CAD）这种置备方法 具体过程有以下七步： （1）反应组份混合后，变成气态物质进入反应室。 （2）反应组份在载气的作用下，形成中间物质。 （3）中间物扩散到气相边界区域，到达沉积区域表面。 （4）气氛混合物在衬底表面被吸附，形成初级生长材料 。 （5）在衬底表面发生反应并进行沉积过程。 （6）反应物自衬底表面发生解吸，生成气态反应产物。 （7）从反应系统中排出反应物气氛。
特点：有声子参与，发光效率低 间接跃迁的半导体材料
IV族半导体Si、Ge， III-V族化合物中的AlAs、GaP
半导体发光二极管
发光原理即注入式电致发光 即当加正向偏置式势垒下降，p 区和n区的多数载流子向对方扩 散。由于电子迁移率比空穴迁移 率大得多，出现大量电子向p区 扩散，构成p区少数载流子的注 入。这些电子与价带上的空穴复 合，复合时得到的能量以光能的 形式释放。
h Eg
特点：无声子参与，发光效率高
直接跃迁的的半导体材料
II-VI族化合物 ZnO、ZnS、ZnSe、ZnTe、 CdS、CdSe、CdTe
III-V族化合物 GaN、GaAs、GaSb、InP
间接带结构半导体
间接带结构：价带顶的能量位置与 导带底的能量位置不同
间接带隙跃迁
h E g
ZnO为什么要掺杂Bi？
首先，掺杂可以改变ZnO半导体在电学、光学、磁学等方面的 多种性能，并且只有掺杂过的ZnO半导体，才可以用于制备各种器 件。
Bi的优势:ZnO、Bi2O3的禁带宽度分别为3.37eV、2.85eV，两者相差不大， 掺杂后可以调整ZnO禁带宽度，进一步改变材料在光学、电学以及热学等 方面的多种性能
影响因素
1.反应温度 温度过低时形成Bi的金属球，温度过高生成氧化铋，如图
2.压强
温度相同时，压强越大，纳米线越容易形成，如下图所示
成分分析：
可以发现，衍射峰值和ZnO的衍射峰值一致，未发现明显Bi2O3衍射峰， 说明Bi未大量氧化结晶。且没有发现明显Bi衍射峰的出现，说明掺杂量较 小
结论：利用CAD的方法，在400°C，500Torr条件下，能得到最好 的效果。Bi的掺杂能有效地改善ZnO纳米结构的能级宽度，进而调 控ZnO纳米线在许多方面的性能，提升其应用空间。
自室温下激光激发ZnO纳米微晶膜观测到紫外激光发射行为以来 ,ZnO 的激光发射一直是研究的热点,ZnO的蓝带,特别是近紫外激光 发射特征,以及相当高的激子结合能(60meV) 和增益系数(300cm- 1 ) ,使其成为重要而优异的蓝、紫外半导体激光材料。目前，人们致 力于ZnO单晶的制备。
荧光量子点
半导体二极管、半导体激光器
半导
应用领域：
半导体材料的发展历程
一
以锗，硅半导体材料为主
主要用于低压、低频、中功率的晶体管和光电 探测器
二
以GaAs(砷化镓)、InP(磷化铟）为代表的半导体材料
制作高性能微波、毫米波器件及发光器 受激辐射占主导地位 2 粒子数反转分布 3 有光学谐振腔
半导体发光材料的研究现状
阻碍GaN 研究的主要困难之一是缺乏晶格及热胀系数匹配的衬底材 料. SiC与GaN晶格匹配较好,失配率仅为3.5％，但SiC价格昂贵. 蓝 宝石与GaN有14％的晶格失配,但价格比SiC便宜,而且通过在其上面 生长过渡层也能获得高质量的GaN薄膜,因而蓝宝石是氮化镓基材料 外延中普遍采用的一种衬底材料
优点是可以通过这种技术实现一维材料的阵列化，但由于仪器价格 昂贵，因此一定程度上妨碍了这种方法的推广和发展
3.模板辅助生长法
优点是材料普遍、制作方法简单、材料生长有序，但材料与模版分 离较为麻烦，限制了它的后续开发与发展
4.水热合成法
水热合成法是液相法中使用最普遍的一种，它利用水溶液作反应体 系，在特制的密封反应器，如高压釜中进行化学反应，对反应体系 加热到或接近于其临界温度，使反应容器中产生高压，从而进行无 机材料的合成与制备
三
以GaN、SiC为代表的宽禁带半导体材料 更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件
半导体发光
非辐射跃迁：电子由较高能级跃迁至低能级并不发出电磁辐射，称 作非辐射跃迁。
高效率的发光器件需要的辐射寿命远小于非辐射寿命
直接带结构半导体
直接带结构：价带顶的能量位置和 导带底的位置相同
直接带隙跃迁
