半导体发光材料PPT课件
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1.正向特性 图1-10所示曲线①部分为正向特性。在二极管两端加正向
电压较低时，由于外电场较弱，还不足以克服PN结内电场 对多数载流了扩散运动的阻力，所以正向电流很小，几乎为 零。此时二极管呈现出很大的电阻。
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1.2 半导体二极管
2.反向特性 图1-10所示曲线②部分为反向特性。二极管两端加上反向
电压时，由于少数载流子漂移而形成的反向电流很小，且在 一定的电压范围内基本上不随反向电压而变化，处于饱和状 态，所以这一段电流称为反向饱和电流IR。硅管的反向饱和 电流约在1μA至几十微安，锗管的反向饱和电流可达几百微 安，如图1-10的OC(OC’)段所示。 3.反向击穿特性 如图1-10中曲线③部分所示，当反向电压增加到一定数值 时，反向电流急剧增大，这种现象称为一极管的反向击穿。 此时对应的反向击穿电压用UBR表示。
1.4.2 晶体三极管的工作原理
三极管有两个按一定关系配置的PN结。由于两个PN结之间 的互相影响，使三极管表现出和单பைடு நூலகம்PN结不同的特性。三 极管最主要的特性是具有电流放大作用。下面以NPN型二极 管为例来分析。
1.电流放大作用的条件 三极管的电流放大作用，首先取决于其内部结构特点，即发
射区掺杂浓度高、集电结面积大，这样的结构有利于载流子 的发射和接收。而基区薄且掺杂浓度低，以保证来自发射区 的载流子顺利地流向集电区。其次要有合适的偏置。三极管 的发射结类似于二极管，应正向偏置，使发射结导通，以控 制发射区载流子的发射。而集电结则应反向偏置，以使集电 极具有吸收由发射区注入到基区的载流子的能力，从而形成 集电极电流。
1.1 半导体基础知识
1.1.1本征半导体
不含杂质且具有完整品体结构的半导体称为本征半导体。最 常用的本征半导体是锗和硅品体，它们都是四价元素，在其 原子结构模型的最外层轨道上各有四个价电子。在单品结构 中，由于原子排列的有序性，价电子为相邻的原子所共有， 形成了如图1-1所示的共价键结构，图中的+4表示四价元素 原子核和内层电子所具有的净电荷。本征半导体在温度 T=0K(热力学温度)目没有其他外部能量作用时，其共价键 中的价电子被束缚得很紧，不能成为自由电子，这时的半导 体不导电，在导电性能上相当于绝缘体。但是，当半导体的 温度升高或给半导体施加能量(如光照)时，就会使共价键中 的某些价电子获得足够的能量而挣脱共价键的束缚，成为自 由电子，同时在共价键中留下一个空位，这个现象称为本征 激发，如图1-2所示，自由电子是本征半导体中可以参与导 电的一种带电粒子，叫做载流子。
电压较低时，由于外电场较弱，还不足以克服PN结内电场 对多数载流了扩散运动的阻力，所以正向电流很小，几乎为 零。此时二极管呈现出很大的电阻。
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1.2 半导体二极管
2.反向特性 图1-10所示曲线②部分为反向特性。二极管两端加上反向
电压时，由于少数载流子漂移而形成的反向电流很小，且在 一定的电压范围内基本上不随反向电压而变化，处于饱和状 态，所以这一段电流称为反向饱和电流IR。硅管的反向饱和 电流约在1μA至几十微安，锗管的反向饱和电流可达几百微 安，如图1-10的OC(OC’)段所示。 3.反向击穿特性 如图1-10中曲线③部分所示，当反向电压增加到一定数值 时，反向电流急剧增大，这种现象称为一极管的反向击穿。 此时对应的反向击穿电压用UBR表示。
1.4.2 晶体三极管的工作原理
三极管有两个按一定关系配置的PN结。由于两个PN结之间 的互相影响，使三极管表现出和单பைடு நூலகம்PN结不同的特性。三 极管最主要的特性是具有电流放大作用。下面以NPN型二极 管为例来分析。
