半导体器件物理8模板PPT课件
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半导体器件物理PPT课件
1.1 半导体的晶格结构
五种常见的晶格结构
●简单立方结构 ●体心立方结构 ●面心立方结构 ●金刚石结构 ●闪锌矿结构
釙(Po)
晶体的原子按一 定规律在空间周 期性排列，称为 晶格。
体心立方结构
钠（Na） 钼（Mo） 钨（W）
面心立方结构
铝（Al） 铜（Cu） 金（Au） 银（Ag）
金刚石结构
由两个面心立方结构 沿空间对角线错开四 分之一的空间对角线 长度相互嵌套而成。
• 任何两个原子之间的 连线在空间有许多与 它相同的平行线。
• 一族平行线所指的方 向用晶列指数表示
• 晶列指数是按晶列矢 量在坐标轴上的投影 的比例取互质数
• [111]、[100]、[110]
晶面指数（密勒指数）
• 任何三个原子组成的晶面在空间有许多和它相同 的平行晶面
• 一族平行晶面用晶面指数来表示 • 它是按晶面在坐标轴上的截距的倒数的比例取互
解
练习
假使面心结构的原子是刚性的小球，且面中心原子与 面顶点四个角落的原子紧密接触，试算出这些原子占此面 心立方单胞的空间比率。
解
例1-2
硅（Si）在300K时的晶格常数为5.43Å。请计算出每立方厘米体 积中硅原子数及常温下的硅原子密度。（硅的摩尔质量为 28.09g/mol）
解
晶体的各向异性
其他因素与半导体
除温度、杂质、光照外，电场、磁场及其他 外界因素（如外应力）的作用也会影响半导体材 料的导电能力。
硅 （Si）
在20世纪50年代初期，锗曾经是最主要 的半导体材料，但自60年代初期以来，硅已 取而代之成为半导体制造的主要材料。
现今我们使用硅的主要原因，是因为硅 器件工艺的突破，硅平面工艺中，二氧化硅 的运用在其中起着决定性的作用，经济上的 考虑也是原因之一，可用于制造器件等级的 硅材料，远比其他半导体材料价格低廉，在 二氧化硅及硅酸盐中硅的含量占地球的25%， 仅次于氧。
五种常见的晶格结构
●简单立方结构 ●体心立方结构 ●面心立方结构 ●金刚石结构 ●闪锌矿结构
釙(Po)
晶体的原子按一 定规律在空间周 期性排列，称为 晶格。
体心立方结构
钠（Na） 钼（Mo） 钨（W）
面心立方结构
铝（Al） 铜（Cu） 金（Au） 银（Ag）
金刚石结构
由两个面心立方结构 沿空间对角线错开四 分之一的空间对角线 长度相互嵌套而成。
• 任何两个原子之间的 连线在空间有许多与 它相同的平行线。
• 一族平行线所指的方 向用晶列指数表示
• 晶列指数是按晶列矢 量在坐标轴上的投影 的比例取互质数
• [111]、[100]、[110]
晶面指数（密勒指数）
• 任何三个原子组成的晶面在空间有许多和它相同 的平行晶面
• 一族平行晶面用晶面指数来表示 • 它是按晶面在坐标轴上的截距的倒数的比例取互
解
练习
假使面心结构的原子是刚性的小球，且面中心原子与 面顶点四个角落的原子紧密接触，试算出这些原子占此面 心立方单胞的空间比率。
解
例1-2
硅（Si）在300K时的晶格常数为5.43Å。请计算出每立方厘米体 积中硅原子数及常温下的硅原子密度。（硅的摩尔质量为 28.09g/mol）
解
晶体的各向异性
其他因素与半导体
除温度、杂质、光照外，电场、磁场及其他 外界因素（如外应力）的作用也会影响半导体材 料的导电能力。
硅 （Si）
在20世纪50年代初期，锗曾经是最主要 的半导体材料，但自60年代初期以来，硅已 取而代之成为半导体制造的主要材料。
现今我们使用硅的主要原因，是因为硅 器件工艺的突破，硅平面工艺中，二氧化硅 的运用在其中起着决定性的作用，经济上的 考虑也是原因之一，可用于制造器件等级的 硅材料，远比其他半导体材料价格低廉，在 二氧化硅及硅酸盐中硅的含量占地球的25%， 仅次于氧。
半导体器件物理教案课件