半导体材料中，微小晶体通常被称作量子点（quantum dot)。这种量 子点可以把电子锁定在一个非常微小的三维空间内，当有一束光照射 上去的时候电子会受到激发跳跃到更高的能级。当这些电子回到原来 较低的能级的时候，会发射出波长一定的光束。现在量子点被大量地 应用在生物学实验室内，帮助研究人员确定生物细胞的结构或活动。
荧光量子点
当量子点被光脉冲照射的时候会产生各种各样的颜色，不太高级的光 学显微镜就可以观察到这种彩色光。量子点可以用来追踪药物在体内 的活动、或是研究患者体内细胞和组织的结构。量子点可以产生多种 颜色的光，光的颜色取决于量子点的尺寸。研究人员已经制造出可以 产生超过12种颜色荧光的量子点，而且理论上讲可以产生出更多的颜 色。这样，当某个波长的激光对多种量子点进行照射激发的时候，可 以同时观察到多个颜色，同时进行多个测量。生物研究中所使用的量 子点需要覆盖上一层物质以便可以追踪特定的生物分子，可以应用在 医学成像技术中。国外的科学家已经应用量子点标记肿瘤细胞凭借活 体成像系统进行相关的研究
Bi掺杂ZnO纳米线的制备
ZnO纳米材料的几种制备方法：
1.热蒸发合成法：
这种方法通常是在高温区，利用高温加热使原材料温度上升而升华 为蒸汽，同时通入一定量的载气，利用载气把蒸汽吹到温度较低的 冷端，随后气相物质在特定的温度区沉积下来并在催化剂的作用下 成核长大，从而得到各种ZnO 纳米结构
2.化学气相沉积法
下图所示Bi掺杂的ZnO纳米颗粒
结果表明，通过掺杂提升了纳米线中的载流子浓度（3.5×108 cm−1） 以及电子移动效率（1.5 cm2/V s）
此次主要介绍化学气相沉淀法（CAD）这种置备方法 具体过程有以下七步： （1）反应组份混合后，变成气态物质进入反应室。 （2）反应组份在载气的作用下，形成中间物质。 （3）中间物扩散到气相边界区域，到达沉积区域表面。 （4）气氛混合物在衬底表面被吸附，形成初级生长材料 。 （5）在衬底表面发生反应并进行沉积过程。 （6）反应物自衬底表面发生解吸，生成气态反应产物。 （7）从反应系统中排出反应物气氛。
特点：有声子参与，发光效率低 间接跃迁的半导体材料
IV族半导体Si、Ge， III-V族化合物中的AlAs、GaP
半导体发光二极管
发光原理即注入式电致发光 即当加正向偏置式势垒下降，p 区和n区的多数载流子向对方扩 散。由于电子迁移率比空穴迁移 率大得多，出现大量电子向p区 扩散，构成p区少数载流子的注 入。这些电子与价带上的空穴复 合，复合时得到的能量以光能的 形式释放。
h Eg
特点：无声子参与，发光效率高
直接跃迁的的半导体材料
II-VI族化合物 ZnO、ZnS、ZnSe、ZnTe、 CdS、CdSe、CdTe
III-V族化合物 GaN、GaAs、GaSb、InP
间接带结构半导体
间接带结构：价带顶的能量位置与 导带底的能量位置不同
间接带隙跃迁
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ZnO为什么要掺杂Bi？
首先，掺杂可以改变ZnO半导体在电学、光学、磁学等方面的 多种性能，并且只有掺杂过的ZnO半导体，才可以用于制备各种器 件。
Bi的优势:ZnO、Bi2O3的禁带宽度分别为3.37eV、2.85eV，两者相差不大， 掺杂后可以调整ZnO禁带宽度，进一步改变材料在光学、电学以及热学等 方面的多种性能
影响因素
1.反应温度 温度过低时形成Bi的金属球，温度过高生成氧化铋，如图
2.压强
温度相同时，压强越大，纳米线越容易形成，如下图所示
成分分析：
可以发现，衍射峰值和ZnO的衍射峰值一致，未发现明显Bi2O3衍射峰， 说明Bi未大量氧化结晶。且没有发现明显Bi衍射峰的出现，说明掺杂量较 小
结论：利用CAD的方法，在400°C，500Torr条件下，能得到最好 的效果。Bi的掺杂能有效地改善ZnO纳米结构的能级宽度，进而调 控ZnO纳米线在许多方面的性能，提升其应用空间。
自室温下激光激发ZnO纳米微晶膜观测到紫外激光发射行为以来 ,ZnO 的激光发射一直是研究的热点,ZnO的蓝带,特别是近紫外激光 发射特征,以及相当高的激子结合能(60meV) 和增益系数(300cm- 1 ) ,使其成为重要而优异的蓝、紫外半导体激光材料。目前，人们致 力于ZnO单晶的制备。
荧光量子点