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