半导体照明技术(第六讲)

E
I
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， 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。
半
导
体
照
明
技
术
PN结正偏时，呈现低电阻，
具有较大的正向扩散电流；
IF
PN结反偏时，呈现高电阻， 具有很小的反向漂移电流。
半
导
体
照
明
技
术
第四节
异质结构
异质结是由两块不同带隙能量的单晶半导体连接而成的。 异质结分为同型（n-n或p-p）和异型（p-n）异质结两种。理 想异质结的界面是突变的，实际的异质结存在一个缓变区，虽 然很小，不足10μ m，但会改变一些异质结的特性，却不会破 坏有用性质。 理想的异质结是由晶格参数失配很小（小于0.1%的）的 材料制成，在发光器件中有如下作用： 1、同型异质结可以由透明的（带隙较高）导电衬底和包含器 件的有源区的外延层构成。 2、同型异质结能够提供一个很靠近有源区的透明层，以降低 如果采用一个自由表面时的表面复合速度。起钝化作用。
半
导
体
照
明
技
术
3、同型异质结能形成限制载流子的势垒来有效地缩短载流 子的扩散长度，从而缩短复合区。
4、异型异质结可通过改变两侧带隙能量的相对大小来提高 电子或者空穴的注入效率。
5、同型或异型异质结提供一个折射率突变，从而形成一个 光波导的界壁。 6、同型异质结可以在金属接触的表面提供一层带隙能量小 的材料，有助于制作欧姆接触。
电子的波动函数跨越两个能级，引起电子的跃迁，这样两
个能级间的能量差以光的形式辐射出来。 4、激子复合 （1）激子：激子是库仑引力束缚在一起的电子—空穴对，也 是一种激发的能量状态。自由激子能在晶体内部运动，而束缚
激子则可受到施主、受主、等电子陷阱、晶体缺陷等的束缚。
半
导
体
照
明
技
术
（2）在半导体晶体中，除了固定在晶格原子上的电子和能自由 地在晶体中运动的电子外，还有处于它们中间能量的固定在格子 上的电子，这就是处于激发态的电子，随之与空穴产生空穴—电 子对，这个激子就可因扩散而转移到另一个原子上去。这个带有 能量的电子—空穴对由于复合释放出能量，以光的形式向外辐射。 （如GaP发红光、绿光）
式中，Kθ 为声子的能量，也就是晶格振动的热能。
注：声子就是晶格振动的简正模能量量子。
半
导
体
照
明
技
术
2、通过杂质能级的复合 首先含有杂质的半导体在常温附近大部分的杂质被离子化, 在空的杂质能级上导带的电子被俘获；其次，必须使杂质的能 级俘获的电子再吸收热能，在回到导带之前和空穴复合。 3、相邻能级的复合
电子能级
U0
也阻止N区 带负电的电子进 一步向P区扩散。
eU 0
电子电势能曲线
半
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体
照
明
技
术
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
eU0
空带
施主能级
受主能级 满带
满带
半
导
体
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明
技
术
（二）PN结的特性
1、ＰＮ结的单向导电性 （１） 正向偏压 在ＰＮ结的P型区 接电源正极，N型 区接负极叫正向 偏压。
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。
（2）热击穿（不可逆）
反向电压
反向电流
结温
热激发
半
导
体
照
明
技
术
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：
4、P型化合物半导体
例如，化合物 GaAs中掺Zn，二价的Zn替代三价的Ga可形成 受主能级，成为p型GaAs杂质半导体。
半
导
体
照
明
技
术
二、PN结及其特性
（一）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
P型
N型
了一个电场，称为内建场。内建场阻
半
导
体
照
明
技
术
作业：
1、如何高效地产生电子和空穴？
2、以什么方式复合产生高效的光辐 射？
未饱和共价键，则电子空 穴成对消失，称为复合。
本征激发和复合的过程
半
导
体
照
明
技
术
（四）杂质半导体
1、N型半导体 四价的本征半导体(Si、Ge等)，掺入少量五价的杂质元素(如 P、As等)形成电子型半导体，称N型半导体。也称电子型半导体。
因五价杂质原子中只
有四个价电子能与周围四 个半导体原子中的价电子 形成共价键，而多余的一 个价电子因无共价键束缚
本征半导体特性：
（1）热力学温度为0K时，几乎不导电。
（2）光激发、热激发和掺入杂质可以使其导电能力增加。对
应的导电元器件分别是光敏元件、热敏元件、晶体管。
（三）半导体的导电原理
1、电子 当半导体处于热力学温度0K时，没有自由电子。当温度升
高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱
原子核的束缚而参与导电，成为自由电子。
这一现象称为本征激发，也称热激发。
半
2、空穴
导
体
照
明
技
术
自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一
个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与 电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。 3、电子空穴对
因热激发而出现的自
由电子和空穴是同时成对 出现的，称为电子空穴对。
游离的部分自由电子落入
C j C0 (1
V

