第八章半导体发光
半导体发光材料
半导体发光材料半导体发光材料是一种在电流或电场的作用下能够发出可见光的材料。
它们通常是由半导体材料构成的，具有直接能隙结构，能够实现电子和空穴的复合，从而产生光子。
半导体发光材料在现代光电子技术中具有广泛的应用，如LED、激光器、光电探测器等。
本文将从半导体发光材料的基本原理、材料种类以及应用领域等方面进行介绍。
半导体发光材料的基本原理是通过外加电场或电流使得电子和空穴发生复合，从而释放出能量，产生光子。
这种发光过程是一种固体物理学中的直接能隙辐射过程。
在半导体材料中，电子和空穴可以通过外加电场或电流被激发到激子态，当激子复合时，就会释放出光子，产生发光现象。
根据材料的不同，半导体发光材料可以分为多种类型，包括有机发光材料、无机发光材料、量子点发光材料等。
有机发光材料通常是指含有碳、氢、氧、氮等元素的有机化合物，如聚合物发光材料、有机小分子发光材料等。
无机发光材料则是指由无机化合物构成的发光材料，如氧化锌、氮化镓等。
而量子点发光材料是一种新型的半导体纳米材料，具有优异的光电性能和发光特性。
半导体发光材料在LED、激光器、光电探测器等领域有着广泛的应用。
LED作为一种新型的绿色照明光源，具有节能、环保、寿命长等优点，已经逐渐取代了传统的白炽灯和荧光灯。
激光器则是一种高亮度、高单色性、高方向性的光源，被广泛应用于通信、医疗、制造等领域。
光电探测器则是利用半导体发光材料的光电特性来实现光信号的转换和检测，广泛应用于光通信、光谱分析、遥感探测等领域。
总的来说，半导体发光材料作为一种重要的光电功能材料，具有广泛的应用前景。
随着科技的不断进步和发展，相信半导体发光材料将会在更多的领域得到应用，并为人类社会的发展做出更大的贡献。
半导体发光原理
半导体发光原理
半导体发光原理是以半导体材料为活性物质，利用电子空穴的自由结合-释放过程，在半导体中央材料所承受的电子空穴共存状态下，发生放射发光。
它的发光原理是，电子与空穴结合后形成短暂的易衰减的量子状态，电子从这种状态释放后就会跃迁至更高能量水平的层中，而激活该层的电子就会被带回原键，这个过程可以释放出大量电子能带来的能量，从而发出蓝光和紫外线。
有铝镓硅(AlGaInP)、氮化镓铝硅(GaNAlInP)和氮化镓铝铟(GaNAlInIn)等等的半导体可以产生发光。
它们可以根据不同的组成元素、激发和泵浦源生成不同波长的光，发出红、橙、黄、绿、青、蓝多种不同颜色的光。
半导体发光原理
半导体发光原理
半导体发光原理是指在半导体材料中，当电子和空穴结合时，会释放出能量并发出光线的现象。
这种现象是由于半导体材料的特殊性质所导致的。
半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的材料，它的导电性能介于导体和绝缘体之间。
在半导体材料中，电子的能级分布是非常特殊的，它们只能占据特定的能级，而不能占据其他能级。
当半导体材料中的电子和空穴结合时，它们会释放出能量，这些能量以光的形式发出。
半导体发光原理的实现需要一个特殊的结构，即p-n结。
p-n结是由p型半导体和n型半导体组成的结构，它们之间形成了一个电势垒。
当外加电压作用于p-n结时，电子和空穴会在电势垒处结合，释放出能量并发出光线。
半导体发光原理的应用非常广泛，例如LED（发光二极管）就是一种利用半导体发光原理制造的光源。
LED具有高效、长寿命、低功耗等优点，因此被广泛应用于照明、显示、通信等领域。
除了LED之外，半导体发光原理还可以应用于激光器、太阳能电池等领域。
激光器利用半导体发光原理产生高强度、单色、相干的光线，被广泛应用于医疗、通信、材料加工等领域。
太阳能电池则利用半导体发光原理将太阳能转化为电能，成为清洁能源的重要组
成部分。
半导体发光原理是一种非常重要的物理现象，它的应用涉及到众多领域，对人类社会的发展产生了深远的影响。
半导体器件物理课件——第八章
GaAs, n ，p 所30以它们是制造LE
8.3.2量子效率
2.辐射效率 • 发生辐射复合的电子数与总的注入电子数比：
r
Ur U r Unr
Ur
n
r
U nr
n
nr
r
1
1r
nr
r
（8-16） （8-17） （8-18） （8-19）
8.3.2量子效率
三种可能的复合过程
Ec
Et
R1
Ev
R3 浅施主能级Ed
8.1.1辐射复合
.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半 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
