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
IF
反 偏 IR
PN结正偏时，呈现低电阻， 具有较大的正向扩散电流；
PN结反偏时，呈现高电阻， 具有很小的反向漂移电流。
由此可以得出结论：PN结具 有单向导电性。
IF IR
2、PN结的反向击穿特性
当加到PN结上 的反向电压增大到 某个数值时，反向 电流急剧增加，这 种现象称为PN结的 反向击穿。
第二节 注入载流子的复合
半导体的发光机理分为以下三种形式：
半导体发光
电致发光 光致发光 阴极射线发光
电致发光理论
由电场（电流）激发载流子，将电能直接转变 为光能的过程，称为电致发光，也称为场致发光。
导带中的电子与价带中的空穴复合时，一定要释 放出多余能量，放出能量的方式有两大类： 发射光子，即能量以发射光子的形式释放，称为辐射 复合。
第四章 半导体的激发与发光
半导体发光二极管能将电能直接转变为光 能。其原理是电能造成比热平衡时更多的电子和 空穴，同时，由于复合而减少电子和空穴，造成 新的热平衡，在复合过程中，能量以光的形式放 出。
本章主要介绍PN结及其特性、注入载流子 的复合、异质结构等内容。
第一节 半导体PN结及其特性
一、半导体基础知识(略)
P型
N型
E阻
P-N结
2、PN结处存在电势差Uo。
它阻止P区 带正电的空穴进 一步向N区扩散；
P-N结
电势曲线
U0
也阻止N区 带负电的电子进 一步向P区扩散。
电子能级
eU0
电子电势能曲线
3、由于PN结的存在，电子的能量应考虑到势垒带来的附加 势能，使电子能带出现弯曲。
p-n结
空带 受主能级
满带
E k
E1
间接跃迁
E2
k
对于此声子参与的二级过程称为间接跃迁，其发生几率 比直接跃迁小得多，发光效率也比较低。
第二节 注入载流子的复合
对于直接跃迁型辐射，如果辐射光的频率为ν，则：
hv E1 E2
对于间接跃迁型辐射，如果辐射光的频率为ν，则：
hv E1 E2 K 式中，Kθ为声子的能量，也就是晶格振动的热能。
不发射光子，称为非辐射复合，最后转变为热能或激 发别的载流子。 在LED发光材料中，必须是辐射复合占优势，来 提高光发射效率。
第二节 注入载流子的复合 一、复合的种类
按载流子复合所产生的能量形式： 1.辐射复合（发射光子） 2.非辐射复合（发射声子或载流子之间能量交换）
辐射型复合由于空穴和电子的复合以光能的形式辐射能量， 即对发光二极管来说是有用的复合;
二、PN结及其特性
1、PN结的形成
N型半导体和P型半导体的结合面上 由于Ｎ区的电子向Ｐ区扩散，Ｐ区的
空穴向Ｎ区扩散，在交界面附近产生
了一个电场，称为内建场。
E阻
最后,多子的扩散和少子的漂移达
到动态平衡。对于P型半导体和N型半
导体结合面，离子薄层形成的空间电
荷区称为PN结。在空间电荷区，由于 缺少多子，所以也称耗尽层。
非辐射型复合不伴随光辐射的复合,对发光二极管来说是有 害的复合。
第二节 注入载流子的复合
一、复合的种类
带间复合
辐射型复合
通过杂质中心的D-A对复合 通过杂质能级的复合
激子复合
非辐射型复合
伴随多数的声子的复合 俄歇复合 器件表面的复合
二、辐射型复合 1、带间复合
带间复合是指导带中的电子与价带中的空穴的复合。 产生的光子能量接近于半导体材料的禁带宽度Eg。
而带间复合又细分为
◎直接跃迁;
◎间接跃迁;
◎直接跃迁; 其导带的极小值与价带的极大值具有相同的波矢K，电子跃 迁产生光辐射时，K的数值变化不大，不需要第三者的参与，所
以称为直接跃迁型。 Ek
E1
直接跃迁
E2
k
此类型的半导体带间复合几率比间接带隙型半导体高得多
◎间接跃迁;
此类型半导体的导带极小值和价带的极大值对应于不同的K 值。电子跃迁时，为了满足动量守恒，必须有声子参与此跃迁 过程。
击穿电压
-30 -20
反向
I （微安）
V(伏)
-１０ -２０ -３０
（1）电击穿（可逆） 齐纳(Zener)击穿： 较强的内电场将空间电荷区共价键中的价电子拉出。产 生大量的电子空穴对，使空间电荷区的高阻性变差而击穿。 掺杂浓度高易击穿。 雪崩击穿： 少数载流子在强电场作用下碰撞电离并产生连锁效应， 造成空间电荷区中的载流子数目剧增，使Is突然增大。
eU0
空带 施主能级
满带
第四章 半导体的激发与发光
（二）PN结的特性
1、ＰＮ结的单向导电性
（１） 正向偏压
I
在ＰＮ结的P型区 接电源正极，N型 区接负极叫正向 偏压。
E
p型
n型
E阻
阻挡层势垒被削弱、变窄，有利于空穴向N区运动，电子向 P区运动，形成正向电流(mＡ级)， PN结表现为小电阻。
外加正向电压越大， 正向电流也越大， 而且是呈非线性的 伏安特性(图为锗管)。