V
)

1 2
在缓变结的情况下：
C j C0 (1

)

1 3
式中C0是无外加电压时耗尽层的电容量。
半
导
体
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明
技
术
第二节
一、复合的种类
注入载流子的复合
复合分为两大类，一个是伴随光的辐射的复合(辐射型复合)； 一个是不伴随光辐射的复合(非辐射型复合)。前者是由于空穴和 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，不伴随光辐射的复合对发光二极管来说是有害的复合。
半
导
体
照
明
技
术
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。
半
导
体
照
明
技
术
第一节 半导体PN结及其特性
一、半导体基础知识 （一）半导体的晶体结构
硅和锗是四价元素，在原
子最外层轨道上的四个电子
称为价电子。它们分别与周 围的四个原子的价电子形成
共价键。共价键中的价电子
为这些原子所共有，并为它 们所束缚，在空间形成排列 共价键
硅原子空间排列 及共价键结构平面示意图
有序的晶体。
半
导
体源自文库
照
明
技
术
（二）本征半导体: 纯净的结构完整的半导体。
为空穴型半导体。因三价杂
质原子在与硅原子形成共价 键时，缺少一个价电子而在
共价键中留下一个空穴。
P型半导体的结构示意图
半
导
体
照
明
技
术
P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成； 电子是少数载流子，由热激发形成。
空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子，三价杂质因
而也称为受主杂质。 3、N型化合物半导体 例如，化合物GaAs中掺Te(碲 )，六价的Te替代五价的As可 形成施主能级，成为n型GaAs杂质半导体。
最后,多子的扩散和少子的漂移达
止电子和空穴进一步扩散，记作 E阻 。
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。
E阻
P-N结
半
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照
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技
P-N结
术
2、PN结处存在电势差Uo。
电势曲线
它阻止P区 带正电的空穴进 一步向N区扩散；
三、非辐射型复合
1、阶段地放出声子的复合 作为半导体发光材料，从发光波长来考虑，禁带宽度必须在 1eV以上，而声子的能量在0.06eV左右，导带的电子落入满带时, 电子的能量假如全部生成声子，则必须有20个以上的声子生成， 这么多的声子同时生成的概率几乎等于零。因此，声子也就阶段 性地产生。
半
2、俄歇过程
二、辐射型复合， 1、直接跃迁和间接跃迁
在导带底的电子落到满带，与空穴复合时，最初的状态和最 后的状态的能量差以光的形式辐射。分为直接跃迁型和间接跃迁 型。
半
导
体
照
明
技
术
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
导
体
照
明
技
术
电子能量变换成热能的过程称为俄歇过程。它是非辐射型的 复合过程。俄歇过程是在自由载流子的浓度比较高的情况下和有 晶格缺陷的情况下发生。 3、表面复合
在晶体表面，可以想象到存在着比内部还要多的缺陷，因此， 在表面引起的各种非辐射性复合的概率比晶体内部还要高。
发光二极管的发光效率、寿命、可靠性都与表面密切相关。
而很容易形成自由电子。
N型半导体结构示意图
半
导
体
照
明
技
术
在N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由杂质原子提
供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。 提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因
此五价杂质原子也称为施主杂质。
2、P型半导体
在本征半导体中掺入三价
杂质元素(如硼[B]、铟[In] 等)形成了P型半导体，也称
半
导
体
照
明
技
术
第三节 辐射与非辐射复合之间的竞争
少数载流子既可辐射复合也可非辐射复合，二者之间的竞
争决定了发光二极管的内量子效率。
i
1 N t 0 p Et E L 1 exp N I n KT
由式可见，发光中心密度大，非辐射复合中心密度小，发光中 心浅、自由电子密度越大，则内量子效率越高。
反 偏
由此可以得出结论：PN结具 有单向导电性。
IR
I F I R
半
导
体
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明
技
术
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。
击穿电压
I （微安） -30 -20
V(伏)
-１０
反向
-２０
-３０
半
导
体
照
明
技
术
（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：
E
p型 n型
I
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。
半
导
体
照
明
技
术
I （毫安）
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)。
３０
正向
２０
１０
（伏） V
0
0.2
1.0
半
导
体
照
明
技
术
（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。