半导体器件物理教案课件PPT第一章：半导体物理基础知识1.1 半导体的基本概念介绍半导体的定义、特点和分类解释n型和p型半导体的概念1.2 能带理论介绍能带的概念和能带结构解释导带和价带的概念讲解半导体的导电机制第二章：半导体材料与制备2.1 半导体材料介绍常见的半导体材料，如硅、锗、砷化镓等解释半导体材料的制备方法，如拉晶、外延等2.2 半导体器件的制备工艺介绍半导体器件的制备工艺，如掺杂、氧化、光刻等解释各种制备工艺的作用和重要性第三章：半导体器件的基本原理3.1 晶体管的基本原理介绍晶体管的结构和工作原理解释n型和p型晶体管的概念讲解晶体管的导电特性3.2 半导体二极管的基本原理介绍半导体二极管的结构和工作原理解释PN结的概念和特性讲解二极管的导电特性第四章：半导体器件的特性与测量4.1 晶体管的特性介绍晶体管的主要参数，如电流放大倍数、截止电流等解释晶体管的转移特性、输出特性和开关特性4.2 半导体二极管的特性介绍半导体二极管的主要参数，如正向压降、反向漏电流等解释二极管的伏安特性、温度特性和频率特性第五章：半导体器件的应用5.1 晶体管的应用介绍晶体管在放大电路、开关电路和模拟电路中的应用解释晶体管在不同应用电路中的作用和性能要求5.2 半导体二极管的应用介绍半导体二极管在整流电路、滤波电路和稳压电路中的应用解释二极管在不同应用电路中的作用和性能要求第六章：场效应晶体管（FET）6.1 FET的基本结构和工作原理介绍FET的结构类型，包括MOSFET、JFET等解释FET的工作原理和导电机制讲解FET的输入阻抗和输出阻抗6.2 FET的特性介绍FET的主要参数，如饱和电流、跨导、漏极电流等解释FET的转移特性、输出特性和开关特性分析FET的静态和动态特性第七章：双极型晶体管（BJT）7.1 BJT的基本结构和工作原理介绍BJT的结构类型，包括NPN型和PNP型解释BJT的工作原理和导电机制讲解BJT的输入阻抗和输出阻抗7.2 BJT的特性介绍BJT的主要参数，如放大倍数、截止电流、饱和电流等解释BJT的转移特性、输出特性和开关特性分析BJT的静态和动态特性第八章：半导体存储器8.1 动态随机存储器（DRAM）介绍DRAM的基本结构和工作原理解释DRAM的存储原理和读写过程分析DRAM的性能特点和应用领域8.2 静态随机存储器（SRAM）介绍SRAM的基本结构和工作原理解释SRAM的存储原理和读写过程分析SRAM的性能特点和应用领域第九章：半导体集成电路9.1 集成电路的基本概念介绍集成电路的定义、分类和特点解释集成电路的制造工艺和封装方式9.2 集成电路的设计与应用介绍集成电路的设计方法和流程分析集成电路在电子设备中的应用和性能要求第十章：半导体器件的测试与故障诊断10.1 半导体器件的测试方法介绍半导体器件测试的基本原理和方法解释半导体器件测试仪器和测试电路10.2 半导体器件的故障诊断介绍半导体器件故障的类型和原因讲解半导体器件故障诊断的方法和步骤第十一章：功率半导体器件11.1 功率二极管和晶闸管介绍功率二极管和晶闸管的结构、原理和特性分析功率二极管和晶闸管在电力电子设备中的应用11.2 功率MOSFET和IGBT介绍功率MOSFET和IGBT的结构、原理和特性分析功率MOSFET和IGBT在电力电子设备中的应用第十二章：光电器件12.1 光电二极管和太阳能电池介绍光电二极管和太阳能电池的结构、原理和特性分析光电二极管和太阳能电池在光电子设备中的应用12.2 光电晶体管和光开关介绍光电晶体管和光开关的结构、原理和特性分析光电晶体管和光开关在光电子设备中的应用第十三章：半导体传感器13.1 温度传感器和压力传感器介绍温度传感器和压力传感器的结构、原理和特性分析温度传感器和压力传感器在电子测量中的应用13.2 光传感器和磁传感器介绍光传感器和磁传感器的结构、原理和特性分析光传感器和磁传感器在电子测量中的应用第十四章：半导体器件的可靠性14.1 半导体器件的可靠性基本概念介绍半导体器件可靠性的定义、指标和分类解释半导体器件可靠性的重要性14.2 半导体器件可靠性的影响因素分析半导体器件可靠性受材料、工艺、封装等因素的影响14.3 提高半导体器件可靠性的方法介绍提高半导体器件可靠性的设计和工艺措施第十五章：半导体器件的发展趋势15.1 纳米晶体管和新型存储器介绍纳米晶体管和新型存储器的研究进展和应用前景15.2 新型半导体材料和器件介绍石墨烯、碳纳米管等新型半导体材料和器件的研究进展和应用前景15.3 半导体器件技术的未来发展趋势分析半导体器件技术的未来发展趋势和挑战重点和难点解析重点：1. 半导体的基本概念、分类和特点。