8.1.1 辐射复合
8.3.2量子效率
• 1.注射效率
h
Eg
h ＞ Eg Eg
h ＜ Eg
（a）
（b）
图8-12 带尾对带带复合的影 响；（a）型，（b） 型
r
In
In I p Irec
8.3.2量子效率
注射效率就是可以产生辐射复合的二极管电流在二极管的总电流中所占的百 分比。
• 根据（8-15）式提高注射效率的途径是：
h
Eg
En exc
NEp
（8-8）
式中 NE表p 示吸收或放出能量为 的E p 个N声子。
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
，则其发射光谱的峰值为
半导体物理学第八章知识点
第8章 半导体表面与MIS 结构许多半导体器件的特性都和半导体的表面性质有着密切关系，例如，晶体管和集成电路的工作参数及其稳定性在很大程度上受半导体表面状态的影响；而MOS 器件、电荷耦合器件和表面发光器件等，本就是利用半导体表面效应制成的。
因此．研究半导体表面现象，发展相关理论，对于改善器件性能，提高器件稳定性，以及开发新型器件等都有着十分重要的意义。
§8.1 半导体表面与表面态在第2章中曾指出，由于晶格不完整而使势场的周期性受到破坏时，禁带中将产生附加能级。
达姆在1932年首先提出：晶体自由表面的存在使其周期场中断，也会在禁带中引入附加能级。
实际晶体的表面原子排列往往与体内不同，而且还存在微氧化膜或附着有其他分子和原子，这使表面情况变得更加复杂。
因此这里先就理想情形，即晶体表面无缺陷和附着物的情形进行讨论。
一、理想一维晶体表面模型及其解达姆采用图8-l 所示的半无限克龙尼克—潘纳模型描述具有单一表面的一维晶体。
图中x ＝0处为晶体表面；x ≥0的区域为晶体内部，其势场以a 为周期随x 变化；x ≤0的区域表示晶体之外，其中的势能V 0为一常数。
在此半无限周期场中，电子波函数满足的薛定谔方程为)0(20202≤=+-x E V dx d m φφφη (8-1))0()(2202≥=+-x E x V dx d m φφφη (8-2)式中V (x)为周期场势能函数，满足V (x +a )=V(x )。
对能量E ＜V 0的电子，求解方程(8-1)得出这些电子在x ≤0区域的波函数为 ])(2ex p[)(001x E V m A x η-=φ (8-3) 求解方程(8-2)，得出这些电子在x ≥0区域中波函数的一般解为kx i k kx i k e x u A e x u A x ππφ22212)()()(--+= (8-4)当k 取实数时，式中A 1和A 2可以同时不为零，即方程(8-2)满足边界条件φ1(0)=φ2(0)和φ1'(0)=φ2'(0)的解也就是一维无限周期势场的解，这些解所描述的就是电子在导带和价带中的允许状态。
半导体发光材料及器件的研究与应用
半导体发光材料及器件的研究与应用随着现代科技的不断发展，半导体发光材料及器件已经成为了当今科学界最具前沿性和发展潜力的领域之一。
作为电子学和光学的交叉领域，半导体发光材料和器件被广泛应用于各个领域，包括显示器、照明、通信、生物医学、新能源等等。
而其背后的原理和技术，也成为了科学界一个受到广泛关注的热门话题。
一、半导体发光材料的基本原理半导体发光材料是指，在外部激发下，能够在电子-空穴对复合后以辐射能量的形式释放光子的物质。
其原理是基于半导体物质在带隙范围内能量的电子和空穴之间发生反复布居和复合的原理。
而这种能量差效应，也是半导体发光材料的独特之处。
这种效应的产生和调控，将成为未来半导体发光材料研究的重点。
二、半导体发光材料的分类目前，半导体发光材料主要可以分为两大类：有机发光材料和无机发光材料。
有机发光材料是指利用有机化合物中的聚合物或小分子材料，通过外界激发机制来实现“无需金属电极”的发光效率。
而无机发光材料，则以半导体材料为主。
其中，复合半导体材料、金属卤化物及其有机-无机混合体等材料尤为重要。
三、半导体发光器件的制备和应用在半导体发光器件的制备方面，目前比较常用的制备方法有化学气相沉积、物理气相沉积、溶胶凝胶法等。
而在应用方面，半导体发光器件的应用并不仅限于室内照明、宣传屏和LED车灯等领域。
近年来，半导体发光器件还被广泛应用于飞行器导航、植物生长研究、动物生态监测等领域。
四、半导体发光材料及器件的未来前景世界上对于半导体发光材料及器件的狂热研究，恰恰说明其拥有极大的发展潜力和未来前景。
特别是在当前新冠疫情的背景下，半导体发光材料和器件为抗疫提供了更多可能性和解决方案。
例如，国内某家非公开医院所开机器人就采用了半导体发光器件，使其在进行手术过程时能够更加安全和高效。
