光电材料器件复习资料(必考)

第一章
PN结空间电荷区的形成过程：在形成结之前，N型材料中费米能级靠近导带底，P型材料中费米能级靠近价带顶。

当N型材料和P型材料被连接在一起时，费米能级在热平衡时必定恒等。

恒定费米能级的条件是由电子从N型一边转移至P型一边，空穴则沿相反方向转移实现的。

电子和空穴的转移在N型和P型各边分别留下未被补偿的施主离子N d+和受主离子N a-。

它们是荷电的，固定不动的，称为空间电荷。

空间电荷存在的区域叫做空间电荷区。

加偏压的PN结的能带图的画法：
耗尽层宽度：
雪崩击穿：Ｎ区的杂散空穴进
入空间电荷层，从电场获得动能，
和晶格碰撞电离出一个电子，而后原始的和产生的载流子继续发生
更多的碰撞，使载流子数得到倍增．（能描述高电压下击穿的结）
齐纳击穿：在高电场下耗尽区的共价键断裂产生电子和空穴，即有些价电子通过量子力学的隧道效应从价带转移到导带，从而形成反向隧道电流．（只能描述具有低击穿电压的结）
反向偏压：在P侧加上相对N侧为负的电压-V R，势垒高度增加，阻挡载流子通过PN结扩散，结的阻抗很高，电流非常小。

（PN结耗尽层的宽度随着反向偏压的增加而增加。

）
产生隧道电流的条件:（1）费米能级位于导带或价带的内部；（2）空间电荷层的宽度很窄，因而有高的隧道穿透几率；（3）在相同的能量水平上在一侧的能带中有电子而在另一侧的能带中有空的状态。

当结的两边均为重掺杂，从而成为简并半导体时，（1）、（2）条件满足。

外加偏压可使条件（3）满足。

PN结—同质结：由导电类型相反的同一种半导体单晶材料组成。

异质结：由两种基本物理参数（如禁带宽度）不同的半导体单晶材料组成的结。

pN异质结：和同质结相似，其势垒在界面两侧呈抛物线形状。

不同的是，在界面处宽带一侧多了一个尖峰，窄带一侧出现一个能谷。

尖峰可以阻止电子向宽带一侧运动—载流子的限制作用。

异质结的特性：（1）异质结的高注入比；（2）异质结的超注入现象；（3）异质结对载流子和光的限制；（4）异质结的“窗口效应”
异质结的“窗口效应”：两种半导体在一起形成异质结时，由于禁带宽度不同，对光波的吸收波长也不同，即光响应不同。

只有在光子能量处于的区域时异质结才有光响应（光子穿透宽带材料而被窄带材料吸收，产生光电流），这一区域之外光响应很小，这就是所谓的异质结的窗口效应。

应用：被用来制作异质结太阳能电池的窗口层、激光器端面保护层，可以提高器件性能、延长器件寿命。

量子阱：两个靠得足够近的相向异质结可以构成理想的矩形势阱，当阱宽可以和电子的德布罗意波长相比，而势垒的宽度较大，使两个相邻势阱中的电子波函数不能互相耦合（不发生交叠），即形成量子阱。

超晶格：由两种或两种以上性质不同的薄膜相互交替生长而形成的多层结构的晶体。

一般其周期长度要比各薄膜单晶的晶格常数大几倍或更多。

超晶格，多量子阱区别：多量子阱，势垒足够厚和高时，相邻势阱中的电子波函数不发生交叠，电子行为如同单个阱中电子行为的简单总和，适合制作低阈值，窄谱线的发光器件；超晶格，势垒比较薄和高度比较低时，由于隧道共振效应使阱中的电子隧穿势垒，势阱中分立的电子能级形成了子能带，适合制作大功率的发光器件。

第二章
外延生长：在经过仔细加工的晶体衬底的表面上，在一定的条件下（如温度、真空、气流等），某些物质的原子或分于会依照一定的晶向和结构在衬底止规则地排列，形成新的一层单晶层，其晶休的取向和结构会类同于原衬底，这个单晶层称之为外延层，这种生长外延层的技术称之为外延生长。