半导体器件物理8
在器件设计工作中，常使用下面的经验公式作为雪崩击穿电 压的近似估计。对于硅、锗、砷化镓和磷化镓几种材料，人 们总结出以下通用公式。
单边突变结雪崩击穿电压：
V BS 60 E g / 1.1
N
3/ 2 6/5
B
/ 10
16
3 / 4
线性缓变结雪崩击穿电压：
V BL 60 E g / 1.1
（b）→（e）正向 偏压逐渐增大 （f）为反向偏压 （c）对应点 2
（b）对应点 1
（d）对应点 3
（e）对应点 4 （f）对应点 5
② 加一很小的正向电压 V 时，N 区能带相对于 P 区将升高 qV ，这时结两边能量相等的量子态中，P 区价带的费米能 级以上有空量子态，而 N 区导带的费米能级以下有量子态被 电子占据，如图所示（b）。因此，N 区导带中的电子可能 穿过隧道到达 P 区价带中，产生从 P 区向 N 区的正向隧道电 流，对应于特征曲线上的点 1。 ③ 继续增大正向电压，势垒高度 q(V D V) 不断下降，有更 多的电子从 N 区穿过隧道到达 P 区的空量子态，使隧道电流 不断增大。当正向偏压增大到 V p 时，这时 P 区的费米能级 与 N 区导带底一样高，N 区的导带和 P 区的价带中能量相同 的量子态达到最多，如图（c）所示，N 区导带中的电子可能 全部穿过隧道到 P 区价带中的空量子态去，正向电流达到极 大值 I p ，这时对应于特征曲线的点 2。
§ 1.8 PN 结击穿
实验发现，对 PN 结施加的反向偏压增大到某一数值时，反 向电流突然开始迅速增大，这种现象称为 PN 结击穿。发生 击穿时的反向偏压（图中 V BR ）称为 PN 结的击穿电压。击 穿现象中，电流增大的基本原因不是由于载流子迁移率的增 大，而是由于载流子数目的增加。PN 结击穿机制主要有 3 种：雪崩击穿、隧道击穿和热电击穿。
半导体器件物理ppt 共62页
N
A
WE
显示三段掺杂区域的杂质浓度，发射
区的掺杂浓度远比集电区大，基区的
浓度比发射区低，但高于集电区浓度
。图4.3(c)表示耗尽区的电场强度分
E
布情况。图(d)是晶体管的能带图，
它只是将热平衡状态下的p-n结能带
直接延伸，应用到两个相邻的耦合p
＋-n结与n-p结。各区域中EF保持水平 。
EC EF
如 图 为 一 p-n-p 双 极 型 晶 体 管 的透视图，其制造过程是以p型半 导体为衬底，利用热扩散的原理 在p型衬底上形成一n型区域，再 在此n型区域上以热扩散形成一高 浓度的p＋型区域，接着以金属覆 盖p＋、n以及下方的p型区域形成 欧姆接触。
天津工业大学
现代半导体器件物理
双极型晶体管及相关器件 3
双极型晶体管工作在放大模式
IE
发射区
P
V EB
基区
n
IB
集电区
P V BC
IC
输出
图 (a) 为 工 作 在 放 大 模 式 下 的 共 基组态p-n-p型晶体管，即基极被输 入与输出电路所共用，图(b)与图(c) 表示偏压状态下空间电荷密度与电场
强度分布的情形，与热平衡状态下比
较，射基结的耗尽区宽度变窄，而集 基结耗尽区变宽。图(d)是晶体管工 作在放大模式下的能带图，射基结为 正向偏压，因此空穴由p＋发射区注 入基区，而电子由基区注入发射区。
流往基区的电子电流。
发射区 (P)
}I EP
I En
基区 (n) I BB
}
IB
空穴电流 和空穴流
图 4.5
集电区 (P)
}I CP
IC
ICn
《半导体器件物理》课件
《半导体器件物理》PPT课件
目录 Contents