1.电流放大作用的条件 三极管的电流放大作用，首先取决于其内部结构特点，即发
射区掺杂浓度高、集电结面积大，这样的结构有利于载流子 的发射和接收。而基区薄且掺杂浓度低，以保证来自发射区 的载流子顺利地流向集电区。其次要有合适的偏置。三极管 的发射结类似于二极管，应正向偏置，使发射结导通，以控 制发射区载流子的发射。而集电结则应反向偏置，以使集电 极具有吸收由发射区注入到基区的载流子的能力，从而形成 集电极电流。
1.1 半导体基础知识
1.1.1本征半导体
不含杂质且具有完整品体结构的半导体称为本征半导体。最 常用的本征半导体是锗和硅品体，它们都是四价元素，在其 原子结构模型的最外层轨道上各有四个价电子。在单品结构 中，由于原子排列的有序性，价电子为相邻的原子所共有， 形成了如图1-1所示的共价键结构，图中的+4表示四价元素 原子核和内层电子所具有的净电荷。本征半导体在温度 T=0K(热力学温度)目没有其他外部能量作用时，其共价键 中的价电子被束缚得很紧，不能成为自由电子，这时的半导 体不导电，在导电性能上相当于绝缘体。但是，当半导体的 温度升高或给半导体施加能量(如光照)时，就会使共价键中 的某些价电子获得足够的能量而挣脱共价键的束缚，成为自 由电子，同时在共价键中留下一个空位，这个现象称为本征 激发，如图1-2所示，自由电子是本征半导体中可以参与导 电的一种带电粒子，叫做载流子。
2024发光二极管LEDPPT课件
发光二极管LEDPPT课件•发光二极管LED基本概念与原理•发光二极管LED材料与制备技术•发光二极管LED器件结构与封装形式•发光二极管LED驱动电路设计与应用实例目录•发光二极管LED性能测试与评估方法•总结回顾与展望未来发展趋势01发光二极管LED基本概念与原理发光二极管定义及分类定义发光二极管（LED）是一种能将电能转化为光能的半导体电子元件，具有高效、环保、寿命长等特点。
分类根据发光颜色、芯片材料、封装形式等不同，LED可分为多种类型，如单色LED、双色LED、全彩LED、大功率LED等。
工作原理与发光机制工作原理LED的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在PN结附近，当注入少数载流子时，会与多数载流子复合而发出光子，从而实现电能到光能的转换。
发光机制LED的发光颜色与半导体材料的禁带宽度有关，不同材料的禁带宽度不同，发出的光子能量也不同，因此呈现出不同的颜色。
此外，通过改变LED的电流、电压等参数，还可以实现亮度和颜色的变化。
主要参数及性能指标主要参数LED的主要参数包括光通量、发光效率、色温、显色指数等，这些参数决定了LED的发光效果和使用性能。
性能指标评价LED性能的指标主要有寿命、可靠性、安全性等，这些指标对于LED的应用和推广具有重要意义。
应用领域及市场前景应用领域LED广泛应用于照明、显示、指示、背光等领域，如家居照明、商业照明、景观照明、交通信号灯、户外广告屏等。
市场前景随着人们对节能环保意识的提高和LED技术的不断发展，LED市场呈现出快速增长的趋势。
未来，LED将在更多领域得到应用，市场前景广阔。
02发光二极管LED材料与制备技术如砷化镓、磷化镓等，具有高亮度、高效率、长寿命等特点。
半导体材料荧光粉材料封装材料用于LED 的波长转换，可调整LED 的发光颜色。
如环氧树脂、硅胶等，用于保护LED 芯片和提高其稳定性。
030201常用材料类型及特点通过化学气相沉积等方法在衬底上生长出所需的半导体材料。
第三讲++半导体发光材料
0.45<X<1，其跃迁向间接带隙转变，内量子效率迅 速较低
19
AlGaAs
AlxGa1-xAs这种三元系晶体结构的特点是在Al摩尔比x 的整个取值范围内都有几乎理想的晶格匹配。GaAs 与AlAs的晶格常数分别为0.56532nm和0.56622nm， 晶格失配小，在GaAs衬底上生长外延层时，不需要 过渡层，就能获得很高质量的AlxGa1-xAs外延层。