五、结语总之，半导体发光材料及器件的研究已经成为当今科学界最具前沿性的领域之一。
未来，随着更加深入的研究和技术的不断创新，半导体发光材料及器件也将发挥更为重要的作用，提供更为丰富的解决方案，让我们每个人都能够更加安全、更有效率地生活和工作。
半导体的发光和显示 (2)
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固体摄像器件CCD
CCD工作原理 电耦合器件（CCD），是一种大规模集成的光二极管阵 列成像器件，分为线阵CCD和面阵CCD两种结构
光电转换与电荷储存
电荷的传输
电荷的拾取
半导体平板显示器件
与普通二极管相比，半导体发光二极管pn结区较宽， 参杂浓度高
特点：低电压工作，尺寸小，可集成，能 适应电池供电和配用逻辑电路
类型：GaAs1-xPx（红色），GaP（红，黄，绿色） 和GaN（蓝，绿，黄色）等
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场致其发光他显发示版光显示板简介
•场致发光显示版通常属硫化锌序列 显示板尺寸有201mm×269mm，对比度为20:1至 50:1 •等离子体显示板：等离子体中带负电的电子与已被电 离了的气体原子发生碰撞并复合发光 等离子显示板已成功地用于计算机监视器中，显示图 形与文字，并正在向电视图像显示应用领域扩展
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(2) 间接辐跃射迁 跃迁
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辐射跃迁
2.杂质能级与能带之间的跃迁 3.在定域中心上的跃迁（ZnS，Mn）
跃迁时发射出一个原子跃迁特征 的狭窄谱线 4.在等电子中心上的跃迁 5.施主—受主跃迁
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无辐射跃迁
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液晶和液晶显示液晶的三
种类型
近晶相
层状结构，层与 层之间可自由滑 动，各层分子有 一定的排列方向， 位置完全无序， 分子长轴与层面 垂直或倾斜
向列相
在磁场，电场， 表面力和机械力 的影响下，分子 排列趋于同一方 向
胆甾相
具有很大的 旋光性
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固体摄像器件CCD
固体摄像器件是20世纪60年代末发明的，并逐 渐成熟起来的光电子成像半导体器件。所谓光 电子成像，是以光子，电子作为信息载体，研 究图像转换，增强，接受，传输，处理，显示 及存储等物理过程的一门综合性学科
半导体材料发光的能带理论PPT课件
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
半导体发光资料整理版.ppt
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，
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 。
谢 谢！
半导体激光器
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,
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。
半导体发光材料
半导体发光原理
半导体发光原理
半导体发光原理是一种通过半导体材料发射光线的物理现象。
这种现象被广泛应用于各种光电子器件，如LED灯、激光器等。
在半导体发光原理中，当半导体材料受到电压激发时，电子会从低能级跃迁到高能级，然后重新回到低能级释放出光子，产生光线。
半导体发光原理的基础是半导体材料的能带结构。
在半导体材料中，存在导带和价带两种能带。
当半导体处于静态状态时，电子处于价带中，没有任何光子产生。
但是当半导体受到外界能量激发时，电子会跃迁到导带中，形成电子-空穴对。
当电子重新回到价带时，会释放出能量，这些能量以光子的形式释放出来，从而产生光线。
半导体发光原理的关键在于激发电子跃迁的方式。
在LED灯中，电子和空穴通过注入电流的方式被激发，当电子和空穴复合时，会释放出光子，产生可见光。
而在激光器中，激光器通过受激辐射的方式激发电子跃迁，产生相干光。
不同的激发方式会导致不同的发光特性，从而应用于不同的光电子器件中。