• 半导体器件物理概述 • 半导体材料的基本性质 • 半导体器件的基本结构与工作原理 • 半导体器件的特性分析 • 半导体器件的制造工艺 • 半导体器件的发展趋势与展望
01
半导体器件物理概述
半导体器件物理的定义
半导体器件物理是研究半导体材料和器件中电子和空穴的行为，以及它们与外部因 素相互作用的一门学科。
可以分为隧道器件、热电子器件、异质结器 件等。
半导体器件的应用
01
通信领域
用于制造手机、卫星通信、光纤通 信等设备中的关键元件。
能源领域
用于制造太阳能电池、风力发电系 统中的传感器和控制器等。
03
02
计算机领域
用于制造计算机处理器、存储器、 集成电路等。
医疗领域
用于制造医疗设备中的检测器和治 疗仪器等。
04
02
半导体材料的基本性质
半导体材料的能带结构
总结词
能带结构是描述固体中电子状态的模 型，它决定了半导体的导电性能。
详细描述
半导体的能带结构由价带和导带组成 ，它们之间存在一个禁带。当电子从 价带跃迁到导带时，需要吸收或释放 能量，这决定了半导体的光电性能。
载流子的输运过程
总结词
载流子输运过程描述了电子和空穴在 半导体中的运动和相互作用。
•·
场效应晶体管分为N沟道 和P沟道两种类型，其结 构包括源极、漏极和栅极 。
场效应晶体管在放大、开 关、模拟电路等中应用广 泛，具有功耗低、稳定性 高等优点。
当栅极电压变化时，导电 沟道的开闭状态会相应改 变，从而控制漏极电流的 大小。
04
半导体器件的特性分析
半导体器件的I-V特性
目录 Contents
• 半导体器件物理概述 • 半导体材料的基本性质 • 半导体器件的基本结构与工作原理 • 半导体器件的特性分析 • 半导体器件的制造工艺 • 半导体器件的发展趋势与展望
01
半导体器件物理概述
半导体器件物理的定义
半导体器件物理是研究半导体材料和器件中电子和空穴的行为，以及它们与外部因 素相互作用的一门学科。
可以分为隧道器件、热电子器件、异质结器 件等。
半导体器件的应用
01
通信领域
用于制造手机、卫星通信、光纤通 信等设备中的关键元件。
能源领域
用于制造太阳能电池、风力发电系 统中的传感器和控制器等。
03
02
计算机领域
用于制造计算机处理器、存储器、 集成电路等。
医疗领域
用于制造医疗设备中的检测器和治 疗仪器等。
04
02
半导体材料的基本性质
半导体材料的能带结构
总结词
能带结构是描述固体中电子状态的模 型，它决定了半导体的导电性能。
详细描述
半导体的能带结构由价带和导带组成 ，它们之间存在一个禁带。当电子从 价带跃迁到导带时，需要吸收或释放 能量，这决定了半导体的光电性能。
载流子的输运过程
总结词
载流子输运过程描述了电子和空穴在 半导体中的运动和相互作用。
•·
场效应晶体管分为N沟道 和P沟道两种类型，其结 构包括源极、漏极和栅极 。
场效应晶体管在放大、开 关、模拟电路等中应用广 泛，具有功耗低、稳定性 高等优点。
当栅极电压变化时，导电 沟道的开闭状态会相应改 变，从而控制漏极电流的 大小。
04
半导体器件的特性分析
半导体器件的I-V特性
半导体器件物理 课件
2
16
4、本征载流子浓度
E EC E Ei n ni N C exp i p pi NV exp V kT kT Eg EC EV ni pi N C NV exp N C NV exp kT kT Eg 2 2 AT exp n p i i kT
Si
Si
Si Si Si
Si
Si
Si Si Si
Si p
Si Si
Si
Si
Si Si Si
Si Si
B Si
Si
Si
+
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si Si
B Si Si
+
Si
Si
Si
p
Si
施主杂质 EC
受主杂质
+
-
EC
+
+
+
+
EC
0.016~0.065eV
0.04~0.05eV
EV
dN(x)/dx|x=xj = C