按作用分类：正外延和反外延：器件直接做在外延层上叫正外延；而器件做在衬底上，外延层只起支撑、隔离等作用，则叫反外延。

按材料的同异：同质结外延和异质结外延，衬底和外延层为同一种材料时的外延生长为同质结外延，衬底和外延层的组分不同时的外延生长为异质结外延。

按生长方法：液相外延、分子束外延、金属有机物化学气相沉积、化学束外延、超高真空化学气相沉积等
MOCVD（金属有机物化学气相沉积）结构：源输运系统，反应室系统，控制系统，尾气处理和安全保障系统MOCVD特点：1、生长所用的源都为气体，对于III族或II族源来说，采用它们的金属有机物气体，对于V族或VI族来说，则采用它们的烷类气体；生长室为常压或低压，无需超高真空；2、生长温度不太高（600～700 ℃），生长速率较快，可实现各种超晶格、量子结构；3、纯度、组分分布、掺杂分布可控，可获得高纯度、均匀组分、突变组分或掺杂的各类异质结构；4、晶体完整性好，可消除各类缺陷；5、生长过程中由计算机预先设计好的程序控制，可控性好，但不能进行实时监测；6、生长快，生长速度可以高达μm/min，片数多，可同时生长许多片，重复性好，适宜于大批量生产；7、MOCVD的实验设备比较昂贵，所用的源气体的毒性很大，需要特别注意安全防护措施。

MOCVD优点：1、利用气态源进行化学反应和沉积；2、能生长各类量子结构，可以多片同时生长，因而既能获得组分、掺杂、厚度等精确控制的各种异质结构、量子结构；3、能大批量、重复地生长外延层，因而既适于作研究工作，也非常适于大批量生产，在实验室和开发公司中都得到广泛应用；4、使用的气体源的毒性非常大，因此需要安装精密的监测系统和尾气处理系统，以保证人身安全和防止大气污染。

生长过程几个主要阶段：(1) 反应物气体混合物输运到外延生长区；(2) 反应物分子通过扩散，穿过边界层到达衬底表面；(3) 吸附分子间或吸附物与气体分子间发生化学反应生成晶体原子和气体副产物；(4) 生成的晶体原子沿衬底表面扩散到衬底表面上晶格的扭曲或台阶处结合进晶体点阵；(5) 副产物从表面脱附扩散穿过边界层进入主气流中被排出系统。

MBE(分子束外延)结构：进样室，预处理室，生长室
MBE特点：1、预处理室和生长室都是超高真空，通常预处理室的真空度<10-7Pa，生长室的真空度<10-8Pa；2、生长所用的源为固态或气态的原子、分子，且为高纯的；3、生长速率缓慢可控，可实现单原子层外延生长，可实现各种超晶格、量子结构；4、生长过程中可实现实时控制，采用RHEED（反射高能电子衍射仪）、俄歇电子能谱仪等，能够实时地测量外延层的生长情况、原子再构、晶体质量、组分分布等，适合生长机理的分析和研究；5、纯度、组分分布、掺杂分布可控，可获得高纯度、均匀组分、突变组分或渗杂的各类异质结构；6、晶体完整性最好，可消除各类缺陷，如单晶锭生长中的深能级EZ等，外延层的位错密度可以低于衬底的位错密度；7、MBE的实验设备庞大，价格昂贵，操作复杂，耗费原料，适宜于研究工作，不太适宜于大批量生产。

MBE优点：1、要求超高真空和各种复杂的喷射炉，并且具有高级的监控设备，因而其系统复杂、价格昂贵；2、能够外延生长出高质量的薄层单晶材料，无论是组分、掺杂还是外延层的层厚都可控；3、可以实时监控，即生长过程中就能侧出生长的组分、厚度、晶体质量等，特别适用于探索新材料、新结构、生长机理、物理分析等；4、适合科学研究，由于昂贵和操作复杂等原因，不大用于批量生产。

MBE外延生长机理：分子束外延生长是加热的组元的原子束或分子束入射到加热的衬底表面，与衬底表面进行反应的过程，它是从气相到凝聚相，再通过一系列表面过程的最终结果。