半导体发光原理的应用非常广泛。
LED灯作为一种高效节能的照明设备，被广泛应用于家庭照明、汽车照明、显示屏等领域。
激光器则被应用于通信、医疗、制造等领域。
半导体发光原理不仅提高了光电子器件的效率，还拓展了人类对光的应用范围。
总的来说，半导体发光原理是一种重要的物理现象，通过激发半导
体材料中的电子跃迁产生光线。
这种原理被广泛应用于LED灯、激光器等光电子器件中，为人类生活和科技发展带来了巨大的便利。
通过深入研究半导体发光原理，可以进一步提高光电子器件的性能，推动科技的进步。
第八章半导体发光
第八章半导体发光研究一种新型半导体材料，首先是要对它的光电以及结晶品质等进行研究。
对于光电子材料。
对它的发光性质的研究是一个重大课题，有大量的工作可做。
可以说每一种光电子材料的光学性质研究都有大量文献报道。
通过对材料的发光性能的研究，可以判定材料的生长质量，发光特性，杂质情况，杂质电离能，适合不适合制作发光器件等。
画光谱图1. 辐射跃迁：处于激发态的电子向较低的能级跃迁，同时发射光子的过程。
要求系统处于非平衡状态，一般通过一些外加的激发手段才能达到。
电致发光：电流激发。
阴极射线发光：电子束激发。
光致发光：光激发，入射光子能量要大于材料禁带宽度。
2．发光波长与能量的关系：λ=c/v=hc/E=1240/E（nm），E单位为电子伏特（eV）3．带-带跃迁：导带的电子跃迁到价带，与空穴复合，自由载流子复合。
（激子效应对半导体发光光谱有更重要的影响，但在较高实验温度下和对于纯度较差的样品，可以观察到带-带跃迁）发光光谱形状：F(hv )∝( hv )2（hv-Eg）1/2exp-(hv-Eg)/KT特征：发光峰在Eg附近。
发光峰具有一个高能量尾部，在hv=Eg处，低能量边缘突然截止。
在低激发情况，发射峰的半峰宽近似等于0.7kT。
随掺杂浓度增加和费米能级深入导带，发光峰峰位置和高能边缘均向高能量方向移动。
增加激发和升高温度也可导致发光向高能方移动。
自吸收导致实验观测的发光光谱向低能方向漂移。
K：玻尔兹曼常数，8.62x10-5电子伏特/度。
300K时，KT约26meV。
77K时，KT约6.6meV。
4．自由激子：自由电子和自由空穴由与库仑力作用而束缚在一起所形成的系统，可在晶体中运动。
电子与空穴之间的作用类似与氢原子中电子与质子的相互作用。
自由激子代表了低激发密度下纯半导体中电子和空穴的能量最低的本征激发态。
（对足够纯的半导体材料，低温下本征辐射复合的主要特征可以是激子复合导致的狭窄谱线。
按激子复合发光模型，发光谱低能端应在激子波矢0对应的激子能量处突然截止，考虑激子效应时，有时还需考虑激子和光子耦合导致的激子极化激元的效应，可以解释实验观察到的发光谱线的低能带尾）。
半导体发光的基本原理
自发辐射
电子从高能级自发的发射到低能级 直接跃迁： 间接跃迁：
泵浦
光束泵浦 结合的典型时间 10-11s 0.25s
P-N结加偏压泵浦（电致发光）
发光二极管
优点 1在很高的频率进行 调制 2耦合到微米量级的光 波导中 应用：平板指示灯和显示器件
提高发光效率：
发光效率
减小PN结的相应结区 选择吸收系数低的材料
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单击此处添加正文，文字是您思想的提炼，为了演示发布的良好效果，请言简意赅地阐述您的观点。您的内容已经简明扼要，字字珠玑，但信息却千丝万缕、错综复杂，需要用更多的文字来表述；但请您尽可能提炼思想的精髓，否则容易造成观者的阅读压力，适得其反。正如我们都希望改变世界，希望给别人带去光明，但更多时候我们只需要播下一颗种子，自然有微风吹拂，雨露滋养。恰如其分地表达观点，往往事半功倍。当您的内容到达这个限度时，或许已经不纯粹作用于演示，极大可能运用于阅读领域；无论是传播观点、知识分享还是汇报工作，内容的详尽固然重要，但请一定注意信息框架的清晰，这样才能使内容层次分明，页面简洁易读。如果您的内容确实非常重要又难以精简，也请使用分段处理，对内容进行简单的梳理和提炼，这样会使逻辑框架相对清晰。为了能让您有更直观的字数感受，并进一步方便使用，我们设置了文本的最大限度，当您输入的文字到这里时，已濒临页面容纳内容的上限，若还有更多内容，请酌情缩小字号，但我们不建议您的文本字号小于14磅，请您务必注意。单击此处添加正文，文字是您思想的提炼，为了演示发布的良好效果，请言简意赅地阐述您的观点。您的内容已经简明扼要，字字珠玑，但信息却千丝万缕、错综复杂，需要用更多的文字来表述；但请您尽可能提炼思想的精髓，否则容易造成观者的阅读压力，适得其反。