突变结近似--dN(x)/dx|x=xj =|C| ○单边突变结—对于突变结，若p区掺杂浓度远高于n区掺杂浓度，或反之。 即：ＮＡ＞＞ＮＤ，用p＋n表示；ＮＤ＞＞ＮＡ，用pn＋表示。 ★理论上通常将pn结按突变结或线性缓变结近似处理。
线性缓变结
突变结变结近似
27
三、pn结基本物理特性
简并半导体
23
Part Ⅱ Bipolar Devices
《半导体物理基础》课件
当电子从导带回到价带时，会释 放能量并发出光子，这就是发光 效应。发光效应是半导体的一个 重要应用，如发光二极管和激光 器等。
04 半导体中的载流子输运
CHAPTER
载流子的产生与复合
载流子的产生
当半导体受到外界能量（如光、热、电场等）的作用时，其 内部的电子和空穴的分布状态会发生改变，导致电子和空穴 从价带跃迁到导带，产生电子-空穴对。
06 半导体物理的应用与发展趋势
CHAPTER
半导体物理在电子器件中的应用
01
02
03
晶体管
利用半导体材料制成的晶 体管是现代电子设备中的 基本元件，用于放大、开 关和整流信号。
集成电路
集成电路是将多个晶体管 和其他元件集成在一块芯 片上，实现特定的电路功 能。
太阳能电池
利用半导体的光电效应将 光能转化为电能，太阳Hale Waihona Puke 电池是可再生能源的重要 应用之一。
半导体物理在光电子器件中的应用
LED
发光二极管，利用半导体的光电效应发出可见光 ，广泛应用于照明和显示领域。
激光器
利用半导体的光放大效应产生激光，用于数据存 储、通信和医疗等领域。
光探测器
利用半导体的光电效应探测光信号，用于光纤通 信、环境监测等领域。
半导体物理的发展趋势与展望
新材料和新型器件
随着科技的发展，人们不断探索新的半导体材料和新型器件，以 提高性能、降低成本并满足不断变化的应用需求。
闪锌矿结构
如铬、钨等金属的晶体结构。
如锗、硅等半导体的晶体结构。
面心立方结构（fcc）
如铜、铝等金属的晶体结构。
纤锌矿结构
如氮化镓、磷化镓等半导体的晶 体结构。
晶体结构对半导体性质的影响
04 半导体中的载流子输运
CHAPTER
载流子的产生与复合
载流子的产生
当半导体受到外界能量（如光、热、电场等）的作用时，其 内部的电子和空穴的分布状态会发生改变，导致电子和空穴 从价带跃迁到导带，产生电子-空穴对。
06 半导体物理的应用与发展趋势
CHAPTER
半导体物理在电子器件中的应用
01
02
03
晶体管
利用半导体材料制成的晶 体管是现代电子设备中的 基本元件，用于放大、开 关和整流信号。
集成电路
集成电路是将多个晶体管 和其他元件集成在一块芯 片上，实现特定的电路功 能。
太阳能电池
利用半导体的光电效应将 光能转化为电能，太阳Hale Waihona Puke 电池是可再生能源的重要 应用之一。
半导体物理在光电子器件中的应用
LED
发光二极管，利用半导体的光电效应发出可见光 ，广泛应用于照明和显示领域。
激光器
利用半导体的光放大效应产生激光，用于数据存 储、通信和医疗等领域。
光探测器
利用半导体的光电效应探测光信号，用于光纤通 信、环境监测等领域。
半导体物理的发展趋势与展望
新材料和新型器件
随着科技的发展，人们不断探索新的半导体材料和新型器件，以 提高性能、降低成本并满足不断变化的应用需求。
闪锌矿结构
如铬、钨等金属的晶体结构。
如锗、硅等半导体的晶体结构。
面心立方结构（fcc）
如铜、铝等金属的晶体结构。
纤锌矿结构
如氮化镓、磷化镓等半导体的晶 体结构。
晶体结构对半导体性质的影响
物理半导体器件物理PPT课件
部分 插图为串联的电容器
C / Co
1.0
10Hz
0.8
102 Hz
Si SiO2
0.6
NA d
1.451016 200nm
cm3103
Hz
104 Hz 105 Hz
20 10
0
10
20
V /V
(b) C V图的频率效应
图 5.7
第15页/共71页
MOS二极管
例2：一理想MOS二极管的NA=1017cm-3且d=5nm，试计算其C-V曲线中的 最小电容值．SiO2的相对介电常数为3.9。