第三章
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。

非辐射复合：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。

间接辐射复合的5种主要形式：1浅能级和主带的复合：是浅施主与价带空穴或浅受主与导带电子之间的的复合。

（可以认为是价带空穴和俘获在浅施主能级上的电子的复合；或导带电子和俘获在浅受主能级上的空穴的复合。

）2施主D-受主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。

（1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。

2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。

3D-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。

）3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。

（1对于窄禁带材料，要得到可见光是困难的，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。

2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。

）4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，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。

5等电子陷阱复合：等电子杂质：周期表内与半导体基质原子同族的原子。

等电子陷阱：由等电子杂质代替晶格基质原子而产生的束缚态。

（1由于等电子杂质与被替位的原子之间的电负性和原子半径等方面是不同的，因而引起晶格势场畸变，可以束缚电子或空穴形成带电中心，就象在等电子杂质的位置形成陷阱，将电子或空穴陷着，故称为等电子陷阱。

2 如果等电子杂质的电负性比晶格原子的电负性大，则可以形成电子的束缚态，这样的等电子陷阱也可称为等电子的电子陷阱，这样的杂质称为等电子受主（如氮原子取代GaP中磷原子）。

3如果等电子杂质的电负性比晶格原子的电负性小，则形成空穴的束缚态，称为等电子的空穴陷阱，产生这种束缚态的杂质称为等电子施主（如铋原子取代GaP中磷原子）。

）
俄歇复合：电子和空穴复合时，把多余的能量传递给第三个载流子，使它在导带或价带内部激发。

第三个载流子在能带的连续态中做多声子发射跃迁，来耗散多余的能量而回到初始状态。

LED
外量子效率：为单位时间内输出二极管外的光子数目与注入的载流子数目之比。

内量子效率：单位时间内半导体的辐射复合产生的光子数与注入载流子的数目之比。

光取出原理：是光输出功率与光输入功率之比。

减少材料吸收而产生的损失采取的措施：1要有厚的窗口层（Window Layer）或电流分布层使电流能均匀分布并增大表面透过率；2用电流局限（Current Blocking）技术使电流不在接触区域下通过；3用透明、不吸收光材料作衬底（Substrate）或者在活性层下设置反射镜将光反射至表面。

增加光取出效率的方法：1增加内部量子效率（用最佳活性层—— 量子阱作活性层就可以增加发光效率；2用光子循环（Photon Recycling）的方法，希望放出的光在内循环中不被吸收而再放出。

3改进材料的质量、减少缺陷，尤其是位错等。

）2改进内部结构：改善电流分布，使用电流局限层，增加透明衬底或反射镜。

3改变表面结构及外形：使用半圆形球，表面织状结构或粗糙面，几何形状改变的结构，衬底上有高反射镜。

4基本结构的改变
：使用光子晶体，超级发光二极管，谐振腔发光二极管。

FC LED倒桩结构优势：在这种结构中，光从蓝宝石衬底取出，不必从电流扩散层取出。

由于不从电流扩散层出光，这样不透光的电流扩散层可以加厚，增加Flip chip的电流密度。

同时这种结构还可以将pn结的热量直接通过金属凸点导给热导系数高的硅衬底（为145W/mK），散热效果更优；而且在pn结与p电极之间增加了一个反光层，又消除了电极和引线的挡光，因此这种结构具有电、光、热等方面较优的特性。

目前制备白光LED的方法主要可以分为三种：1红、绿、蓝（RGB）多芯片组合白光技术；2单芯片加荧光粉合成白光技术；3、MOCVD直接生长多有源区的白光LED技术。

各种方法优缺点：一RGB多管芯技术：优点：是显色率高、寿命长，由于不需要荧光粉进行波长转换，发光效率高。

缺点：由于分别受单个芯片的性能影响，其色稳定性较差，由于有电流配置的问题，常常需要IC芯片控制，加上其光学方面的设计，其封装难度较大，且成本很高，其每一个单元都是普通白光LED的数倍。