正如我们都希望改变世界，希望给别人带去光明，但更多时候我们只需要播下一颗种子，自然有微风吹拂，雨露滋养。恰如其分地表达观点，往往事半功倍。当您的内容到达这个限度时，或许已经不纯粹作用于演示，极大可能运用于阅读领域；无论是传播观点、知识分享还是汇报工作，内容的详尽固然重要，但请一定注意信息框架的清晰，这样才能使内容层次分明，页面简洁易读。如果您的内容确实非常重要又难以精简，也请使用分段处理，对内容进行简单的梳理和提炼，这样会使逻辑框架相对清晰。为了能让您有更直观的字数感受，并进一步方便使用，我们设置了文本的最大限度，当您输入的文字到这里时，已濒临页面容纳内容的上限，若还有更多内容，请酌情缩小字号，但我们不建议您的文本字号小于14磅，请您务必注意。单击此处添加正文，
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 )
精选ppt课件
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 )
精选ppt课件
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)
精选ppt课件
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
精选ppt课件
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
半导体物理第八章作业(八)答案汇编
7.3 ×10−5 cm
4. 对由电阻率为 5Ω⋅cm 的 n 型硅和厚度为 100nm 的二氧化硅膜组成的 MOS 电 容，计算其室温（27℃）下的平带电容 CFB/C0。
解：当 ρ = 5Ω ⋅ cm 时，由图 4-15 查得 ND = 9×1014 cm−3 ；
室温下 kT = 0.026eV ， εr0 = 3.84 （SiO2 的相对介电系数）
解：空穴占据受主界面态的分布函数：
f
=
1+
1
1
EF − EsA
e k0T
4
①EsA=Ei，所以 ( p− ESS ) = NSS (1 − f ) =
N SS
Ei −EF
1 + 4e k0T
则 QSS = q ⋅ p− (ESS ) =
qN SS
Ei −EF
1 + 4e k0T
∫ ( ) ∫ ( ) ② p− = p EC − E dE = EC
EV
EV
N SS
E−EF
dE = NSS
EF
− EV
1 + 4e k0T
因此 QSS = q ⋅ p− = ( qNSS EF − EV )
∫ U FB1
=
−
1 d0C0
d0 0
ρ0 xdx
=
−
ρ0 d0C0
⋅
x2 2
|d0
0
=
−
ρ0 2C0
d0
对情形②和③，以金属-氧化层边界为坐标原点，设最高电荷密度为ρM，因为这两种情况的 电荷总数相等，氧化层厚度相等且同为三角形分布，因此二者的ρM 相等，只是出现的位置 不同。对情形②近硅处电荷密度为零的三角形分布，电荷分布函数可表示为
【半导体照明课件】8 第8章 AlGaInP 发光二极管
2021/2/13
TSSEL part-1-MOVPE growth.ppt - version 1.0
Components of a Low Pressure (LP) MOCVD System
gas control unit
▪ Often all three expressions are used interchangeably
2021/2/13
TSSEL part-1-MOVPE growth.ppt - version 1.0
二、LED外延片的制作
MOCVD实例
三、LED外延片的制作
二、LED外延片的制作
系统简介 本系统为英国Thomas Swan公司制造，具有世 界先进水平的商用金属有机源气相外延(MOCVD) 材料生长系统，可用于制备GaAs和InP、GaN为代 表的第二、三代半导体材料。在高亮度的蓝光发 光二极管(LED)、激光器(LD)、日盲紫外光电探测 器、高效率太阳能电池、高频大功率电子器件领
Carbontetrachloride CCl4 (p-dopant in GaAs)
Carbontetrabromide CBr4 (p-dopant )
Silane (n-dopant)
SiH4
liquid, C is shallow acceptor in GaAs, C has low diffusion coeff., used for sharp interfaces, e.g., for high p-type doping in HBTs used in similar applications as CCl4 used as n-dopant for electronic devices