Co V
Co d Cj
VT
Cmin
0
V /V
(a) 高频MOS C－V图，虚线显示其近似
部分 插图为串联的电容器
对于n型衬底，只需变更相对应符号与标志后(如将Qp换成Qn)，得图到5.7 类似的表达式．与p型衬底相比：
(1)电容-电压特性具有相同的外观，彼此成镜面对称， (2) p型衬底的 VT > 0， n型衬底的VT < 0 ．
当 np = NA 时，开始产生强反型; 当 np > NA 时，处于强反型。
EC Ei
Qm
EF
发生强反型后：
V 0 EF
EV
0
V 0
(1) 反型层的宽度 xi ≈ 1nm ~ 10nm，且xi<<W(；b) 耗尽时EF
(2) 随V的增加，能带稍微增加弯曲程度，np急剧
增大，而W不再增大，达到最大值；
(a) M(aO)SM二O极S二管极的管透的视透图视图
(b)) MMOOSS二二极极管管的的剖剖面图面图
当金属板相对于欧姆接图图触55. .为11 正偏压时，V>0； 当金属板相对于欧姆接触为负偏压时，V<0．
《半导体器件物理》课件
MOSFET的构造和工作原理
金属-氧化物-半导体场效应晶体管
通过施加电压控制栅极和通道之间的电荷分布，实现放大和开关功能。
三个区域
源极、栅极和漏极，通过电流控制源极和漏极之间的导电通道。
应用
MOSFET被广泛用于各种电子设备中，包括计算机芯片和功率放大器。
JFET的构造和工作原理
1 结构
由P型或N型半导体形成的通道，两个掺杂相对的端部形成控制电流的栅极。
PN结的形成和性质
1 结构
由P型半导体和N型半导体通过扩散形成 的结合层。
3 击穿电压
当施加足够的反向电压时，PN结会被击 穿，允许电流通过。
2 整流作用
PN结具有整流（仅允许电流单向通过） 的特性，可用于二极管。
4 应用
PN结广泛应用于二极管、太阳能电池和 光敏电阻等器件中。
PN结的应用：二极管
2 广泛应用
从计算机和手机到电视和汽车电子，硅晶体管和二极管的应用无处不在。
3 可靠性和效率
硅晶体管和二极管的可靠性和效率使它们成为现代电子技术的基石。
《半导体器件物理》PPT 课件
探索半导体器件物理的精彩世界！本课程将介绍半导体材料及其性质，PN结 的应用，MOSFET和JFET的工作原理，光电子学等内容。
介绍
半导体器件物理是研究半导体材料中电子行为的科学。它包括半导体材料的物理性质、PN结的形成与 应用、MOSFET和JFET的工作原理等内容。
2 电荷调控
通过控制栅极电压来控制通道中电荷的密度，进而改变电流。
3 应用
JFET用于低噪声放大器和开关等应用。
功能区和结构
结构
包括负责控制电流的基极、负 责放大电流的发射极和负责收 集电流的集电极。
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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-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。
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
hEg Eenxc
（8-7）
式中E
n 为激子能级。
exc
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
图8-3D－A 对复合能级图
.
9
8.1.1辐射复合
3.施主－受主对复合
施主俘获电子，受主俘获空穴之后都呈电中性状态。施主上的电子与受主上的空 穴复合后，施主再带正电，受主再带负电。所以D－A对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。粗略地以类氢原子模型处理D－A对中心。在没 有声子参与复合的情况下，发射的光子能量为
hD ArEgEdEa4q k20r
（8-6）
.