半导体晶体的带隙宽度必须大于所需发光波长的光子能量
h Eg
h
c
Eg
hc
Eg
(nm) 1240
Eg
Eg
hv
其中，h为普朗克常数6.626*10-34J.s， c为光速2.9979*108m/s; 1J=6.25*1018eV
可见光λ：380-780nm，可求对应半导体材料Eg
缩短少数载流子寿命 降低发光效率 SiC晶体、GaN晶体的缺陷
改进材料的生长方法，外延材料要与衬底在晶 格常数和热膨胀系数匹配。
6
作业1：调查蓝宝石作为蓝绿光LED衬底的优 缺点，在LED结构设计的过程中如何克服蓝宝 石的缺点？
7
8
可获得电导率高的P型和N型材料
为制得优良的PN结，要能呈现p型和n型两种晶体 为获得较高的结电场，P区和N区的掺杂要足够高。
发光材料是发光器件的基础，是器件性能提高的 关键
GaAs、GaP、GaAsP II-VI族二元化合物半导体发光器件进展迟缓，虽然曾
被认为是可见光和近紫外区发光器件最自然的候选材 料。 OLED的发光材料研究
15
发光材料
LED芯片用的半导体发光材料：电致发光材料， 无机，与光致发光的荧光粉材料不同
19
AlGaAs
AlxGa1-xAs这种三元系晶体结构的特点是在Al摩尔比x 的整个取值范围内都有几乎理想的晶格匹配。GaAs 与AlAs的晶格常数分别为0.56532nm和0.56622nm， 晶格失配小，在GaAs衬底上生长外延层时，不需要 过渡层，就能获得很高质量的AlxGa1-xAs外延层。
半导体晶体的带隙宽度必须大于所需发光波长的光子能量
h Eg
h
c
Eg
hc
Eg
(nm) 1240
Eg
Eg
hv
其中，h为普朗克常数6.626*10-34J.s， c为光速2.9979*108m/s; 1J=6.25*1018eV
可见光λ：380-780nm，可求对应半导体材料Eg
缩短少数载流子寿命 降低发光效率 SiC晶体、GaN晶体的缺陷
改进材料的生长方法，外延材料要与衬底在晶 格常数和热膨胀系数匹配。
6
作业1：调查蓝宝石作为蓝绿光LED衬底的优 缺点，在LED结构设计的过程中如何克服蓝宝 石的缺点？
7
8
可获得电导率高的P型和N型材料
为制得优良的PN结，要能呈现p型和n型两种晶体 为获得较高的结电场，P区和N区的掺杂要足够高。
发光材料是发光器件的基础，是器件性能提高的 关键
GaAs、GaP、GaAsP II-VI族二元化合物半导体发光器件进展迟缓，虽然曾
被认为是可见光和近紫外区发光器件最自然的候选材 料。 OLED的发光材料研究
15
发光材料
LED芯片用的半导体发光材料：电致发光材料， 无机，与光致发光的荧光粉材料不同
第四章半导体材料-PPT课件
0 0
1 . 1 2 7 m 红外 G a A s , E g 1 . 4 e V , 0 . 8 8 5 m
2、非平衡载流子 光发射 电子被光激发到导带而在价带中留下空穴，状态不 稳定。由此产生的电子空穴对称为非平衡载流子。过一 段时间，电子将跃迁回价带，同时发射一个光子，称为 光发射。 光发射应用：半导体发光二极管、半 导体激光器。但非平衡载流子不是由光激 发产生，而由电子、空穴注入产生。
在外电场下，半导体有电流，电流密度：
jE
且与载流子浓度n、载流子有效质量m*和弛豫时间 有 关： 2
ne j E m* j E
e — 迁 移 率 m * 导电性能 n e
半导体中电子运动不同于真空。真空中服从牛顿定 律，F=-eE=m0a。 m0—自由电子质量。半导体中电子于能带中受约束， 也可以用牛顿定律描述运动。但m0要改成m*。不同半 导体m*不同。
Si Si Si
Si
Si中掺5价P，P取代Si原子。4个 价电子与Si组成共价键。第5个价电 子多余，输送到导带上成为自由电 子。导带中电子导电。 产生的自由电子浓度约等于杂质 原子浓度（可控）。