半导体发光原理
半导体发光原理半导体发光原理是指在半导体材料中，当电子与空穴结合时会释放出能量，产生光子，从而实现发光的现象。
这一原理是现代电子技术中非常重要的一部分，广泛应用于LED、激光器等领域。
本文将从半导体的基本结构、载流子的行为以及发光机制等方面对半导体发光原理进行详细介绍。
首先，我们来了解一下半导体的基本结构。
半导体是一种介于导体和绝缘体之间的材料，它的导电性介于导体和绝缘体之间。
半导体材料通常是由硅、锗等元素组成的，它的晶体结构使得在晶格中存在大量的空穴和自由电子。
当半导体材料被掺杂时，可以形成n型和p型半导体，这种p-n结构是实现半导体发光的基础。
其次，我们需要了解载流子的行为。
在半导体中，当施加电压时，n型半导体中的自由电子会向p型半导体扩散，而p型半导体中的空穴会向n型半导体扩散。
在p-n结的结合区域，自由电子会与空穴重新结合，释放出能量。
这种能量释放的方式有两种，一种是通过非辐射复合，即产生热能，另一种是通过辐射复合，即产生光能。
而半导体发光就是基于这种辐射复合的原理。
最后，让我们来探讨一下半导体发光的机制。
半导体发光的机制主要有发光二极管（LED）和激光器两种。
在LED中，当电流通过p-n结时，自由电子和空穴重新结合，产生光子，从而产生可见光。
而在激光器中，通过光学共振腔的作用，可以实现产生一种高度相干的光，产生激光。
这两种机制都是基于半导体发光原理实现的。
总的来说，半导体发光原理是基于半导体材料的特性和载流子的行为，通过电子与空穴的结合释放能量而产生光子的现象。
这一原理不仅在LED、激光器等领域有着广泛的应用，也在信息显示、光通信等领域发挥着重要作用。
通过深入了解半导体发光原理，我们可以更好地理解现代电子技术中的许多应用，并为未来的科技发展提供更多可能性。
半导体发光的基本原理
半导体发光的基本原理
半导体发光的基本原理是通过激发半导体材料中的电子，使其跃迁到较高能级，产生光子放射的现象。
当半导体材料中的电子被外部能量激发时，它们将从价带跃迁到导带。
这个过程中，电子减少了能量，而在这个能量差中释放出的光子的能量取决于跃迁的能量差。
这种跃迁可以是直接的，也可以是间接的。
直接跃迁是指电子在能带结构中从一个特定能级直接跃迁到另一个特定能级。
间接跃迁是指电子先跃迁到势垒，并通过与晶格的相互作用而重新获得能量，再跃迁到另一个能级。
半导体材料中的电子与空穴形成的复合是发光的主要机制之一。
当电子从导带跃迁到价带，导致一个空位或空穴的形成。
这些空穴可以在材料中继续移动，与其他电子重新结合，产生复合。
在此过程中，能量会以光子的形式释放出来。
半导体发光的波长取决于材料的能带结构和电子的跃迁过程。
通过调节材料的成分和控制外部激发条件，可以实现不同波长的发光。
由于半导体材料具有小体积、低功耗、响应速度快等优点，因此在照明、显示、通信等领域得到广泛应用。
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第八章半导体发光研究一种新型半导体材料，首先是要对它的光电以及结晶品质等进行研究。
对于光电子材料。
对它的发光性质的研究是一个重大课题，有大量的工作可做。
可以说每一种光电子材料的光学性质研究都有大量文献报道。
通过对材料的发光性能的研究，可以判定材料的生长质量，发光特性，杂质情况，杂质电离能，适合不适合制作发光器件等。
画光谱图1. 辐射跃迁：处于激发态的电子向较低的能级跃迁，同时发射光子的过程。
要求系统处于非平衡状态，一般通过一些外加的激发手段才能达到。
电致发光：电流激发。
阴极射线发光：电子束激发。
光致发光：光激发，入射光子能量要大于材料禁带宽度。
2．发光波长与能量的关系：λ=c/v=hc/E=1240/E（nm），E单位为电子伏特（eV）3．带-带跃迁：导带的电子跃迁到价带，与空穴复合，自由载流子复合。
（激子效应对半导体发光光谱有更重要的影响，但在较高实验温度下和对于纯度较差的样品，可以观察到带-带跃迁）发光光谱形状：F(hv )∝( hv )2（hv-Eg）1/2exp-(hv-Eg)/KT特征：发光峰在Eg附近。
发光峰具有一个高能量尾部，在hv=Eg处，低能量边缘突然截止。
在低激发情况，发射峰的半峰宽近似等于0.7kT。
随掺杂浓度增加和费米能级深入导带，发光峰峰位置和高能边缘均向高能量方向移动。
增加激发和升高温度也可导致发光向高能方移动。