10
8.1辐射复合
3.施主受主对复合
对于G a P 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。例如：
氧施主和碳受主杂质替代磷的位置，在温度为1.6K 时，EaEd 94m1e；V而氧施
主
1 .6 K EaEd 95.66meV
杂质是磷替位和锌受主杂质是镓替位，在温度为 时，
5
8.1.1辐射复合
K2 K1
（8-2）
(8-2)式说明这种跃迁发生在 k空间的同一地点，因此也被称为竖直跃迁。
能量守恒要求
hE2E1Eg
式中 E 2 = 跃迁前电子的能量
E 1 = 跃迁后电子的能量
h = 辐射光子的能量
（8-3）
.
6
8.1.1辐射复合
间接辐射复合
在这种半导体中，导带极小值和价带极大值不是发生在布里渊区的同一地点，因此这种跃迁是 非
竖直跃迁。准动量守恒要求在跃进过程中必须伴随声子的吸收或放出。即
K 2K 1q
（8-4）
q
为声子的波矢，正号表示放出声子，负号表示吸收声子，相应能量守
恒的条件为
hE2E1hp
（8-5）
Eg
h p 为声子的能量， 一般比电子能量小得多，可以略去。 p 为声子频率。
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7
8.1.1辐射复合
2.浅能级和主带之间的复合
它可以是浅施主与价带空穴或浅受主与导带电子之间的的复合，如图8-2所示。
图8-2 浅能级杂质与主带的复合
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8
8.1.1辐射复合
3.施主受主对（D-A对）复合
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。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宽度的一种重要的复合发光机制，这种复 合也称为D-A对复合。 D-A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，从而结合成施主受主对联合发光中心，称为 D-A对。 D-A对发光中心的能级如图8-3所示。
现束缚激子的发光起重要作用，而且有很高的发光效率。如 GaP 材料中 Zn O 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。
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1
8.1 辐射复合与非辐射
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2
8.1辐射复合和非辐射复合
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，它是光吸收的逆过程。
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。
光电器件利用的是辐射复合过程，非辐射复合过程则是不利的。了解半导 体中辐射复合过程和非辐射复合过程是了解光电器件的工作机制和进行器件 设计的基础。
第八章 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 1923.Lossev在碳化硅检波器中观察到类似现象 1955.Braunstein首次在三-五族化合物中观察到辐射复合 1961.Gershenzon观察到磷化镓PN结发光 1962年砷化镓发光二极管和激光器研制成功 1970年砷化镓-铝镓砷激光器实现室温连续
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4
8.1.1 辐射复合
直接辐射复合
对于直接带隙半导体，导带极小值和价带极大值发生在布里渊区同一点如图8.1a所示。 电子在跃迁过程中必须遵守能量守恒和准动量守恒
准动量守恒要求
K2K1K光子
（8-1）
K2 =跃迁前电子的波矢量 K1 =跃迁后电子的波矢量 K光子=跃迁过程中辐射的光子的波矢量
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hEgEenxcNp E （8-8）
式中 NEp 表示吸收或放出能量为 E p 的N 个声子。
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8.1.1辐射复合
5.激子复合
束缚激子：
若激子对杂质的结合能为E bx ，则其发射光谱的峰值为
h EgEenxcEbx
（8-9）
E bx 是材料和束缚激子的中心的电离能E i 的函数。近年来，在发光材料的研究中，发
但对于宽禁带材料，这类发光还是有实际意义的，例如GaP 中的红
色发光，便是属于这类复合。
• 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， 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。
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12
8.1辐射复合
5.激子复合
如果半导体吸收能量小于禁带宽度的光子，电子被从价带激发。但由于库仑作用，
。
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D－A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。
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8.1辐射复合
• 4.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，
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3
8.1.1辐射复合
1.带间辐射复合
带间辐射复合是导带中的电子直接跃迁到价带与价带中的空穴复合。发射的光子的能量接近等于
导体材料的禁带宽度。 由于半导体材料能带结构的不同，带间辐射复合又可以分为直接辐射复合和间接辐射合两种:
导带
导带
价带
价带
图8-1 带间复合：（a）直接 能隙复合（b）间接能隙复合