二单芯片加荧光粉的技术：优点：成本也较低，其色稳定性较好，工艺重复性好。

缺点：1近紫外光芯片加RGB三基色荧光粉技术：流明效率比较低。

2蓝光芯片加黄光YAG荧光粉技术：蓝光/黄光色相分离效应、强色温、电流依赖性、绿光和红光分量的缺乏等，从而导致显色性的不足。

第四章
激光的特点：1单色性好2相干性好3方向性好4亮度高·
自发辐射:在没有外来光子的情况下，原子自发跃迁发出的光子。

特点：是个随机过程，各波列间没有固定位相关系，可以有不同的偏振方向、传播方向、相互间不相干，自发辐射的能量平均地分配到腔内所有模式上。

所以：自发辐射的光源，方向性、相干性、单色性差。

受激辐射特点：⑴必须有外来光子，其能量ε=hν=E2-E1 才能发生。

⑵量子电动力学证明，受激辐射的光子与入射光子同属一个光子态（特性完全相同）。

⑶可使外来光得到放大。

受激辐射与自发辐射的重要区别— 相干性：自发辐射：是原子在不受外界辐射场作用时的自发过程。

大量原子的自发辐射场的相位呈无规则分布，是不相干的；自发辐射场的偏振方向和传播方向也是无规则分布的。

自发辐射的能量平均分配到腔内所有模式上。

受激辐射：是原子在外界辐射场控制下的发光过程。

各原子的受激辐射的相位不再是无规则分布，而是和外界辐射场有相同的相位。

受激辐射场与入射辐射场属于同一种模式。

光放大的条件：dt时间、单位体积内受激吸收光子数dN12、单位体积内受激辐射光子数dN21，
(1) N2 < N1，受激辐射< 受激吸收，光吸收(2) N2 > N1，受激辐射> 受激吸收，光放大（光放大的条件：粒子数反转分布）
构成激光器的基本思想：1. 选择光波模式数，使模式数减少。

2. 产生光的受激辐射放大，使某模式内的光子数增大。

基本思想的实现：1. 将充满物质原子的空腔去掉侧壁用于选模；2. 使沿腔轴方向传播的光在每次通过物质时，不是被原子吸收（受激吸收），而是产生受激辐射，使光放大。

激光器的基本结构：工作物质、激励源、谐振腔
对工作物质的基本要求：（1）光学性质均匀、透明性好且性能稳定；（2）有能级寿命较长的能级—亚稳态能级（3）有比较高的量子效率。

常用的泵浦源有：光学泵浦：利用光源的光辐射把原子泵浦到高能态。

气体放电泵浦：利用气体放电中形成的电子或离子与工作物质的原子或分子作非弹性碰撞，把其激发到高能态。

粒子数泵浦：向工作物质注入高能电子或离子，让他们与工作物质的原子或分子作非弹性碰撞，把其激发到高能态。

化学泵浦：利用工作物质本身化学反应时产生的能量把原子、分子激发到高能态。

实现粒子数反转的内因和外因：(1) 外有激励源，把粒子从低能级激发到高能级(2) 内有亚稳态，实现稳定的N2> N1。

光的增益：光强随进入介质的深度而增大的现象。

增益系数：光通过单位长度增益介质后，光强增大的百分数。

谐振腔的作用：创造条件，使谐振腔内的受激辐射能够多次通过激活介质，谐振腔决定着输出激光的基本特性即：方向性、相干性和输出功率（1）定向、选频作用—得到高度平行的单色性好的激光（2）为激光振荡提供正反馈，以增强光同介质的相互作用。

光振荡的阈值条件：光在谐振腔内来回反射的过程中，对光强变化的影响存在两个对立因素：1. 激活介质的增益，它使光强放大；2. 光能量在激光器中有各种损耗，它使光强变小。

要使光强不断加强就必须使增益大于损耗
激光的产生：设：有一微弱光，光强Ｉ0，在腔内传播若不随x变化为常数Ｇ０－小信号增益系数，有：①I0 较小时，I(x)将按小信号放大规律放大②随着I(x)增大，G(I)将由饱和效应而减小，因而I(x)的增长逐渐变缓。

③当G(I) =α时，I(x)不再增大，并达到一个稳定的极限值I m，增益为大信号增益系数G(I、ν)。

稳定的极限值I m只与放大器本身的参数有关，与初始光强I0无关。

不管I0多小，只要放大器足够长，就总是形成确定大小的I m，即形成自激振荡。

（比较推荐网络版的叙述：处于谐振腔内的激光工作物质在自发辐射产生的光子的诱导下产生受激辐射，受激辐射产生的光子在谐振腔内沿轴向往复传播，手机辐射的强度越来越大，使处于高能态的大部分粒子相互关联的发光。