自吸收导致实验观测的发光光谱向低能方向漂移。
K：玻尔兹曼常数，8.62x10-5电子伏特/度。
300K时，KT约26meV。
77K时，KT约6.6meV。
4．自由激子：自由电子和自由空穴由与库仑力作用而束缚在一起所形成的系统，可在晶体中运动。
电子与空穴之间的作用类似与氢原子中电子与质子的相互作用。
自由激子代表了低激发密度下纯半导体中电子和空穴的能量最低的本征激发态。
（对足够纯的半导体材料，低温下本征辐射复合的主要特征可以是激子复合导致的狭窄谱线。
按激子复合发光模型，发光谱低能端应在激子波矢0对应的激子能量处突然截止，考虑激子效应时，有时还需考虑激子和光子耦合导致的激子极化激元的效应，可以解释实验观察到的发光谱线的低能带尾）。
温度较低，材料纯度较高时可观察到。
发光峰能量：hv= hv=Eg-E ex束缚能：E ex=-m r*q4/8εr2ε02 h2n2 = （m r* /m o）（13.6/εr2）（1/n2）m r*为电子和空穴的折合质量m r*=m p* /（m p*+m n*）m p* ，m n*分别是空穴和电子的有效质量。
（在杂质原子里（如施主），核的有效质量很大，因此，其折合质量等于电子的有效质量。
但激子折合质量要小于电子，激子束缚能要低于施主或受主的束缚能）（一般只能观察到n=1，2的谱线）特征：发光峰能量略低于Eg，离化能可估计出，发光峰尖锐，半峰宽在几个meV以内。
发光强度与激发密度成线性关系，一般在低温下才可观察到。
自由激子的声子伴线：自由激子在复合时，发射了一个或多个声子，同时发出的光子。
发光峰能量：hv= hv=Eg-E ex-mE p特征：发光峰一般伴随自由激子峰出现。
其与自由激子的能量差为声子能量。
出现多声子伴线时，发射峰之间的能量差相等。
横向光学声子（TO），横向声学声子（TA），纵向光学声子（LO），纵向声学声子（LA）一般最易观察到纵向光学声子（LO声子）伴线。
5．束缚激子：束缚在杂质上的激子。
杂质中心俘获电子或空穴，然后俘获相反符号的载流子；或者杂质中心俘获一个自由激子。
束缚激子不能在晶体中自由运动。
可束缚在中性施主，中性受主，电离施主，电离受主上。
（从能量的观点看，如果激子处在杂质中心附近时使系统能量下降，那么激子保持在杂质或缺陷附近是有利的，激子可以束缚在杂质中心上。
）低温观察KT/ E Dx﹤0.3。
中性施主束缚激子：D0X 电离施主束缚激子：D+X中性受主束缚激子：A0X 电离受主束缚激子：A+X对中性施主或受主，杂质中心都有可能束缚激子，但电离杂质的情况就不一样。
判定：有效质量比：σ：m e*/m h*，认为：对于电离施主，σ小于0.71，系统能量下降，也有认为，σ小于0.2时，束缚激子（D+X）才是稳定的。
当σ接近0时，E=0.22 E x。
D+X离解为一个中性施主和一个自由空穴比离解为一个b电离施主和一个自由激子更容易发生。
对于电离受主束缚激子，只有当σ大于1.4时，才可能存在，因此一般电离受主束缚激子很难观察到。
具体参照半导体光学性质337，图5.21。
中性施主束缚激子：D0X 电离施主束缚激子：D+X中性受主束缚激子：A0X 电离受主束缚激子：A+X发光峰能量：hv= Eg-E x-E b，电离施主束缚激子hv= Eg-E Dx= Eg-E D-D（D0h）束缚能：E x+E b 其中，E x为自由激子束缚能，E b是将自由激子束缚到杂质中心的附加能。
特征：发光峰能量略低于自由激子，发射谱线很窄（样品较纯的情况下，束缚激子的波函数可认为互不交叠，基态能量是孤立和局域化的，不同于自由激子，其动能项对发光谱线的展宽效应可忽略不计），半峰宽一般低于1meV。
GaAs，束缚于浅杂质的激子发射谱线宽在0.1meV数量级。
（各种束缚激子的判定较为复杂，首先可比较实验观测到的束缚激子发光谱线的能量和各种不同束缚激子态束缚能的理论估计）如，利用有效质量近似，类氢模型估算出的自由激子束缚能（E ex），计算出有效质量比σ：m e*/m h*，在已知该材料的σ情况下，根据不同束缚激子能Eb与Eex的关系估算出Eb，得到各种束缚激子的发光峰能量，与实验值比较。
还可以结合磁场作用下的束缚激子发光谱线的塞曼分裂来判定。
束缚激子的声子伴线：束缚激子在复合时，发射了一个或多个声子，同时发出的光子。
6．深跃迁：电子从导带跃迁到受主能级，或从施主能级跃迁到价带。
发光能量：hv= Eg-E i E i （E A受主束缚能，E D施主束缚能）施主束缚能：E D= m n*q4/8εr2ε02 h2= 13.6 m n*/m0εr2 m n*: 电导有效质量，m0: 电子惯性质量。