导带
Si Si
e
Si
P
Si
导带
P
P施主Βιβλιοθήκη PPn型半导体
价带
P
P
施主
P
P
价带
P称为施主杂质，表示能给出一个价电子。
4-2 传统的典型半导体材料
一、分类
1、元素半导体
ⅢA-ⅦA族，十几种元素，如Ge、Si、Se（硒）、Te （碲）等。 2、化合物半导体
二元化合物 ⅢA-ⅤA化合物，9种（Al、Ga、In——P、As、Sb）
1 . 1 2 7 m 红外 G a A s , E g 1 . 4 e V , 0 . 8 8 5 m
2、非平衡载流子 光发射 电子被光激发到导带而在价带中留下空穴，状态不 稳定。由此产生的电子空穴对称为非平衡载流子。过一 段时间，电子将跃迁回价带，同时发射一个光子，称为 光发射。 光发射应用：半导体发光二极管、半 导体激光器。但非平衡载流子不是由光激 发产生，而由电子、空穴注入产生。
在外电场下，半导体有电流，电流密度：
jE
且与载流子浓度n、载流子有效质量m*和弛豫时间 有 关： 2
ne j E m* j E
e — 迁 移 率 m * 导电性能 n e
半导体中电子运动不同于真空。真空中服从牛顿定 律，F=-eE=m0a。 m0—自由电子质量。半导体中电子于能带中受约束， 也可以用牛顿定律描述运动。但m0要改成m*。不同半 导体m*不同。
Si Si Si
Si
Si中掺5价P，P取代Si原子。4个 价电子与Si组成共价键。第5个价电 子多余，输送到导带上成为自由电 子。导带中电子导电。 产生的自由电子浓度约等于杂质 原子浓度（可控）。
导带
Si Si
e
Si
P
Si
导带
P
P施主Βιβλιοθήκη PPn型半导体
价带
P
P
施主
P
P
价带
P称为施主杂质，表示能给出一个价电子。
4-2 传统的典型半导体材料
一、分类
1、元素半导体
ⅢA-ⅦA族，十几种元素，如Ge、Si、Se（硒）、Te （碲）等。 2、化合物半导体
二元化合物 ⅢA-ⅤA化合物，9种（Al、Ga、In——P、As、Sb）
半导体光电材料基础ppt课件
• 俄歇过程包括两个电子（或空穴）和一个
空穴（或电子）的相互作用，故当电子
P型
（或空穴）浓度较高时，该复合较显著。
因而PN结LED的掺杂浓度不能太高。
带-带俄歇过程
20
7.2 辐射复合与非辐射复合
7.2.2 非辐射复合过程
2）俄歇（Auger）过程
• 带-杂质能级的俄歇过 程：多子和一个陷在 禁带中的能级上的少 子的复合。
6）等电子陷阱复合
-a 0 a x
• 形成等电子杂质原子对电子（空穴）的束缚态的条 件是什么？
形成等电子杂质对电子的束缚作用是一个短程 势，可以看成是深度为V0，半径为a的方势阱。计算 表明，只有满足以下关系时，可能出现束缚态。
V0 a 2
2 2
8m*
电子有效质量大的情况容易产生等电子陷阱。一般，
14
7.2 辐射复合与非辐射复合
7.2.1 非平衡载流子的辐射复合
6）等电子陷阱复合 • 与直接跃迁相比，GaP:N 跃迁概率还是很小的。 • 另外，两个或多个N原子也可以形成等电子陷阱，
如GaAs1-xPx:NN和GaAs1-xPx:NN3
15
7.2 辐射复合与非辐射复合
V(x) V0
7.2.1 非平衡载流子的辐射复合
宽禁带材料电子有效质量较大，等电子陷阱往往发生
在宽禁带半导体中。
16
7.2 辐射复合与非辐射复合
7.2.1 非平衡载流子的辐射复合
6）等电子陷阱复合 • 如何才能形成束缚性很强的等电子陷阱？
当等电子杂质原子的半径与被取代的基质原 子的半径差别很大时，晶格形变也很大，才能产 生有效的束缚较强的束缚态。
• 室温下，由于与声子相互作用较强，D-A对发光的线 光谱很难被观测到；但在低温下可以很明显地观察 到D-A对发射的线光谱。