以至于受激辐射强度远远超过自发辐射强度，当谐振腔内聚集的沿轴向方向的受激辐射达到iyiding的强度后，其中一部分通过反射镜射出，即形成激光）
半导体激光器发生粒子数反转分布的条件：在受激发射过程中，高能级粒子数逐渐减少，低能级粒子数逐渐增多，所以要通过泵浦不断地往上能级补充粒子，使之保持N2 > N1。

产生激光必须满足的条件: 1. 激活介质处于粒子数反转分布状态；2. 满足光振荡的阈值条件。

第五章
光生伏打效应涉及到以下三个主要的物理过程：第一、半导体材料吸收光能产生出非平衡的电子—空穴对；第二、非平衡电子和空穴从产生处向非均匀势场区运动，这种运动可以是扩散运动，也可以是漂移运动；第三、非平衡电子和空穴在非均匀势场作用下向相反方向运动而分离。

这种非均匀势场可以是结的空间电荷区，也可以是金属
—半导体的肖特基势垒或异质结势垒等。

（能带图）：
电压-电流特性曲线
开路电压V oc：在PN结开路情况下（R=∞）
此时PN结两端的电压即为开路电压V oc。

这时I=0，
短路电流I sc：如将PN结短路（V=0），因而I F=0，这时所得的电流为短路电流I sc，显然，短路电流等于广生电流I sc =I
L
填充因子FF：定义为它表示了最大输出功率点所对应的矩形面积在V o c和I sc所组成的矩形面积中所占的百分比。

特性好的太阳能电池就是获得较大功率输出的太阳能电池，也就是V oc，I sc和FF乘积较大的电池。

对于有合适效率的电池，该值应在0.7-0.85范围之内。

（在光电池的伏安特性曲线任一工作点上的输出功率等于该店所对应的矩形面积，其中只有一点是输出最大功率，称为最佳工作点，该点为最佳工作电压V op和最佳工作电流I op）
太阳能电池作用的四个基本功能：A：光学整合B：光载流子生成C：生成载流子的分极D：载流子的收集电极
太阳能电池的损失：1太阳辐射光谱与太阳能电池半导体材料的光吸收光谱的匹配;（白白透过太阳能电池所用材料而不能产生载流子的部分和在表面反射或漫散射损失的能量是最大的损失原因）2表面反射损失（reflection loss）;3由光吸收生成的载流子中，电池的表面或背面电极由于与环境复合造成的表面复合损失（surface recombination loss）;4光生成载流子在半导体的体内复合形成的体内复合损失（bulk recombination loss）;5太阳能电池供给负荷的电力在电流流动时从电极到半导体容体内电阻焦耳热的串联电阻损失（series resisitance）;6电压因子损失（voltage factor loss）。

高效率化的具体技术：（1）入射到材料的光能的有效封闭（无反射（AR）覆盖（减少表面反射损失）;织构形表面凹凸不平处理（利用漫射增大有效浸透深度）；内部界面电极的漫射处理BSR（back surface reflection）法）（2）光生载流子的有效收集和光电效果的增大（异质结产生的少数载流子反射镜效应;漂移型光起电效应（p-i-n结合，分层窗，分层不纯物覆盖法）；超晶格的利用。

）（3）光生载流子的复合损失的减少（光生成活性层的膜质的改善;pn、pi、in结合以及异质结界面的复合引起的减少。

）（4）直接电阻损失的减少（串联电阻）（透明电极的低电阻对策;电极开关的最优化；隧道效应电极及其最佳配置设计。

）（5）电压因子损失的减少（并联电阻）（异质结时减少少数载流子的界面复合;漂移型光起电效应的利用；其他BSF处理等。

）（6）更宽光谱的光能的收集（4端子分层型太阳能电池;2端子分层型太阳能电池；异质表面结合；宽梳状窗的作用（异质结合、超晶格利用）。

）
等效电路：。