ε: 相对介电常数。
r如果掺杂浓度达到1018cm-3, 导带电子跃迁到受主能级或从施主能级跃迁到价带的几率和带-带跃迁，激子跃迁有相同的量级，不难在实验中观察到。
也可观察到声子伴线峰。
特征：发光峰能量低于激子峰，一般谱线较宽。
当杂质浓度增加时，发光峰展宽，峰位能量漂移。
（半导体的光学性质，P362。
，半导体中的光学过程，P151）7．施主-受主对：施主离子及其束缚的电子和受主离子及其束缚的空穴可以构成施主-受主对（D-A对）（半导体中的光学过程，P160），KT﹤Ei时，载流子被电离杂质俘获后很难热电离，D-A对的跃迁变得重要。
发光峰能量：hv=Eg-（E A+E D）+e2/（4πεr），其中，r为施主-受主对的间距。
特征：当r不是很大（10-50晶格常数）可显示为一系列分立的谱线，但在r较大时，形成一个连续的宽发射谱。
随激发密度增大，激发近距离的D-A对数目增多，发光峰向高能方移动。
8．能带内的跃迁，导带热电子跃迁到价带顶，导带底电子与价带热电子复合：在直接带隙半导体中很难观察到，而价带空穴到电离受主的跃迁的声子发射几率远大于光子发射几率，一般难以观察到。
半导体的光吸收探测半导体能带结构最直接的方法就是测量它的吸收光谱。
研究一种新型半导体材料，首先是要对它的光电以及结晶品质等进行研究。
对于光电子材料。
对它的发光性质的研究是一个重大课题，有大量的工作可做。
可以说每一种光电子材料的光学性质研究至少有上千篇的相关文献报道。
通过对材料的发光性能的研究，可以判定材料的生长质量，发光特性，杂质情况，杂质电离能，适合不适合制作发光器件等。
画光谱图1．本征吸收：价带电子吸收能量跃迁到导带的过程。
可判定材料的禁带宽度。
条件：入射光子能量大于禁带宽度。
特点：吸收系数与光子的能量关系为：α（hv）=A（hv-Eg）1/2，hv≥Eg=0 hv＜Eg处于激发态的电子向较低的能级跃迁，同时发射光子的过程。
要求系统处于非平衡状态，一般通过一些外加的激发手段才能达到。
电致发光：电流激发。
阴极发光：电子束激发。
光致发光：光激发，入射光子能量要大于材料禁带宽度。
2．发光波长与能量的关系：λ=hv=hc/E=1240/E（nm），E单位为电子伏特（eV）3．带-带跃迁：导带的电子跃迁到价带，与空穴复合，自由载流子复合。
（激子效应对半导体发光光谱有更重要的影响，但在较高实验温度下和对于纯度较差的样品，可以观察到带-带跃迁）发光光谱形状：L=B（hv-Eg）1/2特征：发光峰在Eg附近。
发光峰具有一个高能量尾部，在hv=Eg处，低能量边缘突然截止。
在低激发情况，发射峰的半峰宽近似等于0.7kT。
K：玻尔兹曼常数，8.62x10-5电子伏特/度。
300K时，KT约26meV。
77K 时，KT约6.6meV。
6．自由激子：自由电子和自由空穴由与库仑力作用而束缚在一起所形成的系统，可在晶体中运动。
电子与空穴之间的作用类似与氢原子中电子与质子的相互作用。
（对足够纯的半导体材料，低温下本征辐射复合的主要特征可以是激子复合导致的狭窄谱线。
按激子复合发光模型，发光谱低能端应在激子波矢0对应的激子能量处突然截止，考虑激子效应时，有时还需考虑激子和光子耦合导致的激子极化激元的效应，可以解释实验观察到的发光谱线的低能带尾）发光峰能量：hv= hv=Eg-E ex束缚能：E ex=-m r*q4/8εr2ε02 h2n2 =13.6 m r* /m oεr2m r*为电子和孔穴的折合质量m r*=m p* /（m p*+m n*）m p* ，m n*分别是空穴和电子的有效质量。
（在杂质原子里（如施主），核的有效质量很大，因此，其折合质量等于电子的有效质量。
但激子折合质量要小于电子，激子束缚能要低于施主或受主的束缚能）（一般只能观察到n=1，2的谱线）特征：发光峰能量略低于Eg，离化能可估计出，发光峰尖锐，半峰宽在几个meV以内。
一般在低温下才可观察到。
自由激子的声子伴线：自由激子在复合时，发射了一个或多个声子，同时发出的光子。
发光峰能量：hv= hv=Eg-E ex-mE p特征：发光峰一般伴随自由激子峰出现。
其与自由激子的能量差为声子能量。
出现多声子伴线时，发射峰之间的能量差相等。
横向光学声子（TO），横向声学声子（TA），纵向光学声子（LO），纵向声学声子（LA）一般最易观察到纵向光学声子（LO声子）伴线。
7．束缚激子：束缚在杂质上的激子。
杂质中心俘获电子或空穴，然后俘获相反符号的载流子；或者杂质中心俘获一个自由激子。
束缚激子不能在晶体中自由运动。
可束缚在中性施主，中性受主，电离施主，电离受主上。