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
6 第4章 半导体的激发与发光——半导体照明课件PPT
注：声子就是晶格振动的简正模能量量子。
第二节 注入载流子的复合
直接带隙半导体 间接带隙半导体
价带的极大值和导带的极小 价带的极大值和导带的极
值都位于k空间的原点上；
小值不位于k空间的原点上
价带电子跃迁到导带时，只 要求能量的改变，而电子的 准动量不发生变化，称为直 接跃迁；
价带的电子跃迁到导带时 ，不仅要求电子的能量要 改变，电子的准动量也要 改变，称为间接跃迁
（2）热击穿（不可逆）
反向电压
反向电流
结温
热激发
3、PN结的电容效应 在PN结内的耗尽层中，存在相对的正负电荷，根据外加电压
能改变耗尽层的宽度，因而电容量也随之变化，因此PN结具有 的电容效应。
在突变结的情况下：
Cj
C0
(1
V
)
1 2
在缓变结的情况1 3
式中C0是无外加电压时耗尽层的电容量。
I （毫安）
３０
正向
２０
１０
0
0.2
V（伏）
1.0
（２） 反向偏压
在ＰＮ结的P型区接电源负极，N型区接电源正极， 叫反向偏压。
E
p型
n型
E阻
阻挡层势垒增大、变宽， 不利于空穴向Ｎ区运动，
I 也不利于电子向P区运动，
没有正向电流。 PN结表现 为大电阻。
但是，由于少数载流子 的存在，会形成很弱的反 向电流，这个电流也称为 反向饱和电流。
直接跃迁对应的半导体材料 称为直接禁带半导体， GaAs，GaN，ZnO。
间接跃迁对应的半导体材 料称为间接禁带半导体， 例子：Si，Ge，GaP。
表4-2 直接和间接带隙半导体的理论复合概率（300K）
化合物 GaAs GaSb InP
第二节 注入载流子的复合
直接带隙半导体 间接带隙半导体
价带的极大值和导带的极小 价带的极大值和导带的极
值都位于k空间的原点上；
小值不位于k空间的原点上
价带电子跃迁到导带时，只 要求能量的改变，而电子的 准动量不发生变化，称为直 接跃迁；
价带的电子跃迁到导带时 ，不仅要求电子的能量要 改变，电子的准动量也要 改变，称为间接跃迁
（2）热击穿（不可逆）
反向电压
反向电流
结温
热激发
3、PN结的电容效应 在PN结内的耗尽层中，存在相对的正负电荷，根据外加电压
能改变耗尽层的宽度，因而电容量也随之变化，因此PN结具有 的电容效应。
在突变结的情况下：
Cj
C0
(1
V
)
1 2
在缓变结的情况1 3
式中C0是无外加电压时耗尽层的电容量。
I （毫安）
３０
正向
２０
１０
0
0.2
V（伏）
1.0
（２） 反向偏压
在ＰＮ结的P型区接电源负极，N型区接电源正极， 叫反向偏压。
E
p型
n型
E阻
阻挡层势垒增大、变宽， 不利于空穴向Ｎ区运动，
I 也不利于电子向P区运动，
没有正向电流。 PN结表现 为大电阻。
但是，由于少数载流子 的存在，会形成很弱的反 向电流，这个电流也称为 反向饱和电流。
直接跃迁对应的半导体材料 称为直接禁带半导体， GaAs，GaN，ZnO。
间接跃迁对应的半导体材 料称为间接禁带半导体， 例子：Si，Ge，GaP。
表4-2 直接和间接带隙半导体的理论复合概率（300K）
化合物 GaAs GaSb InP
半导体照明课件 7 第5章 半导体发光材料体系
• 带隙宽度可随In0.5(Ga1-xAlx)P固溶体中组分x的变化而调
节，在从红光到绿光相当宽的波长范围可实现LED的超高 亮度。
半导体固溶体
1.由两种或两种以上同一类型的半导体相互溶合而组 成的，且一般是组分连续(无限)的，又称合金半导体 材料。
2.分类：按半导体类型分： 硅锗固溶体（SixGe1-x）， 各种III－V族化合物固溶体， 各种II－VI族化合物固溶体。
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)
x
EgAC
(1
x)
EgBC
bABC
x
(1
x)
其中，b 称为能隙弯曲参数（bowing parameter）
E(k) GaAs 导带
能 隙 宽 度 （ ）
eV
E(k)
GaP 导带
直接带隙
间接带隙
GaAs
组分比x
GaP
图 GaAs1-xPx能带跃迁类型因导带主能谷和子 能谷相对位置的变化而随组分变化的情况。
第二节 半导体发光材料
成为半导体发光材料的条件
1、半导体带隙宽度与可见或紫外光子能量相匹配。 (nm) 1239.5 Eg (eV)
2、只有直接带隙半导体才有较高的辐射复合概率。
成为半导体发光材料的条件
5、GaAs中的Si占据Ga或As位后形成施主或受主，因此是两性 杂质。从Ga溶液中液相外延生产GaAs时，在高温下掺Si形成 施主，在低温下掺Si形成受主，在940nm处出现发光峰。
6、 GaAs发光二极管采用普通封装结构时发光效率为4%，采
用半球形结构时发光效率可达20%以上。它们被大量应用于遥 控器和光电耦合器件。
节，在从红光到绿光相当宽的波长范围可实现LED的超高 亮度。
半导体固溶体
1.由两种或两种以上同一类型的半导体相互溶合而组 成的，且一般是组分连续(无限)的，又称合金半导体 材料。
2.分类：按半导体类型分： 硅锗固溶体（SixGe1-x）， 各种III－V族化合物固溶体， 各种II－VI族化合物固溶体。
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)
x
EgAC
(1
x)
EgBC
bABC
x
(1
x)
其中，b 称为能隙弯曲参数（bowing parameter）
E(k) GaAs 导带
能 隙 宽 度 （ ）
eV
E(k)
GaP 导带
直接带隙
间接带隙
GaAs
组分比x
GaP
图 GaAs1-xPx能带跃迁类型因导带主能谷和子 能谷相对位置的变化而随组分变化的情况。
第二节 半导体发光材料
成为半导体发光材料的条件
1、半导体带隙宽度与可见或紫外光子能量相匹配。 (nm) 1239.5 Eg (eV)
2、只有直接带隙半导体才有较高的辐射复合概率。
成为半导体发光材料的条件
5、GaAs中的Si占据Ga或As位后形成施主或受主，因此是两性 杂质。从Ga溶液中液相外延生产GaAs时，在高温下掺Si形成 施主，在低温下掺Si形成受主，在940nm处出现发光峰。
6、 GaAs发光二极管采用普通封装结构时发光效率为4%，采
用半球形结构时发光效率可达20%以上。它们被大量应用于遥 控器和光电耦合器件。
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半导体发光材料器件
波长/μm
◄1.5◄Fra bibliotek近红外
1.0
◄
可见光 0.5
◄
ΔΔ
Δ
InGaAsP激光器
InGaAs激光器 AlGaAs激光器 AlInGaP激光器(红) GaN激光器(蓝)
通讯系统 光盘存储
半导体激光器材料、发射波长和应用分类
参考文献
[1] 余金中编著.半导体光电子技术.北京：化学工业出版社,2003. [2] 方志烈编著.半导体发光材料和器件.上海：复旦大学出版社,1992. [3] Dimaria D J, Kirtley J R, Pakulis E J, et al. Appl. Phys, 1984, 56: 401. [4] Canham L T. Appl Phys Lett.1990, 57: 1046. [5] Wang J, Ning Y Q, Ren D C, et al. Micronano-electronic Technology,
GaAs的发光原理
1
10-1
发
光
N型
相 10-2
P型
对
效
率 10-3
10-4 1016
1017
1018
1019
1020
杂质浓度（cm-3）
室温下用电子束激发GaAs发光时的相对效率与杂质浓度
GaAs的发光原理
E
ED Eg
（a）低浓度
（b）中等浓度下 的杂质带
（c）高浓度 下的带尾
杂质浓度增加引起的态密度变化
Si基发光材料
硅（Si）是目前最主要的半导体，在微电子 器件材料领域占有主流地位，硅基光电子集 成是目前科学研究的热点。
光发射器件是硅基光电集成中的关键器件， 要实现硅基光电子集成，就必须解决硅基材 料的发光问题！
Si基发光材料
1984年Dimaria等人报道了，半透明Au 膜/ SiO2(50nm)/富硅SiO2(20nm)/n-Si结构在1000℃退 火后，正向偏压大于15V下有电致发光出现。 1990年Canham报道了室温下多孔硅的强光致发光。
硅基量子结构
研究集中在α-Si(Ge)/SiO2超晶格、SiGe/Si 量子阱和Si(Ge)量子点发光。
原因
1. 为了对量子点发光的机理进行深入研究，以求得 物理上的正确模型与解释。
2. 在Si上制作量子点，从三维上对电子和空穴进行 限制，真正回避了硅基材料间接带隙发光效率低 的难题。
半导体发光材料器件
2002, 8: 18. [6] Qin G G, Wang Y Q, Qiao Y P, et a1. Appl Phys Lett, 1999, 74:
2182. [7] Lockwood D J, Lu Z H, Baribeau J M. Phys Rev Lett, 1996, 76: 539. [8] Tsybeskov L, Grom G F, Fauchet P M. et a1. Appl Phys Lett, 1999,
典型的直接跃迁型材料 最为重要且研究最多的III-V族化合物半导体 Eg~1.43eV，λ~900nm 微波器件，半导体激光器，上转换可见光器 件的红外激发源，发光耦合器的红外发光源 等 许多材料外延生长的衬底
GaAs基本性质
闪锌矿结构
（110）自然解理面
主要缺陷
位错 化学计量比偏离 杂质偏析 显微沉淀
半导体发光材料
发光的主要机制：
e-h的复合，释放光子
半导体发光材料
直接带隙跃迁
h Eg
特点：无声子参与， 发光效率高
半导体发光材料
直接跃迁的半导体材料
以III-V族化合物半导体以及由它们组成的三四元固溶体为主 GaAs InP GaN GaAsP InGaAsP ......
GaAs半导体材料
75: 2265. [9] Zacharias M, Blasing J, Veit P, et a1. Appl Phys Lett. 1999, 74: 2614. [10] Qin G G, Heng C L, Bai G F, et a1. Appl Phys Lett, 1999, 75: 3629.
半导体发光材料
目录
半导体发光材料的条件 半导体发光材料 ► GaAs半导体材料 ► Si基发光材料 半导体发光材料器件
半导体发光材料的条件
合适的带隙宽度
Eg[eV]hc 1.24
[m]
电导率高的P型和N型晶体
用以制备优良的PN结
完整性好的优质晶体
制作高效率发光器件的必要条件
发光复合几率大
直接带隙跃迁 间接带隙跃迁
谢 谢！
个人观点供参考，欢迎讨论！
GaAs的发光原理
E
hv
Eg
hv
P(E) (a) N型晶体
(b) P型晶体
高杂质浓度晶体内的带间跃迁
GaAs的发光原理
GaAs发光二极管主要在P区发光：
（1）μn/μp高达20左右 （2）N区的费米能级因简并处于很高的位置 （3）P区内受主很深且形成杂质带
半导体发光材料
间接带隙跃迁
h E g
特点：有声子参与， 发光效率低。
近年来许多研究机构正在通过半导体杂质工程或能 带工程的方法来改善硅的发光效率，并取得一定的 进展。
杂质发光
1.等电子（杂质）中心
等电子陷阱 束缚激子 对提高间接带隙材料的发光效率起着关键作用。
2.掺Er杂质发光
发光机理：激子传递能量模型。 目前的局限：Er在Si中的固溶度仅能到1018cm-3，
发光效率较低发光强度不高。